矿井提升机控制系统的现状与理论基础

1、矿井提升机控制系统徐志鸥二00六年一月 第一页，共七十四页。目 录 一、矿井提升机控制系统的现状 二、矿井大功率传动设备的发展与趋势 三、矿井提升机控制系统的理论基础 第二页，共七十四页。一、概述 矿井提升机作为矿山企业的关键机电设备，对矿山的高效、安全生产与经济的营运具有极其重要的作用，它不仅装机容量大，是矿山的主要耗电大户，而且它作为一个典型的位势力矩负载，要求其拖动电动机在其机械特性的四个象限内频繁周期性地进行启动、制动和反向运行。反映其运行状态的速度图和力图是根据设计的提升能力和安全规程确定的，对其在运行过程中的加速度、减速度以及各运行阶段的行程和最后的停车位置都有精确的要求和严格的限

2、制。因此，提升机始终是电力拖动与控制的典型应用装置和研究对象，正确处理好矿井提升机的拖动系统极矿井提升机控制系统的现状第三页，共七十四页。其自动化问题，对保证矿井的生产、安全和效益具有重要意义。 矿井提升机有交流拖动和直流拖动两种，早期的交流拖动采用“异步电机+转子串电阻加速+高压接触器换向+动力制动（或低频拖动）+继电器控制”方式；直流拖动在20世纪70年代以前一般采用“发电机-电动机机组+继电器控制”的方式，在80年代后普遍采用“可控硅整流+电动机+模拟调节+继电器控制”的方式。进入20世纪90年代，随着计算机控制技术和电力电子技术的飞速发展，在提升机拖动系统中，采用“电动机+可控硅整流+

3、全数字调节+PLC控制+上位机监控”控制方式，下面就具体说明这些控制方式。矿井提升机控制系统的现状第四页，共七十四页。 二、矿井提升机速度图和力图 提升机分为罐笼（副井）提升和箕斗（主井）提升两种，其速度图和力图有一定的差别，因为箕斗提升有曲轨行程，因此加速时需要有两段加速，第一段加速到出曲轨再进行第二段主加速，而罐笼提升没有这个问题。不论是单绳提升还是多绳提升，其速度图和力图都是一样的，速度图有三阶段或是多阶段，比较实用的是主井采取六阶段，副井采取五阶段，下面给出一个六阶段的速度图和力图具体说明。矿井提升机控制系统的现状第五页，共七十四页。矿井提升机控制系统的现状第六页，共七十四页。 图中：

4、1、V1为初加速终了的速度，亦是箕斗出曲轨的速度，Vmax最大速度，V2为爬行速度。2、t1为初加速时间，t2为主加速时间，t3为等速段时间，t4为减速段时间，t5为爬行段时间，t6为机械抱闸时间。3、力图实线是不带尾绳情况，虚线是带尾绳情况。 但这种速度图有一定的拐点，会对提升机机械系统造成冲击，因此速度图可做成平滑的“S”曲线，如下图所示：矿井提升机控制系统的现状第七页，共七十四页。矿井提升机控制系统的现状第八页，共七十四页。 三、交流拖动 1、金属电阻调速方式 这种方式也叫TKD方式，在我国的矿井提升占很大的比例，超过80%。它指的是在饶线异步电动机的转子回路接入金属电阻，用控制器或磁力

5、站逐步切除电阻的方法进行调速。下图给出一个TKD控制方式的 。换向靠高压真空开关改变进线高压相序，在减速段投入动力制动或是低频制动，下图给出一个TKD控制方式的示意图。这种控制方式的优点是结构简单，但缺点是显而易见的，主要表现在以下几个方面。（1）调速性能差，起动和减速运行特性出现阶梯式跳跃。 示意图矿井提升机控制系统的现状第九页，共七十四页。返回第十页，共七十四页。（2）能耗特别大，消耗在电阻上的电能特别客观。（3）速度不能平滑调节，因而对机械系统的冲击非常， 缩短设备寿命。（4）速度不易人为控制，存在着安全隐患。 虽然近来对这种方式做了改进，用PLC代替老式的继电器控制，用可控硅代替接触器

