矿井提升机现状与发.docx

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1、矿井提升机现状与发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、限制困难、运行速度快、惯性质量大、运行特性困难的特点，且工作状况常常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些平安爱护措施，但是由于现场运用环境条件恶劣，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探讨的局限性，使得现有爱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退。一旦提升机的行程失去限制，没有根据给定速度曲线运行，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

2、的经济损失。提升机电气限制系统在很大程度上确定了提升机能否实现平稳、平安、牢靠地起制动运行，避开了严峻的机械磨损，防止较大的机械冲击，削减机械部分修理的工作量，延长提升机械的运用寿命。所以，提升机电气限制系统的探讨始终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实力等的要求，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，有精确的制动和定位功能，牢靠性要求高等。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

3、断提高，人们对提升机工作特性的相识进一步深化，提升设备及拖动限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。特殊是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机限制中的应用已成为必定的发展方向。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沟通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以上采纳直流提升机，传动系统大都采纳低速直联式(省去减速机)，使系统大为简化。如AEG公司采纳低速直联的SCID系统，电机功率3000kW，额定转速558r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17

4、m/s，提物速度20m/s，提上升度1200m，具有完善的爱护系统；采纳磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置：采纳积分给定与行程给定相结合的双重给定信号；主回路采纳两组三相桥组成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，安装便利，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；易于实现最佳限制和自动化，平安牢靠；节电显著，58年可回收设备投资，是矿井节电的有效途

5、径。其缺点在于：功率因数低，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。这些缺点可采纳依次限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肯定的允许范围内。2、沟通变频调速同步机驱动提升系统SCRD直流拖动系统趋于成熟，且采纳了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功率因数仍旧较低，从而从电网汲取大量的无功功率，且对电网品质因数产生严峻的影响，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沟

6、通拖动方式。自80年头初以来，沟通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2³4200kW、1³2650kw，额定转速55.8r/min； CEGELEC公司1983年投运的l³5480kw，额定转速69.5r/min；AEG公司1985年投运的l³3000kW，额定转速558r/min，ABB公司投运的l³4200kW额定转速4586r/min；SIEMAG公司投运的2³4600kw等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得胜利。这种拖动系统主要有如

7、下优点：提升容量几乎不受限制，最大达10000kw，提升速度可达20m/s以上，提上升度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，保证了电机的牢靠运行和降低了运行消耗；功率因数高，可达0.9l，极大地节约了电能：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定发展方向。这种拖动系统的缺点是：必需有专用的变频电源；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

8、上加滤波器等补偿措施加以缓解。3、微机限制在提升机上的应用 从70年头起先，随着微机技术的发展，微机限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，使整个拖动限制产生一次重大的变革。其应用主要体现在以下几方面：(1) 提升工艺过程微机限制 在沟通变频装置中，提升工艺过程大都采纳微机限制。由于微机功能强，运用敏捷，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采纳模拟限制无法实现的。如AEG公司采纳CP一80微机、ABB公司采纳MASTER200和SIEMENS公司采纳S5一150等微机实现的变频限制，都获得了相当胜利。它们把限制、监视、基准值预料以及模拟限制等组合在公共的

9、微机限制总线上组成静止变流器的传动限制，计算机实现速度及多个变量的调整。(2) 提升行程限制 提升机的限制从本质上说是一个位置限制，要保证提升罐笼在预定地点精确停车，要求精确度高，目前可达±2cm。采纳微机限制，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，计算出罐笼精确的位置而施以限制和爱护。在罐笼提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升实力。如AEG、ABB、SIEMENS等公司已采纳32位微机来构成行程给定器，并还供应性能不尽相同的机械行程限制器。一般过程限制用微机不同时用于监视，行程限制也采纳单独微机完成，从而大大提高了系统的

10、牢靠性。(3) 提升过程监视 由于近代提升机限制系统的设计特殊强调平安牢靠性，所以提升过程监视与平安回路一样，是现代提升机限制的重要环节。提升过程采纳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) 平安回路 平安回路旨在出现机械、电气故障时限制提升机进入平安爱护状态。为确保人员和设备的平安，对不同故障一般采纳不同的处理方法，大致分为以下四种状况：报警显示，如冷

