礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展的研究

李培++呂鯤

[摘 要]礦井提升機(jī)是礦井生產(chǎn)的重要機(jī)電設(shè)備，其性能的好壞關(guān)系著礦工的生命安全和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文總結(jié)國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)的發(fā)展歷程，各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及當(dāng)前存在的主要的問(wèn)題，為將來(lái)的研究工作拋準(zhǔn)引玉。

[關(guān)鍵詞]礦井提升機(jī)；控制系統(tǒng)；發(fā)展

中圖分類號(hào)：TD534 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）19-0145-01

1 前言

礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)作為煤礦的主要生產(chǎn)設(shè)備，關(guān)系到煤礦高效和安全生產(chǎn)，主要要求如下：平滑的調(diào)速性能、高精度、實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、很好的檢測(cè)速度和行程、具備良好的故障監(jiān)測(cè)功能、具備可靠的制動(dòng)控制系統(tǒng)等。根據(jù)提升機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求，其電氣傳動(dòng)方式通常有直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)兩種[1，2]。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外提升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀的主要幾個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 直流傳動(dòng)

直流電機(jī)具有良好的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能，可以在大范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，非常適用于經(jīng)常切換正反轉(zhuǎn)和調(diào)速指標(biāo)要求高的提升機(jī)。直流他勵(lì)電機(jī)在提升機(jī)中應(yīng)用廣泛，其控制系統(tǒng)選用F-D系統(tǒng)，由同步電機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，對(duì)電機(jī)直接供電。通過(guò)改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁改變，從而改變發(fā)電機(jī)電勢(shì)和直流電機(jī)電樞電壓，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，達(dá)到提升機(jī)調(diào)速的目的。如瑞典、德國(guó)等國(guó)多數(shù)采用此傳動(dòng)方式，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

2.2 交流傳動(dòng)

由于交流電動(dòng)機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、運(yùn)行可靠等特點(diǎn)，更適用于惡劣的環(huán)境中。伴隨著電力電子器件、電子技術(shù)、自動(dòng)控制理論及先進(jìn)的交流調(diào)速理論的發(fā)展，交流傳動(dòng)取得的控制特性能夠和直流調(diào)速相媲美。二十世紀(jì)七十年代德國(guó)SIEMENS公司矢量控制變頻技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著交流調(diào)速取代直流調(diào)速的技術(shù)時(shí)代正在到來(lái)。隨著計(jì)算機(jī)和PLC技術(shù)的發(fā)展，外國(guó)工程技術(shù)人員將計(jì)算機(jī)和PLC技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)中，使得提升機(jī)自動(dòng)化水平達(dá)到了一個(gè)新高度，安全回路和制動(dòng)系統(tǒng)更加完善，并提供了現(xiàn)代化的管理和監(jiān)控模式。

（1）變頻器的結(jié)構(gòu)

變頻器按變換環(huán)節(jié)分交-交變頻器和交-直-交變頻器。其中，交-交變頻器是把頻率固定的交流電通過(guò)斬波或相控的方式直接變換成頻率和幅值連續(xù)可調(diào)的交流電，也叫直接變頻器。

交-交變頻器采用晶閘管自然換流方式，輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3～1/2，具有良好的調(diào)速性能、效率高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于容量較大的低速礦井提升系統(tǒng)中。但交-交變頻器存在功率因數(shù)低、諧波大、輸出頻率變化范圍小、對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。

與交-交變頻器相比，交-直-交變頻器先把交流電整流為直流電，然后將直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電，也叫間接變頻器。由于在逆變的環(huán)節(jié)較易控制，所以交-直-交變頻器的頻率調(diào)節(jié)范圍大，同時(shí)在改善變頻后電機(jī)特性方面具備明顯的優(yōu)勢(shì)。交-直-交變頻器具有效率高、諧波小、電流波形近似為正弦波等優(yōu)點(diǎn)，本文將選用交-直-交變頻器結(jié)構(gòu)。

交-直-交變頻器一般分為不可控整流單元型變頻器和雙PWM變頻器。不可控整流單元型變頻器的硬件結(jié)構(gòu)一般采用電壓源型的交-直-交結(jié)構(gòu)，整流單元采用整流二極管實(shí)現(xiàn)，目前通用變頻器均采用此結(jié)構(gòu)。通過(guò)電容的濾波穩(wěn)壓后經(jīng)過(guò)SPWM逆變電路，輸出電壓和頻率均可調(diào)的交流電。