6、切换电阻，在故障率和维护方面得到了不少改善，但本质的控制方式没有发生改变，所以以上所阐述的缺点还是存在的。 2、异步串级调速方式 在矿井提升控制系统，还有少数一部分采取串级调速 矿井提升机控制系统的现状第十一页，共七十四页。方式，这种方式占的份额很少，它的原理是在电动机转子回路内引入一个附加电势，改变电势的大小即可改变转子的电流，从而改变电动机的转矩和转速。这种控制方式具有效率高，调速平滑，爬行段不需要附加其它设备和控制性能好等优点，但它功率因素低，最大力矩降低约17%，且线路较复杂，投资高，因此它的利用并不多，逐渐被淘汰。 四、直流拖动 1、 F-D机组拖动方式 这种拖动方式中的电动机的电压

7、由专用的直流发电机供给，发电机由同步电动机拖动。电动机的励磁线圈由固 矿井提升机控制系统的现状第十二页，共七十四页。定的直流电源供电，接成他励式。发电机的励磁电压可进行调节和控制，调节发电机励磁的大小，就可以改变供给直流电动机的电压，从而达到调速的目的。改变发电机磁场的极性就可以控制提升电动机的结构。下图即为它的结构 。 F-D拖动装置的优点是调速平滑和稳定，且调速范围较宽。但它的缺点是设备投资多，占地面积大，建筑和基础费用大，并且功耗较大，经济效益不好。 示意图矿井提升机控制系统的现状第十三页，共七十四页。返回矿井提升机控制系统的现状第十四页，共七十四页。 2、可控硅整流器-电动机拖动装置

8、这种拖动装置利用可控硅整流器的直流电压向提升电动机供电，电动机的电枢和磁场均可它来供电，因为直流电压可通过控制角均匀调节，电动机的转速便可以得到均匀改变而达到无级调速。电动机的换向可分为电枢换向和磁场换向两种方式，前者是用两组大容量的可控硅整流器对电枢进行供电，磁场用一组小容量的整流器供电；后者只用一组大容量的整流器对电枢供电，磁场用两组小容量的整流器。三相整流桥 如下图所示。 可控硅供电装置的优点是动作速度快，维护工作量小，比F-D机组运行效率高，体积小，重量轻和占地面积小。但它的缺点是对电网无功冲击大，高次谐波会影响电网电压 示意图矿井提升机控制系统的现状第十五页，共七十四页。返回矿井提升

9、机控制系统的现状第十六页，共七十四页。波形，在必要时要采用“顺序控制”，还可以采用谐波治理来改善功率因数。 可控硅整流方式在20实际90年代以前大多采用模拟调节，由于其分立元件多、参数分散性大，存在着可靠性低、维护困难，控制性能差等缺点。90年代以后，随着计算机控制技术的发展，数字调节得到了广泛的应用，它具有如下的优点：（1）硬件结构简单，故障点少，可靠性高。（2）可控精度高，工作稳定性好。（3）故障自诊断能力强，大大降低了使用维护成本。（4）具有较高的可构置性，扩展方便，运行灵活性高。 矿井提升机控制系统的现状第十七页，共七十四页。第十八页，共七十四页。（5）可与其他系统联网，实现现代化管理

10、。 基于数字调节的以上诸多优点，在我国矿井已逐渐代替模拟调节，成为主流产品。下图给出一个矿井提升机全数字直流调速的 示意图矿井大功率传动设备的现状返回第十九页，共七十四页。矿井大功率传动设备的发展趋势一、变频技术在矿井大型设备中的应用（一）、概述 随着电力电子技术的发展以及全控型半导体器件的诞生，变频技术已经越来越成熟，已经逐步应用在矿井大功率传动设备上，具体应用在以下几个方面：（1）矿井提升机电力拖动（2）矿井通风机的电力拖动（3）井下水泵的电力拖动（4）井下防爆绞车的电力拖动第二十页，共七十四页。（二）电力电子概述1、定义 电力电子技术（power electronics）：是应用于电力领