11、却器温度过高等；二次不能开车，如电机绕组过热、制动油过热等；3 马上进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快停下来；马上进行平安制动，如过卷、超速等。平安回路极为重要，它是爱护的最终环节之一，英，德等公司都采纳两台PC微机构成平安回路，使平安回路具有完善的故障监视功能无论是提升机还是平安回路本身出现故障时都能精确地实施平安制动。(5) 制动系统的限制与监视 制动(可调闸)限制系统除要牢靠地完成工作制动和平安制动外，还要完成对液压站的限制以及各环节参数(如油压、闸瓦磨损等)的监视，其技术要求与平安回路相像。如西门子公司采纳两套可编程限制器(PLC)的双重限制与爱护系统。(6) 全数字

12、化调速限制系统 德国AEG公司的Logidyn D(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便利，可便利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学问。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，主要采纳晶闸管变流器直流电动机传动限制系统和同步电动机矢量

13、限制交一交变频传动限制系统。这两种系统大都采纳数字限制方式实现限制系统的高自动化运行，效率高，有精确的制动和定位功能，运行牢靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采纳沟通绕线式电动机转子切换电阻调速的沟通电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简洁，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度限制性能较差，特殊在负载变动时很难实现恒加减速限制，常常会造成过放或过卷事故。提升机常见的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严峻的能耗，另外转子串电阻调速限制电路困难，接触器、电阻器、绕线电机电刷等简单损坏，影响生产效益。2研制与发展 (1) 国产大型直流提升

14、机及电控系统正在逐步完善和推广运用。(2) 在国内高压变频器应用领域，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。前段时间智光电气胜利研制7000KVA级超大功率高压变频器，将会变更将来市场竞争格局。(3) 可编程限制器（PLC）在提升机电控系统的应用 可编程限制器（PLC）具有牢靠性高、抗干扰实力强、实现继电逻辑简单，基本免于维护等独特优点，特殊适用于对我国占大部分的沟通提升机继电一接触器电控系统进行技术改造。目前，已用可编程限制器（PLC）对TKD电控

15、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大多数采纳继电限制的沟通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探讨内容 1.3.1 选题依据 传统限制系统使提升机运行的牢靠性和平安性不能得到有效的保障。因此，须要研制更加平安牢靠的限制系统。在提升机限制系统中应用计算机限制技术和变频调速技术，对原有提升机限制系统进行升级换代。可编程限制器（PLC）是目前工业限制最志向的机型。而在 PLC 电控系统的基础上协作变频调速装置，运用先进的矢量限制技术，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。变频装置取代困难的串联电阻切换装置，对

16、提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完成，简化了限制操作流程，提高了限制精度。经过调研和论证，开发研制基于 PLC 限制的矿井提升机变频调速限制系统对提高矿井提升机的平安性、牢靠性、以及运输效率具有重要的现实意义。1.3.2 本论文担当的任务 本课题拟解决的关键问题是限制策略探讨，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，否则在系统中简单产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。限制策略探讨就是要通过电液控实时地、精确地使提升机按给定的速度图运行，使限制系统的精度和稳定性满意提升机运行的要求。本论文探讨目标是以潞安王庄煤

17、矿副斜井提升机电气改造为背景，将可编程限制器（PLC）与变频器相结合对现有的提升机电控系统进行改造设计。设计中充分考虑到爱护系统恶劣的运用环境，采纳限制功能强大的 PLC 来代替传统的大型沟通接触器，简化了限制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采纳电抗器、空气开关、及 RC 防浪涌震荡电路等。本论文担当的主要任务如下：1提升机电控系统主电路部分设计； 2限制系统软件部分设计； 3行程限制算法分析和 S 形速度给定曲线的算法分析；4爱护及抗干扰措施； 1.4 小结 本章具体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担当主要任务和探讨的主要内容为：提

18、升机电控系统主电路设计部分设计、限制系统软件部分设计、行程限制算法分析和 S 形速度给定曲线的算法分析、爱护及抗干扰措施。在完成以上设计内容时，此调速限制系统才能成为一个有机的整体，才能平安牢靠的工作，并达到预期的限制效果。2 矿井提升机调速限制系统分析 2.1 引言 潞安王庄煤矿副斜井担负着全矿物料以及特别时期的人员提升的重要任务，电控系统采纳沟通绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器沟通接触器限制。这种限制系统由于调速过程中沟通接触器动作频繁，设备运行的时间较长，沟通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限制性能较差，常常会造成停车位置不精确；提升机常见

19、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；这种沟通绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，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；中高速运行振动大，平安性较差。鉴于此有必要对提升机的限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限制系统的要求 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限制进行制动，通过位置指示系统实现容器的深度指示，通过各种传感器、测速发电机限制元件，组成平安爱护系统。矿井提

