（检测技术与自动化装置专业论文）基于蚁群算法的dtc系统在矿用提升机上的应用研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于蚁群算法的d t c 系统在矿用提升机上的应用研究 检测技术与自动化装置 刘超 马宪民 摘要 ( 签名) ( 签名) 矿井常被人们称为矿山的咽喉通道，矿用提升机被广泛用于煤炭、冶金及其他矿 山行业的矿井生产，是矿井运输的关键设备之一，它担负着矿山从井下到井上的所有 运输任务，包括提升矿物、运送材料及井下设备、人员等繁重工作，所以矿用提升机 的技术水平、可靠性不仅关系到矿井的生产能力和生产计划管理，而且直接关系到井 下每个矿工的生命安全，而矿用提升机调速性能是整机性能好坏的重要指标。几十年 来，各生产厂家只是在其机械结构及部件的改进提高上作了工作，并推出了许多更新 换代产品，而在直接影响其性能的调速方面，尤其是在使用交流调速装置方面重视程 度不够，总认为它是配套产品，地位不重要，因此矿用提升机电控技术一直处于较落 后状态，几乎没有发展，导致高能耗和效率低的电动机转子串电阻调速装置一直占据 主导地位，大大制约了其整机水平的提高。为此，分析矿用提升机交流电气传动装置 的现状与发展前景，推出同国外先进技术水平相接轨的产品，提高其总体技术水平， 是一项迫切的工作。 针对矿用提升机故障率高、安全系数低以及对生产已造成严重影响的现象，对矿 用提升机采用先进的控制技术进行改造已经是势在必行。为了使矿用提升机控制系统 具有先进的控制性能和高可靠性，本文采用了直接转矩的控制方法。直接转矩控制作 为一种新型的交流控制系统，以其新颖的控制思想、简洁明了的结构、优良的动静态 性能引起了大量国内外研究学者的注意，但直接转矩控制系统自身的不完善限制了其 在矿用提升机上的应用。 本文将蚁群算法引入到直接转矩控制系统中，对其进行了完善，使其能够更好地 应用到矿用提升机的控制系统上，具有一定的研究价值。 关键词：蚁群算法；矿用提升机；直接转矩控制；p i d 参数优化；d s p 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho ft h em i n e r a lh o i s td t cs y s t e m b a s e do na c a s p e c i a l i t y ：d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t n a m e：l i uc h a o i n s t r u c t o r ：m ax i a n m i n a b s t r a c t ( s i g n a t ur e ) ( s i g n a t ur e ) t h em i n ep i ti so f t e nc a l l e df o rt h et h r o a to ft h em i n eb yt h em i n e r s t h em i n e r a lh o i s ti s w i d e l yu s e di nt h ep r o d u c t i o no ft h ec o a l ，t h em e t a l l u r g ya n do t h e rm i n e r a l i ti so n eo f t h e e s s e n t i a lm i n e r a lt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t s i ts h o u l d e r sa l lt r a n s p o r t a t i o nd u t yi nt h em i n ep i t t h e r e f o r et h em i n e r a lh o i s t s t e c h n i c a ll e v e la n dr e l i a b i l i t yi sn o to n l yr e l a t e d 、析t 1 1t h em i n e p i tp r o d u c t i v i t ya n dt h ep r o d u c t i v ep l a nm a n a g e m e n t ，b u ta l s or e l a t e dw i t he a c hm i n e r ss a f e t y a n dt h ev e l o c i t ym o d u l a t i o np e r f o r m a n c ei st h ei m p o r t a n tt a r g