這類變頻器在礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在工作頻率下降過(guò)程中，即處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，由于變頻器整流側(cè)二極管具有單向?qū)щ娦?，提升機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械能不能回饋到電網(wǎng)，要回饋到直流電路中，從而導(dǎo)致直流母線電壓Ud驟升，即泵升電壓，甚至達(dá)到危險(xiǎn)的地步，損壞變頻器中整流與逆變開(kāi)關(guān)器件以及直流濾波電容，從而導(dǎo)致變頻器無(wú)法正常工作。為了解決上述問(wèn)題，必須及時(shí)消耗掉再生到直流電路中的能量，使Ud保持在安全范圍內(nèi)，中小型變頻器一般采用制動(dòng)電阻單元，在電機(jī)制動(dòng)時(shí)，將反饋回的巨大能量消耗于制動(dòng)電阻Rb中。此結(jié)構(gòu)變頻器應(yīng)用于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中時(shí)，主要缺點(diǎn)如下：①污染電網(wǎng)；②功率因數(shù)低；③動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢；④體積增大。

為了滿足變頻器實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的要求，將制動(dòng)的電能有效回饋電網(wǎng)，利用能量回饋單元實(shí)現(xiàn)變頻器的四象限運(yùn)行時(shí)，能量回饋過(guò)程主要由整流、回饋逆變和輸出濾波3部分組成。回饋逆變部分是整個(gè)回饋過(guò)程的核心部分，輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位一致。由于回饋逆變單元輸出的是調(diào)制波，需增加輸出濾波部分，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，諧波對(duì)電網(wǎng)污染較嚴(yán)重，且功率因數(shù)較低，對(duì)變頻器運(yùn)行缺少優(yōu)化和保護(hù)功能等問(wèn)題，制約了該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

綜上所述，在提升機(jī)控制系統(tǒng)中采用通用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速時(shí)，共同存在功率因數(shù)低、諧波污染嚴(yán)重、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題難以解決。隨著雙PWM變頻器的出現(xiàn)可以很好地解決以上問(wèn)題。

（2）控制器的發(fā)展

自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制器主要有DSP、工控機(jī)和PLC等，其中DSP具有強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能，廣泛應(yīng)用于數(shù)字電源、數(shù)字電機(jī)及通信控制中；工控機(jī)廣泛應(yīng)用于交流變頻裝置中的提升工藝過(guò)程控制，利用控制總線將控制、監(jiān)視、基準(zhǔn)值預(yù)測(cè)以及模擬控制等組合在一起，組成靜止變流器的傳動(dòng)控制，利用計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)速度及其它變量。PLC是在繼電器控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)自動(dòng)控制裝置，使控制系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定，功能特別強(qiáng)大。

⑶變頻調(diào)速控制方式

變頻調(diào)速中的主要部件是變頻器，目前變頻器經(jīng)常使用的控制方式有：V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

①V/f控制：當(dāng)變頻器的輸出頻率改變時(shí)電壓也改變，V/f為常數(shù)，實(shí)現(xiàn)較寬范圍的調(diào)速，保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及功率因數(shù)不降低。這種控制方式具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但V/f控制是一種開(kāi)環(huán)控制方式，具有動(dòng)態(tài)特性較差、調(diào)整控制參數(shù)麻煩、當(dāng)?shù)退龠\(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢等缺點(diǎn)，多用于變頻調(diào)速性能要求不高的場(chǎng)合。

②轉(zhuǎn)差頻率控制：通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)，組成轉(zhuǎn)速閉環(huán)，速度調(diào)節(jié)器輸出轉(zhuǎn)差頻率，然后以電

動(dòng)機(jī)速度對(duì)應(yīng)的頻率與轉(zhuǎn)差之和作為變頻器的給定輸出頻率。這種控制方式具有調(diào)速精度高、范圍大、系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但其快速性差，不能適應(yīng)礦井提升機(jī)系統(tǒng)對(duì)快速性的要求。

③矢量控制：控制策略的基本點(diǎn)是分解定子電流，使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)兩個(gè)分量，也就是把交流電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，獲得和直流電機(jī)相媲美的控制特性。

3 存在主要問(wèn)題

（1）由于提升載荷的頻繁變化，一般情況下調(diào)速方式不能自動(dòng)適應(yīng)系統(tǒng)變化的要求；

（2）使用傳統(tǒng)變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，不利于提升機(jī)快速實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行的切換，且造成對(duì)電網(wǎng)諧波污染；

（3）傳統(tǒng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)能量利用效率和系統(tǒng)的可靠性較低；

（4）提升機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部傳輸信號(hào)質(zhì)量差，故障率高，難以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行；

（5）在提升機(jī)作為能量回饋過(guò)程中，產(chǎn)生大量的低次諧波，影響逆變的正常工作，對(duì)電網(wǎng)造成污染。

4 小結(jié)

本文介紹了國(guó)內(nèi)外提升機(jī)發(fā)展和研究現(xiàn)狀，主要分為直流和交流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行介紹，重點(diǎn)論述認(rèn)交流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，闡述了控制器的發(fā)展和變頻調(diào)速的四種控制方式，最后分析了當(dāng)今國(guó)內(nèi)礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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[2]王崇林，李長(zhǎng)錄，譚國(guó)俊.煤礦供電與電氣控制.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.07.