矿井提升机的现状与发

1、1 绪 论1.1引言矿井提升机是煤矿、有色金属矿中的重要运输设备，是“四大运转设备”之一。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。提升机电

2、气控制系统在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。所以，提升机电气控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。随着矿井提升系统自动化，改善提升机的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。1.2 矿井提升机的现状与发展趋势随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高，人们对提升机工

3、作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展方向。1.2.1国外矿井提升机的现状1、晶闸管一电动机(SCRD)直流低速直联拖动系统部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管一电动机（以下简称SCRD)系统所取代。如德国、瑞典等国家已有90以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式(省去减速机)，使系统大为简化。如AEG公司采用低速直联的SCID系统，电机功率3000kW，额定转速558r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，

4、提升高度1200m，具有完善的保护系统；采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置：采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号；主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。SIEMENS(西门子)公司、ABB公司、CEGELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。此类系统的优点在于：体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；节电显著，58年可回收设备投资，是矿井节电的有效途径。其缺点在于：功率因数低，

5、如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。2、交流变频调速同步机驱动提升系统SCRD直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。再则，直流电机制造成本高，电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流子，碳刷易磨损，加大了维护工作量，故障率高。因此换相整流子是个薄弱环节。由于存在上述两个问题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。自80年代初以来

6、，交流变频供电的同步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。如SIEMENS公司1979年投运的2×4200kW、1×2650kw，额定转速55.8r/min； CEGELEC公司1983年投运的l×5480kw，额定转速69.5r/min；AEG公司1985年投运的l×3000kW，额定转速558r/min，ABB公司投运的l×4200kW额定转速4586r/min；SIEMAG公司投运的2×4600kw等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得成功。这种拖动系统主要有如下优点：提升容量几乎不受限制

7、，最大达10000kw，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200m以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的；没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗；功率因数高，可达0.9l，极大地节省了电能：动态品质好(和直流系统相同)，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；由于机械特性好，故起动转矩大。同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；调速范围宽。因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的必然发展方向。这种拖动系统的缺点是：必须有专用的变频电源；在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解

8、。3、微机控制在提升机上的应用从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变革。其应用主要体现在以下几方面：(1) 提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。如AEG公司采用CP一80微机、ABB公司采用MASTER200和SIEMENS公司采用S5一150等微机实现的变频控制，都获得了相当成功。它们把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上组成静止变流器的传

9、动控制，计算机实现速度及多个变量的调节。(2) 提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升罐笼在预定地点准确停车，要求准确度高，目前可达±2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处理，计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采用32位微机来构成行程给定器，并还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机不同时用于监视，行程控制也采用单独微机完成，从而大大提高了系统的可靠性。(3) 提升过程监视由于近代提

10、升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视；各主要设备运行状态监视；各传感器（如位鼍开关、停车开关）信号的监视。其目的在于使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存贮、保留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中。(4) 安全回路安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为以下四种情况：报警显示，如冷却器温度过高等；二次不能开车，如电机绕组过

11、热、制动油过热等；立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来；立即进行安全制动，如过卷、超速等。安全回路极为重要，它是保护的最后环节之一，英，德等公司都采用两台PC微机构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。(5) 制动系统的控制与监视制动(可调闸)控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对液压站的控制以及各环节参数(如油压、闸瓦磨损等)的监视，其技术要求与安全回路相似。如西门子公司采用两套可编程控制器(PLC)的双重控制与保护系统。(6) 全数字化调速控制系统德国AEG公司的Logidyn D

12、(32位机)、西门子公司的Siemadyn D(16位机)以及ABB公司的Tyrak(16位机)系统都已应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。4、内装式提升机AEG公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，即转子固定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。1.2.2国内提升机的现状与发展趋向1、国内提升机电气传动系统现状对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式

13、实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。2研制与发展(1) 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。(2) 在国内高压变频器

14、应用领域，国产厂家占总供应商的比例在80%以上，但国产产品的应用基本集中在300KVA3000KVA容量段，而在5000KVA以上超大功率产品基本上被ABB、西门子、东芝、三菱等跨国公司所垄断。前段时间智光电气成功研制7000KVA级超大功率高压变频器，将会改变未来市场竞争格局。(3) 可编程控制器（PLC）在提升机电控系统的应用可编程控制器（PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电一接触器电控系统进行技术改造。目前，已用可编程控制器（PLC）对TKD电控系统进行改造后显示出了很强的生命力。这是今后一段时期对我国占绝