11、域的电子技术，指使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。 2、应用 电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。矿井大功率传动设备的发展趋势第二十一页，共七十四页。 3. 电力变换的类型： 常见的电力变换种类 矿井大功率传动设备的发展趋势第二十二页，共七十四页。4、电力电子的发展史 史前期（1957年以前）： 使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。这段时间，各种整流、逆变、周波变流的电路和理论已经成熟并广泛应用。 晶闸管时代（195870年代）： 全控型器件时代（70年代后期）： 复合器

12、件时代（80年代后期）：矿井大功率传动设备的发展趋势第二十三页，共七十四页。（三）、变频技术简介 变频分为两种，一种是交-交变频，另外一种是交-直-交变频。 1、交-交变频 交-交变频一般采用半控型半导体器件即普通晶闸管（可控硅），多适用于大功率和超大功率的场合。它的控制思想目前有两种，一种为矢量控制，一种为直接转矩控制。它的主结构图和输出波形图如下所示。交-交变频的缺点就是谐波较大，会对电网造成冲击。矿井大功率传动设备的发展趋势第二十四页，共七十四页。第二十五页，共七十四页。第二十六页，共七十四页。第二十七页，共七十四页。 2、交-直-交变频 交-直-交变频一般采用全控型的半导体器件，如GT

13、O、IGBT、IGCT等。相对与交-交变频来说，它具有结构简单，可靠性高，频率可调范围宽，功率因数高，高次谐波少等优点。以前由于受半导体器件功率的影响，容量一直做不大，随着大功率全控性器件的出现，这种方式有着非常好的前景。在主回路结构上，它可采用两电平或多电平的方式，下面给出一种三电平的结构示意图以及一个多电平的电压输出波形图： 矿井大功率传动设备的发展趋势第二十八页，共七十四页。第二十九页，共七十四页。第三十页，共七十四页。 矿井大功率传动设备的发展趋势二、自动化技术在大型传动设备中的应用 现代大容量矿井对矿井的安全和自动化程度越来越高，因此监控监测系统及全矿井的自动化联网就显得尤为重要。对

14、于大功率传动设备来说，由于其复杂性和重要性，监控监测系统要求非常全面，它主要有以下几个优点：1、能实时反映设备的运行情况，使操作者对整个运行状 况一目了然。2、能及时反映故障，加上专家分析系统，可以在第一时 间内排除故障，大大节约了维护费用，保证设备的不间 断运转。第三十一页，共七十四页。 矿井大功率传动设备的发展趋势3、整个矿井的自动化可以协助管理人员的管理，大大提 高了工作效率和经济效益。返回第三十二页，共七十四页。直流调速系统的理论基础一、主回路原理 在各种变流电路中，三相全控桥是最基本同时也是应用最广泛的一种主接线形式，围绕它的控制电路在整个研究领域中是开展的最广泛的。无论是在交流或是

15、直流传动系统中，三相全控桥都是最基本且应用最多的。双桥并联或串联可以实现十二脉动整流，反并联可构成直流电机电枢或磁场反接的可逆线路。 三相全控桥有六个桥臂，每个桥臂中至少有一只可控硅元件（可以根据需要在每个桥臂中串、并联多只元件）。可控硅元件作共阴极连接的三个桥臂组成共阴极换相组；可控硅元件作共阳极连接的三个桥臂组成共阳极换相组。在任何瞬间，必须保持共阴极和共阳极两组中各有一个桥臂的可控硅元件被触发导通，电路才能正常工作。 第三十三页，共七十四页。 在可控硅变流电路中，通过改变可控硅元件触发脉冲 的相位而改变直流输出电压平均值的调压方式叫做相位控制。 三相全控桥式变流电路可以获得在电源电压一个