e to ft h em i n e r a lh o i s tq u a l i t y f o rs e v e r a ly e a r se a c hm a n u f a c t u r e rd o e s n tc a r et h ev e l o c i t ym o d u l a t i o na n dt h ea cv e l o c i t y m o d u l a t i o ne q u i p m e n t s t h ec o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h em i n e r a lh o i s ti sl a g g a r dc o n t i n u o u s l y t h e r e f o r ei ti sa nu r g e n tw o r kt h a ta n a l y s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dp r o s p e c t so ft h em i n e r a l h o i s t sa cv e l o c i t ym o d u l a t i o ne q u i p m e n t sa n dp r o m o t e sp r o d u c tw h i c hc o n n e c t sr a i l s 、i t i l t h eo v e r s e a sa d v a n c e dt e c h n o l o g yl e v e l i nv i e wo ft h eh i g hf a i l u r er a t ea n dt h el o ws a f e t yc o e f f i c i e n ti nt h em i n e r a lh o i s t ，i ti s a l r e a d yi m p e r a t i v et ou s et h ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yt ot h em i n e r a lh o i s t i no r d e rt o e n a b l et h em i n e r a lh o i s tc o n t r o ls y s t e mt oh a v et h ea d v a n c e dc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dt h e r e d u n d a n tr e l i a b i l i t y ，t h ea r t i c l eu s e st h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lm e t h o d t h ed i r e c tt o r q u e c o n t r o lm e t h o dh a sn o v e lc o n t r o lt h o u g h t ，t h es i m p l es t r u c t u r ea n dt h ef i n ed y n a m i ca n ds t a t i c p r o p e r t i e s b u tt h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e m so w nl i m i t a t i o nl i m i t si t sa p p l i c a t i o no nt h e m i n e r a lh o i s t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ea n tc o l o n ya l g o r i t h m si n t ot h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o ls y s t e mt o a p p l yi tt ot h em i n e r a lh o i s tc o n t r o ls y s t e m i th a sac e r t a i nr e s e a r c hv a l u e k e yw o r d s ：a n tc o l o n ya l g o r i t h m s ( a c a )m i n i n gh o i s t s t h e s i s c o n t r o l ( d t c ) p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o no fp i d d i r e c tt o r q u e d s p 姿料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：圳迳日期：夕彩旅夕。 