15、大多数采用继电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。1.3本论文选题依据及主要研究内容1.3.1选题依据传统控制系统使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需要研制更加安全可靠的控制系统。在提升机控制系统中应用计算机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。可编程控制器（PLC）是目前工业控制最理想的机型。而在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用先进的矢量控制技术，不但适合提升机运行工艺的要求，还将解决整套提升机系统的电力拖动方面的一系列问题。变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了控制操作流程，

16、提高了控制精度。经过调研和论证，开发研制基于 PLC 控制的矿井提升机变频调速控制系统对提高矿井提升机的安全性、可靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。1.3.2本论文承担的任务本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。本论文研究目标是以潞安王庄煤矿副斜井提升机电气改造为背景，将可编程控制器（PLC）与变频器相结合对现有的

17、提升机电控系统进行改造设计。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。本论文承担的主要任务如下：1提升机电控系统主电路部分设计；2控制系统软件部分设计；3行程控制算法分析和S形速度给定曲线的算法分析；4保护及抗干扰措施；1.4小结本章详细介绍了当前国内外矿井提升机的现状与发展趋势，阐述了本论文选题依据，在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为：提升机电控系统主电路设计部分设计、控制系统软件部分设计、行程控制算法分析和S形速度给定曲线的算法分析

18、、保护及抗干扰措施。在完成以上设计内容时，此调速控制系统才能成为一个有机的整体，才能安全可靠的工作，并达到预期的控制效果。2 矿井提升机调速控制系统分析2.1引言 潞安王庄煤矿副斜井担负着全矿物料以及特殊时期的人员提升的重要任务，电控系统采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确；提升机频繁的起动调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗，节能较差；这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有

19、级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。鉴于此有必要对提升机的控制方式及调速性能做进一步的分析。2.2提升机工作原理及对电气控制系统的要求2.2.1提升机工作原理矿井提升机是以电动机为动力源，通过减速器将动力传给缠绕钢丝绳的滚筒，实现容器的提升下放，通过电气传动实现调速，盘型制动器由液压和电气控制进行制动，通过位置指示系统实现容器的深度指示，通过各种传感器、测速发电机控制元件，组成安全保护系统。矿井提升的整个过程可以分为五个阶段加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。加速阶段是提升机从静止状态起动加

20、速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是罐笼定位和准备安全停车阶段。2.2.2矿井提升机对电气控制系统的要求综合提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下：1)加(减)速度符合国家有关安全生产规程的规定。2)具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段(如加速、减速、等速、爬行等)稳定运行的要求。3)有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。4)特性曲线要硬。要保证负载变

21、化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作。5)工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。6)采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。尽量节约能源和降低运转费用。潞安王庄煤矿副斜井提升机资料：提升机于1960年投入使用，型号2BM2500/12002，生产厂家系洛阳矿山机械厂；电机功率160KW；滚筒直径2.5m；最大提升速度3.82m/s；提升距离487m，倾角25°；减速机速比20。副

22、斜井提升机的机械传动系统结构示意图如图21所示：2.3提升机调速控制方式及调速性能分析矿井提升机电力拖动部分有直流调速和交流调速两种调速控制方式。其各有优缺点，下面分别叙述。2.3.1提升机直流调速性能分析直流电动机的稳态转速可表示为：式中：转速（r/min）；电抠电压（V）：电抠电流（A）；电抠回路总电阻（）；励磁磁通（Wb）；由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，有三种调节电动机转速的方法： 1） 调节电抠供电电压； 2） 减弱励磁磁通； 3） 改变电抠回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电抠供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调

23、速，但调速范围不大，往往只能配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。根据系统供电形式的不同，变压调速系统可分为以下三种：发电机电动机调速系统、晶闸管整流器电动机调速系统及直流脉宽调制（PWM）系统。1、发电机电动机调速系统（G-M系统）发电机电动机系统是以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统，该系统的主要部件为直流发电机G，直流电动机M，故简称GM系统。国际上通称为WandLeonand系统。直流发电机G由原动机M（交流异步电动机或同步电动机）拖动，和分别是发电机和电动机励磁回路的磁通。系统由原动机拖动直流发电机，改变发电