20、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打算平安停车阶段。2.2.2 矿井提升机对电气限制系统的要求 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)速度符合国家有关平安生产规程的规定。2)具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速便利，调速范围大，能满意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

21、机不同于其他机械，不行能待系统运转后再装加物料，因此，必需能重载启动，有较高的过载实力。4)特性曲线要硬。要保证负载改变时，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)工作方式转换简单。要能够便利的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作便利，限制敏捷，不至于因工作方式的转换影响正常生产。6)采纳新技术和节能设备，易于实现自动化限制和提高整个系统的工作效率。具备必要的连锁和平安爱护环节，确保系统平安运行。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 年投入运用，型号 2BM2500/12002，生产厂家系洛阳矿山机械厂；

22、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 提升机调速限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沟通调速两种调速限制方式。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：eU IRnK-=F 式中：n 转速（r/min）； U 电抠电压（V）：I 电抠电流（A）； R 电抠回路总电阻（ W ）； F 励磁磁通（Wb）； eK 由电机结构确定的电动势常数。由上式可以看出，有三种调整电动机

23、转速的方法： 1）调整电抠供电电压 U ； 2）减弱励磁磁通 F ； 3）变更电抠回路电阻 R。对于要求在肯定范围内无级平滑调速的系统来说，以调整电抠供电电压的方式为最好。变更电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只能协作调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动限制的直流调速系统往往以变压调速为主。依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

24、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（沟通异步电动机或同步电动机）拖动，GF 和MF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，变更发电机励磁回路的磁通GF 即可变更发电机的输出电压GU 也就变更了直流电动机的电枢电压dU ，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、维护不便利。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，

25、又称静止的 WandLeonand 系统。这类系统通过变更给定电压cU 来变更晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，从而可变更晶闸管整流器的输出电压dU 的平均值，进而达到变更直流电动机转速的目的。与 G-M 系统相比，此系统在经济性、牢靠性及技术性能上也有较大的优势。其设备简洁，调速更快。但此系统只允许电机在 I、IV 象限运行，不能满意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），它是通过变更脉冲宽度的限制方式对直流

26、电源进行调制，从而变更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整系统。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，动态抗干扰实力强；c、电机损耗及发热小。2.3.2 提升机沟通调速性能分析 依据被控对象一沟通电动机的种类不同，沟通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 60s pn f n = ，(sf 为定子供电频率，pn 为电动机极对数)可知，同步电动机唯一依靠变频调

27、速。依据频率限制方式的不同，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纳频率闭环方式的同步电动机调速系统叫做自控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限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

28、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mp 。可分为两部分：一部分(1 )d mp s p = - 是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率s mp sp = ，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凹凸。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。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洁且易实现自动限制，所以对于要求不高的小容量（100KW以下）场合

29、还有肯定的用途。 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。明显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行避开的，但在这类系统中，无论转速凹凸，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。变频调速是变更电动机定子电源的频率，从而变更其同步转速的调速方法。目前在沟通调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的沟通调速系统。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

30、励磁是分开的，能够精确限制；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。假如要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本，以及调速系统的困难性。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纳直流调速方案；在实际应用中，电刷磨损严峻，且在负载工作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易造成电枢两极短路，危及整个系统的平安。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，采纳无换向器的沟通电动机组成的沟通调速

31、系统代替直流调速系统可以突破这些限制，满意生产发展对调速传动的各种不同的要求。沟通电动机是多变量、非线性、强耦合的被控对象，采纳参数重构和状态重构的现代限制理论概念可以实现沟通电动机定子电流的励磁重量和转矩重量之间的解耦，实现了将沟通电动机的限制过程等效为直流电动机的限制过程，使沟通调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使沟通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纳了矢量限制型的变频调速装置。实践证明，采纳矢量限制的沟通调速系统的优越性高于直流调速系统。2.4 提升机调速限制方案分析 提升机在选用调速限制系统时要按负载的特性要求，并结合矿井的生产规模，

32、以达到经济、好用为目的。常用的限制方案主要有：转子回路串电阻调速、模糊限制、干脆转矩等。2.4.1 绕线型异步电动机转子回路串电阻调速系统 传统矿井提升机沟通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，并能在肯定范围内进行调速。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 这种调速方法的电动机转速调整是通过变更转子回路串联的附加电阻来实现的。明显这是有级调速，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