16、周期 内具有六个脉动波形的直流输出电压。故脉波数p=6。每个桥臂的最大导通角为120,其导电顺序为：共阴极组 T1 T1T3 T3T5 T5T1.共阳极组 T6T2 T2T4 T4T6 T6.三相全控桥输出电压的瞬时，是同时导通两相间交流线电压的瞬时值，该瞬时值随导通期间的相位变化而变化。 直流调速系统的理论基础第三十四页，共七十四页。第三十五页，共七十四页。同步电压与脉冲的相位关系直流调速系统的理论基础第三十六页，共七十四页。直流调速系统的理论基础阻性负载时=30电压电流输出波形 第三十七页，共七十四页。直流调速系统的理论基础阻性负载时=60电压电流输出波形 第三十八页，共七十四页。直流调速

17、系统的理论基础阻感负载时=30电压电流输出波形 第三十九页，共七十四页。直流调速系统的理论基础阻感负载时=60电压电流输出波形 第四十页，共七十四页。直流调速系统的理论基础12脉动变流器电路图 第四十一页，共七十四页。第四十二页，共七十四页。直流调速系统的理论基础二、双闭环控制原理 1、调节器的基本结构和工作原理调节器是由直流运算放大器、输入、网络构成如下图所示， 调节器能对输入信号完成三中最基本的运算：比例、积分、微分，从而获得一定调节规律变化的输出信号。 调节器中最基本的类型是比例调节器(P)、积分调节器(I)、微分调节器(D)三种调节器和惯性环节(T)。 组合它们功能的有比例积分调节器(

18、PI)；比例微分调节器(PD)；比例积分微分调节器(PID)；比例积分惯性调节器(PIT)；比例微分惯性调节器(PDT)；比例积分微分惯性调节器(PIDT)等。 第四十三页，共七十四页。直流调速系统的理论基础调节器基本结构图 第四十四页，共七十四页。直流调速系统的理论基础2、比例积分调节器(PI) 工程实用原理线路之一如下所示。 式中K pi=R1/R0 称为比例放大系数；Ti=R0C1 称为积分时间常数，秒。 第四十五页，共七十四页。注意点： PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面

19、需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。 限副作用 饱和输出达到限幅值 当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环。 不饱和输出未达到限幅值 当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 直流调速系统的理论基础第四十六页，共七十四页。 (1) 直流调速系统双闭环控制稳态结构框图 为了分析双闭环调速系统的静特性，必须先绘出它的稳态结构图，如下图。只要注意用带限幅的输出特性表示PI 调节器就可以了。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器

20、的稳态特征。 （2）两个调节器的作用 双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调节作用。 当负载电流达到 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。 直流调速系统的理论基础第四十七页，共七十四页。双闭环直流调速系统的稳态结构框图转速反馈系数 电流反馈系数 Ks 1/CeU*nUcIdEnUd0Un+-ASR+U*i-IdR R ACR-UiUPE直流调速系统的理论基础第四十八页，共七十四页。上述关系表明，在稳态工作点上， 转速 n 是由给定电压U*n决定的 ASR的输出量U*i是由负载电流 Id

21、L 决定的 控制电压 Uc 的大小则同时取决于 n 和 Id，或者 说，同时取决于U*n 和 IdL。直流调速系统的理论基础第四十九页，共七十四页。 （3） 双闭环直流调速系统的起动过程 由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。 如下图所示：直流调速系统的理论基础第五十页，共七十四页。 图2-7 双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形 n OOttIdm IdL Id n* IIIIIIt4 t3 t2 t1 第五十一页，共七十四页。 第I阶段电流上升的阶段（0 t1） 突加给定电压 U *n 后，Id 上升，

22、当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。 直到，Id = Idm ， Ui = U *im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。直流调速系统的理论基础第五十二页，共七十四页。 第 II 阶段恒流升速阶段（t1 t2） 在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统

23、，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第 阶段转速调节阶段（ t2 以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。直流调速系统的理论基础第五十三页，共七十四页。 转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。 直到Id = IdL时，转矩Te= TL ，则dn/dt = 0，转速n才到达峰值（t = t3时）。 此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时