24、机励磁回路的磁通即可改变发电机的输出电压也就改变了直流电动机的电枢电压，从而实现调压调速的目的。这种调速系统，设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便。目前仅在尚未更新设备的地方应用。2、晶闸管整流器电动机调速系统（V-M系统）晶闸管电动机系统是由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统，简称VM系统，又称静止的WandLeonand系统。这类系统通过改变给定电压来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，从而可改变晶闸管整流器的输出电压的平均值，进而达到改变直流电动机转速的目的。与G-M系统相比，此系统在经济性、可靠性及技术性能上也有较大的优势。其设备简单，调速更快。但

25、此系统只允许电机在I、IV象限运行，不能满足提升机四象限运行的要求；且低速运行时，产生较大的谐波电流，引起电网电压小型畸变，形成污染。3、直流脉宽调制（PWM）系统直流脉宽式调速系统，核心是脉冲宽度调制器（Pulse Width Modulation ，缩写为PWM），它是通过改变脉冲宽度的控制方式对直流电源进行调制，从而改变输出电压平均值的方法，是在VM调速系统的基础上，以脉宽调制式直流可调电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机速度调节系统。与V-M系统相比，直流PWM调速系统性能更优越：a、低速运行平稳，调速精度高，调试范围宽b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强；c、电机损耗及发热小

26、。2.3.2提升机交流调速性能分析 根据被控对象一交流电动机的种类不同，交流调速系统可分为异步电动机调速系统和同步电动机调速系统。1、同步电动机调速系统的基本类型由同步电动机转速公式，(为定子供电频率，为电动机极对数)可知，同步电动机唯一依靠变频调速。根据频率控制方式的不同，同步电动机调速系统可分为两类，即他控式和自控式同步电动机调速系统。 他控式同步电动机调速系统用独立的变频装置作为同步电动机的变频电源叫做他控式同步电动机调速系统。他控式恒压频比的同步电动机调速系统目前多用于小容量场合，例如永磁同步电动机、磁阻同步电动机。 自控式同步电动机调速系统采用频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控

27、式同步电动机调速系统，是用电机轴上所装转子位置检测器来控制变频装置触发脉冲，使同步电动机工作在自同步状态。自控式同步电动机调速系统可分为两种类型：负载换向自控式同步电动机调速系统(无换向器电机)、交一交变频供电的同步电动机调速系统。2、异步电动机调速系统的基本类型由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率。可分为两部分：一部分是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率，与转差率s成正比。转差功率如何处理，是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把异步电动机调速系统分为三类。 转差功率消耗型调速系统将转差功率全部转换成热能的形式而消耗掉。

28、晶闸管调压调速属于这一类。这类系统的效率最低，是以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降低。但是由于这类系统结构最简单且易实现自动控制，所以对于要求不高的小容量（100KW以下）场合还有一定的用途。 转差功率回馈型调速系统将转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈给电网。转速越低，回馈的功率越多。绕线式异步电动机串级调速和双馈调速属于这一类。显然这类调速系统效率最高，但系统的功率因数低。 转差功率不变型调速系统转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转差功率的消耗基本不变，因此效率很高。变频调速属于此类。变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步

29、转速的调速方法。目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流调速系统。变频调速技术及其装置仍是21世纪的主流技术和主流产品。综上所述，直流调速的电枢和励磁是分开的，能够精确控制；且直流调速转矩速率特性好并能在大范围内平滑地调速，因此在矿井提升系统中得到广泛应用。机械式换向器和电刷是直流电动机的重要部件。机械式换向器表面线速度及换向电流、电压有极限容许值，这就限制了电机的转速和功率。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本，以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产中，对转速要求高、大功率的场合则根本无法采用直流调速方案；在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工

30、作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易造成电枢两极短路，危及整个系统的安全。由此可见，这将使得直流调速系统的应用也相应受到了限制。然而，采用无换向器的交流电动机组成的交流调速系统代替直流调速系统可以突破这些限制，满足生产发展对调速传动的各种不同的要求。交流电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，使交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速性能要求较高的生产工艺已较多的采用了矢量控制型

31、的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。2.4 提升机调速控制方案分析提升机在选用调速控制系统时要按负载的特性要求，并结合矿井的生产规模，以达到经济、实用为目的。常用的控制方案主要有：转子回路串电阻调速、模糊控制、直接转矩等。2.4.1绕线型异步电动机转子回路串电阻调速系统传统矿井提升机交流拖动系统中选用绕线型异步电动机作为主拖动电动机，电动机的转子回路串接电阻或频敏变阻器，可以改善动态性能，不但可以减小启动电流，还可以增加启动转矩，并能在一定范围内进行调速。提升机转子串入五段电阻调速原理如图2-2所示。图2-2 提升机五段转子串电阻调速原理图这种调速方法