33、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，沟通接触器 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。假如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，通常采纳动力制动方案，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，加速度难以精确限制，调速精度差； 2）触点限制，大量运用大容量开关，系统维护工作量大，牢靠性差； 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

34、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，但限制方式简洁、初期设备投资小、维护简单、操作便利，目前在我国中小型矿井这种方案运用得相当普遍，以后将面临着技术改造的问题。2.4.2 模糊限制调速系统 1、模糊限制的基本思想 模糊限制（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限制策略总结成一系列以IF（条件）THEN（作用）表达式形式表示的限制规则，通过模糊推理处理得到限制作用集，作用于被控对象或过程限制，作用集为一组条件语句，状态条件和限制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如正大、负大、高、低、

35、正常等。一般的模糊算法包括以下五个步骤： 定义模糊子集，建立模糊限制规则； 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，求出限制输出模糊子集； 进行逆模糊运算、模糊判决，得到精确限制量； 在模糊限制系统中，模糊限制器是整个限制系统的核心。模糊限制器主要由模糊化接口、学问库、模糊推理、清楚化(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再生成误差改变率模糊化接口主要完成论域变换和模糊化两项功能。学问库中存贮着有关模糊限制器的一切学问，它们确定着模糊限制器的性能，是模糊限制器的核心。模糊限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实力。由模糊

36、推理结果产生模糊限制器的输出，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、提升机模糊限制系统原理图 在对电机的转速限制中，采纳二维的输入变量即运用误差和误差的改变率。实现模糊限制的原理框图如图23所示：PLC 通过采样获得被控量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号 e、误差改变率 de/dt，把误差信号和误差改变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限制量 U，进行解模糊处理得到限制信号 u，送入变频器从而对被控对象实施限制。3、模糊限制的特点 模糊限制与常规限制相比，具有以下优点: 它是一种非线性的限制方法，工作范围宽，适用范围广，特殊适合于非线

37、性系统的限制。 模糊限制完全是在操作人员限制阅历基础上实现对系统的限制，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。 模糊限制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的改变对模糊限制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的限制。 模糊限制的机理符合人们对过程限制作用的直观描述和思维逻辑，由工业过程的定性过程动身，较易建立语言变量限制规则。 由离线计算得到限制查询表，提高了限制系统的好用性。 由不同的观点动身，可以设计几个不同的指标函数，但对一个给定的系统而言，其语言限制规则分别独立，通过整个限制系统协调，可以取得总体的协调限制。模糊限制的主要缺陷是: 信息简洁的模糊处理导致系统的限制

38、精度降低和动态品质变差，若要提高精度则必定增加量化级数，从而导致规则搜寻范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时限制。 模糊限制的设计尚缺乏系统性，无法定义限制目标，限制规则的选择、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纳试凑法，这对困难系统的限制是难以奏效的。为了使模糊限制器的参数或者规则在限制过程中能够自动地调整、修改和完善，模糊限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 干脆转矩限制系统 干脆转矩限制系统简称 DTC(Direct Torque Control)是在 20 世纪 80 年头中期继矢量限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

39、。1977年美国学者A.B.Plunkett在 IEEE 杂志上首先提出了干脆转矩限制理论，1985 年由德国鲁尔高校 Depenbrock 教授和日本 Tankahashi 分别取得了干脆转矩限制在应用上的胜利，接着在 1987 年又把干脆转矩限制推广到弱磁调速范围。不同于矢量限制，干脆转矩限制具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、限制结构简洁等优点，它在很大程度上解决了矢量限制中结构困难、计算量大、对参数改变敏感等问题传统的干脆转矩限制技术的主要问题是低速时转矩脉动大。为了降低或消退低速时的转矩脉动，提高转速、转矩限制精度，扩大干脆转矩限制系统的调速范围，近些年来提出了很多新型的干脆转矩限制系

40、统。虽然这些新型干脆转矩限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限制的水平。最近出现了一种间接转矩限制技术，受到了许多学者的关注。间接转矩限制技术具有优良的低速性能，另外由于其独特的限制思想可以降低逆变器的开关频率，从而特殊适用于大容量调速场合。干脆转矩限制的目标是: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限制，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纳闭环限制，Ψs*、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