24、间内（ t3 t4 ）， Id IdL ，直到稳定。直流调速系统的理论基础第五十四页，共七十四页。矿井大功率传动设备的安全性设计一、提升机的安全性设计 提升机在矿井不但承担提煤，提矸的任务，还承担着上下人的重任，因此安全就显得至关重要。所以评价一套提升系统的特性好坏，不仅取决于调速性能的优劣，还要看其保护功能是否齐全，保护功能是否安全可靠。保护的原则就是宁可多保护，多动作，也不能带着隐患运行。对于一些重事故信号，如高压跳闸、快速开关跳闸、传动回路故障、提升容器过卷、超速等必须采取双线制安全回路，即PLC安全回路和继电器安全回路相结合，在PLC使用方面也要采用双CPU，虽然说现在的PLC的可靠性

25、特别高，但不能保证肯定不出问题。具体结合方式如下图所示： 第五十五页，共七十四页。矿井大功率传动设备的安全性设计第五十六页，共七十四页。 无论是PLC安全回路或是继电器安全回路，其输出一般都是靠继电器或是接触器，在设计时也必须采用双线，以防止某个继电器或是接触器触点失效而导致事故，山东和安徽发生的几次事故，后来经分析，都是因为上面所说的原因造成的。结合煤炭安全规程，再根据多年来的经验，我认为一个完整的提升机保护系统应具备以下保护功能。在这里我们把故障类型分为四种，及立即施闸类故障，井口施闸类故障，电气减速类故障和报警。具体如下： 立即施闸类故障（发生下列故障时，系统能立即进行安全制动停车）：

26、矿井大功率传动设备的安全性设计第五十七页，共七十四页。 提升容器过卷 高、低压电源断电故障 速度等速段过速15%及减速段过速10% 提升容器到达终端时的速度超过2m/s 主电机失磁 操作台紧停 提升信号紧停 传动回路故障 制动系统故障 摇台动作 错向操作 直流快开跳闸 编码器故障 测速机故障 电枢和磁场长时间过流 钢丝绳打滑（磨擦式） 矿井大功率传动设备的安全性设计第五十八页，共七十四页。 井口施闸类故障（发生下列故障时，允许一次提升循 环结束后再停车） 运行过程中风机故障 主电机轴瓦过热 定子、转子变流器发生局部故障 变压器温度偏高 井筒开关失效 矿井大功率传动设备的安全性设计第五十九页，共

27、七十四页。 电气制动类故障（发生下列故障时，提升机自动减速到1m/s，再施闸停车） 液压制动系统油温高 液压制动系统油位低 闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳 报警类故障（发生下列故障时，仅发声光报警信号） 提升系统各部分如主电机、轴承、变压器等温度稍 高 低压电源漏电 信号电源欠压 矿井大功率传动设备的安全性设计第六十页，共七十四页。 当然，以上所列举的故障种类可能还不全面，具体厂家可能还要根据具体情况做一些增加，但以上所说的都应该是保护系统应该具备的。 矿井大功率传动设备的安全性设计第六十一页，共七十四页。 二、通风机的安全性设计 通风机是一种持续运转的大型设备，同时又是耗能大户其安全、可靠、经

28、济运行对矿井生产具有重要的意义，在设计中应该保障它的不间断运转，应注意以下几点：1、供电系统方面（1）风机和风门的供电应全部采用双母联热备用，保证任 何一台风机停机情况下，另一台风机在10分钟以内 能正常启动。（2）高压柜需加综合保护装置，时刻监测风机电机和供电 系统的各项参数，防止风机运行过程中出现烧坏电机矿井大功率传动设备的安全性设计第六十二页，共七十四页。 故障。2、控制系统方面（1）采用采用数字技术和计算机技术作为主控单元，编 制可靠性逻辑程序，增强对抗干扰的抵制能力。（2）加装高精度的温度、震动等传感器，对主电机的运 行参数进行实时监测，为电机的安全运行提供保障。（3）当所以控制失效的情况下，仍可以利用高压柜上的 分合闸开关来实现风机正常启动和正常切换。3、监控系统方面矿井大功率传动设备