32、的电动机转速调节是通过改变转子回路串联的附加电阻来实现的。显然这是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速方案。在加速阶段和低速运行时，大部分能量以热能的形式消耗掉了，因此电控系统的运行效率较低。在加速过程中，交流接触器 KM1、KM2、KM3、KM4、KM5逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求提升机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电状态。这种拖动方案存在的问题是：1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；2）触点

33、控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差；3）运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上；4）电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的 2030%。虽然这种调速方案存在着调速性能差，运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点，但控制方式简单、初期设备投资小、维护容易、操作方便，目前在我国中小型矿井这种方案使用得相当普遍，以后将面临着技术改造的问题。2.4.2 模糊控制调速系统1、模糊控制的基本思想模糊控制（Fuxxy Control）的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF（条件）THEN（作用）”表达式形式表示的控制

34、规则，通过模糊推理处理得到控制作用集，作用于被控对象或过程控制，作用集为一组条件语句，状态条件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“高”、“低”、“正常”等。一般的模糊算法包括以下五个步骤： 定义模糊子集，建立模糊控制规则； 由基本论域转化为模糊集合论域； 模糊关系矩阵运算； 模糊推理合成，求出控制输出模糊子集； 进行逆模糊运算、模糊判决，得到精确控制量；在模糊控制系统中，模糊控制器是整个控制系统的核心。模糊控制器主要由模糊化接口、知识库、模糊推理、清晰化(解模糊接口)四部分组成。模糊化接口接受的输入只有误差信号e，由e再生成误差变化率模糊化接口主要完成论域变换和模糊

35、化两项功能。知识库中存贮着有关模糊控制器的一切知识，它们决定着模糊控制器的性能，是模糊控制器的核心。模糊控制应用的是广义前向推理，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。由模糊推理结果产生模糊控制器的输出，解模糊接口主要完成以下两项工作:解模糊和论域反变换。2、提升机模糊控制系统原理图在对电机的转速控制中，采用二维的输入变量即使用误差和误差的变化率。实现模糊控制的原理框图如图23所示：PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号e、误差变化率de/dt，把误差信号和误差变化率的精确量模糊化变成模糊量E、Ec再经过模糊推理得到模糊控制量U，进行解模糊处理得到控制信号u，

36、送入变频器从而对被控对象实施控制。3、模糊控制的特点模糊控制与常规控制相比，具有以下优点: 它是一种非线性的控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制。 模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立被控对象的数学模型，是解决不确定系统的一种有效途径。 模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 模糊控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，由工业过程的定性过程出发，较易建立语言变量控制规则。 由离线计算得到控制查询表，提高了控制系统的实用性。 由不同的观点出发，可以设计几个不同的指标

37、函数，但对一个给定的系统而言，其语言控制规则分别独立，通过整个控制系统协调，可以取得总体的协调控制。模糊控制的主要缺陷是: 信息简单的模糊处理导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。 模糊控制的设计尚缺乏系统性，无法定义控制目标，控制规则的选择、论域的选择、模糊集的定义、量化因子与比例因子的选取等大多采用试凑法，这对复杂系统的控制是难以奏效的。为了使模糊控制器的参数或者规则在控制过程中能够自动地调整、修改和完善，模糊控制器的设计自然而然地向着自适应、自校正的方向发展。2.4.3 直接转矩控制系统直接转矩控制

38、系统简称DTC(Direct Torque Control)是在20世纪80年代中期继矢量控制技术之后发展起来的一种高性能异步电动机变频调速系统。1977年美国学者A.B.Plunkett在IEEE杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1985年由德国鲁尔大学Depenbrock教授和日本Tankahashi分别取得了直接转矩控制在应用上的成功，接着在1987年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。不同于矢量控制，直接转矩控制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参数变化敏感等问题 传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大

39、。为了降低或消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能还是不能达到矢量控制的水平。最近出现了一种间接转矩控制技术，受到了很多学者的关注。间接转矩控制技术具有优良的低速性能，另外由于其独特的控制思想可以降低逆变器的开关频率，从而特别适用于大容量调速场合。 直接转矩控制的目标是:通过选择适当的定子电压空间矢量，使定子磁链的运动轨迹为圆形，同时实现磁链模值和电磁转矩的跟踪控制，其系统结构图如图24所示。在图24中，定子磁链和电磁转矩分别采用闭环