41、号运用。依据误差信号，转矩调整器输出转矩增、减限制信号 CT; 磁链调整器输出磁链增、减限制信号 CΨ。开关表依据 CΨ、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，输出限制字 SA,B,C 给逆变器。从图 24 中可以看出，和矢量限制相比干脆转矩限制具有结构简洁，转矩响应速度快、对参数改变鲁棒性强的优点。干脆转矩限制的主要缺点是在低速时转矩脉动大，其主要缘由是:(1) 由于转矩和磁链调整器采纳滞环比较器，不行避开地造成了转矩脉动;(2) 在电动机运行一段时间之后,电机的温度上升,定子电阻的阻值发生改变,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;

42、(3) 逆变器开关频率的凹凸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 矢量限制变频调速系统 上世纪70年头西门子工程师F.Blaschke首先提出异步电机矢量限制理论来解决沟通电机转矩限制问题通过测量和限制异步电动机定子电流矢量，依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限制，从而达到限制异步电动机转矩的目的。以后在实践中很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。详细步骤是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流重量 (励磁电流) 和产生转矩的电流重量 (转矩电

43、流) 分别加以限制，并同时限制两重量间的幅值和相位，即限制定子电流矢量，所以称这种限制方式称为矢量限制方式。简洁地说，矢量限制就是将磁链与转矩解耦，有利于分别设计两者的调整器，以实现对沟通电机的高性能调速。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来限制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。 图 2-5 矢量限制过程框图 矢量限制方式又有基于转差频率限制的矢量限制方式、无速度传感器矢量限制方式和有速度传感器的矢量限制方式等。基于转差频率限制的矢量限制方式同样是在进行 U / f 恒定限制的基础上，通过检测异步电动机的实际速度 n，并得到对应的限制频率 f，然后依据希望得到的转矩，分别限制

44、定子电流矢量及两个重量间的相位，对通用变频器的输出频率 f 进行限制的。基于转差频率限制的矢量限制方式的最大特点是，可以消退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。早期的矢量限制通用变频器基本上都是采纳的基于转差频率限制的矢量限制方式。无速度传感器的矢量限制方式是基于磁场定向限制理论发展而来的。实现精确的磁场定向矢量限制须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，但人们发觉，即使不在异步电动机中干脆安装磁通检测装置，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无速度传感器的矢量限制方式。它的基本限制思想是依据输入的电动机的铭

45、牌参数，根据转矩计算公式分别对作为基本限制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过限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样，并输出转矩，从而实现矢量限制。采纳矢量限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，而且可以限制异步电动机产生的转矩。由于矢量限制方式所依据的是精确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在运用时须要精确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器须要运用速度传感器和编码器，并需运用厂商指定的变频器专用电动机进行限制，否则难以达到志向的限制效果。目前新型矢量限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

46、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，并依据辨识结果调整限制算法中的有关参数，从而对一般的异步电动机进行有效的矢量限制。除了上述的无传感器矢量限制和转矩矢量限制等，可提高异步电动机转矩限制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机限制常数的调整及与机械系统匹配的适应性限制等，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志向的平滑转速，应用大规模集成电路并采纳专用数字式自动电压调整（AVR）限制技术的限制方式，已好用化并取得良好的效果。2.5 小结 本章结合潞安王庄煤矿生产实际状况，阐述了提

47、升机工作原理及对电气限制系统的要求；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楚。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，存在许多的平安隐患，急需改进。改进后的电控系统采纳什么限制方案更加合理，采纳沟通还是直流调速，究竟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沟通调速的调速性能进行分析，并就目前存在的几种高精限制系统进行分析，并与目前技术已经成熟的提升机变频调速限制系统做比较，这些工作对确定提升机限制方案供应了很大帮助。设计中同时考虑到串电阻调速系统限制器件多、电路困难的缺点，所以将可编程限制器（PLC）应用于限制系统。最终确定提升系统的

48、整体限制方案为:基于 PLC 限制的大功率矿井提升机变频调速限制系统。3 提升机调速限制系统硬件实现 3.1 引言经过分析比较，权衡各种限制方案的优劣，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，其变频限制方式为：矢量变频调速限制。此方案能够很好解决传统沟通绕线式电机串电阻调速系统的缺点，变频调速是通过变更定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速凹凸，其机械特性基本上与自然机械特性平行，能够满意提升机特别工作环境的要求且有着明显的节电效果；采纳 PLC 对提升系统进行爱护和监控，使系统更加平安牢靠。变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 矿井提升机限制系统组成 基于 PLC 的矿井提升机变频调速限制系统由动力系统、液压系统、监控系统、平安回路、限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