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：审篓芝 指导教师签名： 州年s 月7 e l 1 绪论 1 绪论 1 1 课题来源和背景 矿井常被人们称为矿山的咽喉通道，矿用提升机被广泛用于煤炭、冶金及其他矿 山行业的矿井生产，是矿井运输的关键设备之一，它担负着矿山从井下到井上的所有 运输任务，包括提升矿物、运送材料及井下设备、人员等繁重的工作，所以矿用提升 机的技术水平、可靠性不仅关系到矿井的生产能力和生产计划管理，而且直接关系到 井下每个矿工的生命安全，而矿用提升机调速性能是整机性能好坏的重要指标。 几十年来，各生产厂家只是在其机械结构及部件的改进提高上作了工作，并推出 了许多更新换代产品，而在直接影响其性能的调速方面，尤其是在使用交流调速装置 方面重视不够，总认为它是配套产品，地位不重要，因此矿用提升机调速电控技术一 直处于较落后状态，几乎没有发展，导致高能耗和效率低的电动机转子串电阻调速装 置一直占据主导地位，大大制约了其整机水平的提高。为此，分析矿用提升机交流电 气传动装置的现状与发展前景，推出同国外先进技术水平相接轨的产品，提高其总体 技术水平，是一项迫切的工作。 1 2 课题研究目的和意义 针对矿用提升机故障率高、安全系数低以及对生产已造成严重影响的现象，对矿 用提升机采用先进的控制技术进行改造已经是势在必行。 为了使矿用提升机控制系统具有先进的控制性能和高可靠性，本文采用了直接转 矩的控制方法。直接转矩控制作为一种新型的交流控制系统，以其新颖的控制思想、 简洁明了的结构、优良的动静态性能引起了大量国内外研究学者的注意，但直接转矩 控制系统自身的不完善限制了其在矿用提升机上的应用。 本文将蚁群算法引入到直接转矩控制系统中，对其进行了完善，使其能够更好地 应用到矿用提升机的控制系统上，具有一定的研究价值。 1 3 国内外研究概况和发展趋势 1 3 1 国外提升机调速系统的发展 国外矿用提升机调速的研究比较先进，并能及时地将研究的成果运用到矿用提升 机电控装置中。从1 9 7 8 年开滦矿务局钱家营矿的提升设备开始到1 9 9 8 年淄博矿务局 许厂矿的提升设备为止，我国从德国共进1 2 12 1 套大型矿用提升机，其中1 0 套是为直 西安科技大学硕士学位论文 流电动机配套的直流电控系统，其余1 1 套均为交交变频交流电气传动电控配套装置。 直流调速系统由于结构复杂、过流能力不强、环境适应差、难以实现高速度化等缺 点，已经逐步被不断发展的交流调速系统所代替。 交流调速的提升机，经过多年的运行，已获得了成功。例如s i e m e n s 公司1 9 7 9 年投运的2 x 4 2 0 0 k w 、1 2 6 5 0 k w ，额定转速5 5 8 r m i r ac e g e l e c 公司1 9 8 3 年投运 的1 5 4 8 0 k w ，额定转速6 9 5 r m i r aa e g 公司1 9 8 5 年投运的1 3 0 0 0 k w ，额定转速 5 5 8 r m i n ，a b b 公司投运的1 4 2 0 0 k w 额定转速4 5 8 6 r m i r as i e m a g 公司投运的 2 x 4 6 0 0 k w 等。目前在高性能的交流调速领域主要有西门子公司的矢量控制和a b b 公 司直接转矩控制两种控制方式。 矢量控制是7 0 年代初由德国西门子公司的学者e b l a s h k e 提出的，在转子磁通定 向的基础上，将交流电机的磁通和转矩进行解耦，实现了各自的独立和分别控制，其 缺点是这种方法依赖于转子参数，而电机的温度变化对这些参数影响很大，所以在设 计时需进行温度补偿，这便增加了系统设计的复杂度。 而直接转矩控制是在8 0 年代中期由德国鲁尔大学的m d p e n b r o c k 教授首次提出的 控制理论，随后，日本东芝公司的学者i t a k a h a s h 提出了磁链轨迹的圆形方案，其不 足之处在于低速性能不理想。 1 3 2 国内提升机电气传动技术的状况 ( 1 ) 交流绕线式异步电动机转子串电阻系统 建国以来，我国矿用提升机交流调速装置逐步从仿制、部分改进到系列更新，经 历了漫长的道路，前苏联技术模式的影响至今还有痕迹，从前苏联照搬过来的矿用提 升机电动机转子串电阻调速方案是各厂家在控制单机容量为10 0 0 kw 以下、双机容量 为20 0 0 k w 以下矿用提升机时一直主要采用的方案。