40、控制，s*、Tei*分别为定子磁链模值和电磁转矩的给定信号，、分别为定子磁链模值和电磁转矩的估计值，作为反馈信号使用。根据误差信号，转矩调节器输出转矩增、减控制信号CT; 磁链调节器输出磁链增、减控制信号C。开关表根据C、CT以及估计器输出的磁链扇区信号，选择正确的定子电压空间矢量，输出控制字SA,B,C给逆变器。 从图24中可以看出，和矢量控制相比直接转矩控制具有结构简单，转矩响应速度快、对参数变化鲁棒性强的优点。直接转矩控制的主要缺点是在低速时转矩脉动大，其主要原因是: (1) 由于转矩和磁链调节器采用滞环比较器，不可避免地造成了转矩脉动; (2) 在电动机运行一段时间之后,电机的温度升高

41、,定子电阻的阻值发生变化,使定子磁链的估计精度降低，导致电磁转矩出现较大的脉动; (3) 逆变器开关频率的高低也会影响转矩脉动的大小，开关频率越高转矩脉动越小，反之开关频率越低转矩脉动越大。2.4.4 矢量控制变频调速系统上世纪70年代西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制问题通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。以后在实践中许多学者进行了大量的工作，经过不断的改进，历经此后几十年的时间，达到了可与直流调速系统的性能相媲美的程度。具体步骤是将异步电动机的定

42、子电流矢量分解为产生磁场的电流分量 (励磁电流) 和产生转矩的电流分量 (转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。简单地说，矢量控制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。图2-5 矢量控制过程框图矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。 基于转差频率控制的矢量控制方式同样是在进行U / f 恒定控制的基础上，通过检测异步电动机

43、的实际速度n，并得到对应的控制频率f，然后根据希望得到的转矩，分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位，对通用变频器的输出频率f进行控制的。基于转差频率控制的矢量控制方式的最大特点是，可以消除动态过程中转矩电流的波动，从而提高了通用变频器的动态性能。早期的矢量控制通用变频器基本上都是采用的基于转差频率控制的矢量控制方式。无速度传感器的矢量控制方式是基于磁场定向控制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量控制需要在异步电动机内安装磁通检测装置，要在异步电动机内安装磁通检测装置是很困难的，但人们发现，即使不在异步电动机中直接安装磁通检测装置，也可以在通用变频器内部得到与磁通相应的量，并由此得到了所谓的

44、无速度传感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根据输入的电动机的铭牌参数，按照转矩计算公式分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组上的电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转矩电流的指令值和检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。 采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果

45、。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动检测、自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得

46、良好的效果。 2.5小结本章结合潞安王庄煤矿生产实际情况，阐述了提升机工作原理及对电气控制系统的要求；并给出该矿副斜井提升机传动系统图，使提升机的工作原理更加清晰。王庄煤矿副斜井提升机电控系统是古老的转子串电阻调速，存在很多的安全隐患，急需改进。改进后的电控系统采用什么控制方案更加合理，采用交流还是直流调速，到底哪种调速方法调速性能更好。针对这种种疑问，本章分别对提升机直流调速和交流调速的调速性能进行分析，并就目前存在的几种高精控制系统进行分析，并与目前技术已经成熟的提升机变频调速控制系统做比较，这些工作对确定提升机控制方案提供了很大帮助。设计中同时考虑到串电阻调速系统控制器件多、电路复杂的缺

47、点，所以将可编程控制器（PLC）应用于控制系统。最后确定提升系统的整体控制方案为:基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统。3 提升机调速控制系统硬件实现3.1引言经过分析比较，权衡各种控制方案的优劣，结合提升机调速系统属于恒转矩负载特性，最终选择PLC与变频器相结合的变频调速方案，其变频控制方式为：矢量变频调速控制。此方案能够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果；采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。变

48、频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。3.2矿井提升机电控系统总体结构3.2.1矿井提升机控制系统组成基于 PLC 的矿井提升机变频调速控制系统由动力系统、液压系统、监控系统、安全回路、控制核心和检测系统组成，系统框图如图3-1所示。1、动力系统动力系统由机械和电气两部分组成。机械部分包括减速器、滚筒、制动器和底座；电气部分包括断路器、进线电抗器、变频器、滤波器出线电抗器和拖动电机。动力系统完成人、物、料的运输任务。变频器是拖动电机能量供给单元，主电机通过减速器向滚筒提供牵引所需的动力。2、液压部分液压部分包括液压站和润滑站。液压站为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给滚筒施加机械制动力；

49、提升机起动时，待变频器对电机施加一定力矩后松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。3、控制核心控制核心是整个提升系统的核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。图3-1 矿井提升机控制系统框图4、监控系统监控系统是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，包括工控机、触摸屏和接入矿调度系统的工业以太网。触摸屏上显示提升容器在井筒中的位置。工控机通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控，为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据

50、。5、安全回路安全回路是保证整个系统正常运行的关键，包括硬件和软件两条安全回路，安全电路相互冗余与闭锁，一条断开时，另外一条也同时断开。硬件安全回路通过硬件回路实现，无论PLC单元是否正常工作，一旦出现重度故障信号，硬件安全回路马上断开；软件安全回路在PLC软件中搭建，与硬件安全回路同时动作。安全电路断开后，系统会立即解除运行控制指令，封锁变频器，制动油泵，断开安全阀和 KT 线圈，进行紧急制动。6、检测系统检测系统主要由电流、电压检测单元和旋转编码器构成，主要检测主电动机的电压、电流及转速，并将此信号传送给控制器。PLC通过采集这些反馈信号，实现对提升机的控制及保护。3.2.2 变频调速控制

51、系统工作原理变频调速控制系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频可以将工频三相交流电经过交直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电，经变频后输出U,V,W来驱动电机的运行。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控

52、制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的行走距离。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。3.3 提升机电控系统变频器硬件实现3.3.1 变频调速主系统设计图3-2 变频调速系统主回路电路图变频调速单元采用森兰SB70G系列SB70G200T4通用变频器，其变频调速系统主回路电路图如图32所示。SB70G系列变频器采用转子磁场定向的矢量控制方式实现了对电机大转矩、

53、高精度、宽范围调速，可靠性高，功能强大。1、提升电动机选择一般电动机的额定电流可以用如下公式计算，即：根据上述公式对一般三相交流异步电功机的额定电流计算得出：异步电动机的额定电流与电动机额定功率的关系为：如果U380V，电流大约为1kW是2A。因此在选择电动机的保护元件时可以用1kw2A来估算电动机的额定电流值，从而达到快速选择保护元件的目的。本变频调速系统所选电动机为：QABP系列变频调速三相异步电动机(ABB)。其技术数据如表31所示：表3-1 QABP系列8级电机（50HZ同步转速750r/min）型 号标称功率（KW）额定电流（A）额定转矩（Nm）额定转速（r/min）最大转矩/额定转

54、矩（TMAX/TN）转动惯量（Kg·m2）质量Kg355M8B16031820377423.010.011621图3-3 ABBQABP系列变频调速三相异步电动机2、变频器的选择在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器额定电流一定大于拖动系统在运行过程中的最大电流。另外矿用提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量的选定应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：式中 ：为变频器额定输出电流(A)； 为各运行状态平均电流(A)； 为各运行状态下的时间；为安全系数(一般取1.11.2)。考虑到矿用电机

55、性能上的差异及机械负载的波动，变频器额定电流选择为电动机额定电流的1.1倍，本系统中所需电动机的额定电流为318A，按1.1倍电流就选择349.8A以上变频器。提升机运转具有较大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，森兰SB70G系列通用变频器是专为类似负载而设计，该系列产品采用了最优的电机控制方法矢量控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。其对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应；开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度（误差0.1%0.5%），开环转矩阶跃上升时间小于5 ms，具有290% 瞬时转矩

56、控制能力，有PG矢量控制转速控制范围1:1000，并具有有效的磁通制动来提供最大的制动力矩。根据变频器所需容量，查变频器型号规格：选择森兰SB70G200T4通用型变频器。其标称参数如表32所示：表32森兰SB70G200T4通用型变频器的参数型 号电压等级额定容量额定输出电流适配电机毛 重SB70G200T4400V248KVA377A200kw200kg图3-4 SB70G200T4挂式单机机型外形图3.3.2 变频器外部电路设计变频器可以输出频率可调的交流电源，另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，外部电路连

57、接如图3-5所示。一、声光报警回路1、变频器报警输出的动断（常闭）触点“30B-30C”串联在KM1的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，发出报警；同时报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。2、声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“30B-30A”控制，当变频器跳闸时，触点“30B-30A”闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1为止，报警才能解除。另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容吸收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。图3-5 变频器外部电路连接二、制动控制回路提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0Hz时，常常停不住，而有“蠕动”现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。1、能耗制动电路的作用在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。提升机减速制动时，在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的