国内早期的矿用提升机交流电控 配套装置厂家是湘潭电机厂及天津电控设备厂，其装置均为继电器和接触器控制系 统，采用异步电动机转子串8 级或l o 级电阻调速装置，负力下放时配套动力制动装 置，爬行时增加微拖动装置或低频拖动装置的方案。另外如重庆矿山机器厂、上海冶 金矿山机械厂和山西机器制造公司等主要矿用提升机生产厂家的交流电控配套也一直 采用异步电动机转子串电阻调速方案。煤炭科学研究总院中煤科技集团及焦作华飞电 子电器工业有限公司也分别专门为矿用提升机交流电控研制了产品，并在矿用提升机 交流电控中占有一定的市场份额，其产品均采用高可靠性的进口工业微机，基本上代 表了国内领先水平，但调速方案也是电动机转子串电阻方案。 交流绕线式异步电动机转子串电阻调速系统存在的主要问题有：首先是调速性能 差，因其调速为分级调速，即在调速过程中实际的加减速度是一个波动值，所设计的加、 减速度指的是平均值，级数分得越少，上下振幅波动的范围就越大，这也就是有些摩擦 2 1 绪论 提升机为了满足防滑性能的要求采用直流传动的主要原因之一，并且它在调速时有大 量的( 约占4 0 5 0 ) 电能消耗在转子电阻上，以转差功率的消耗为代价来换取转速的降低， 因而效率比较低；其次是从控制原理上讲，目前t k d 电控系统是以电流为主，时间为 辅的加速控制原则( 包括目前启用的p l c 电控系统) ，设备一经安装调试完毕后，无论系 统的工况如何，其工作参数基本保持不变，尽管在系统中设计了速度环控制，但是调节 能力十分有限，因而系统的动态响应性较差，尤其是大型矿井的副井提升系统，由于提 升工况多，载荷变化范围大，这种控制原则无法自动适应系统的要求，只能依赖司机人为 的调节；再就是安全可靠性和可维护性的问题，目前除了少数经过p l c 改造的之外，绝 大部分交流异步电动机转子串电阻系统仍为继电器接触器系统，其安全保护回路、 检测及取样回路，还有相当部分的制动系统仍为单线控制，这一类型的系统安全可靠性 不高，至于可维护性问题，由于继电器接触器为有触点系统，电路接头多，触点多， 硬接线路复杂，一旦系统出现故障，查找处理起来极为不便。 ( 2 ) 直流电动机传动系统 我国目前直流传动的矿井提升机，一般是当主提升电动机功率在1 0 0 0 k w 以上或者 调速性能要求较高的场合下选用，无论是发电机电动机传动系统，还是晶闸管整流 供电系统，其静、动态特性和实现自动化方面均明显地优于交流电动机转子串电阻系 统。中信重型机械公司( 原洛阳矿山机器厂) 是国内生产矿用提升机最大的专业生产 厂，其电控配套生产单位中信重机自动化工程公司的前身曾于8 0 年代末为我国设 计了成套具有世界先进水平的全数字化直流电控系统，结束了我国长期以来大型矿用 提升机电控全套引进的历史，缩小了我国矿用提升机直流调速电控与国外先进水平的 差距，并于9 0 年代初开发配套了t k d p c 、t k d m k 系列单绳缠绕式和j k m k j p c 、j k m k j m k 系列多绳摩擦式矿用提升机电控设备。 直流调速系统的缺点是：功率因数低，如三相桥平均功率因数只有o 4 5 左右，无 功冲击大，高次谐波对电网影响大，且直流电机也存在着环境适应能力差、过流能力 过小、不耐用、结构比较复杂、维护困难及价格偏高等问题。 ( 3 ) 交流变频调速系统 变频调速是各厂家开发新产品时首先想到的方案，且运用于矿用提升机的技术比 较成熟，但从国外进口变频装置，昂贵的价格和用户保守势力造成了各厂家在应用此 方案时畏缩不前。 1 3 3 国内外研究动向的总结及本课题研究方向 通过以上对国内外提升机调速系统的比较研究，交流调速系统已成为一种趋势， 而直接转矩控制系统作为一种新型的交流控制系统，以其新颖的控制思想、简洁明了 的结构、优良的动静态性能引起了大量国内外研究学者的注意，但直接转矩控制系统 3 西安科技大学硕士学位论文 自身的不完善限制了其在矿用提升机上的应用，具体是其在提升机低速时转矩脉动、 死区效应和开关频率等方面的问题，当控制系统用全数字化实现时，采样周期是固定的， 在一个采样周期内，转矩的增加量和减少量是不同的，于是产生低频锯齿波分量，它在低 速时的频率较低，幅值很大，影响系统低速性能。 针对直接转矩控制的以上缺点，本文将蚁群算法引入到直接转矩控制系统中，主 要是建立一个基于蚁群算法的模糊p i d 控制器实现速度闭环的直接转矩控制系统，用 基于蚁群算法的模糊p i d 控制器对p i d 调节器的参数进行实时的调整，解决了传统 p i d 控制器在系统参数不确定或变化时很难达到高精度控制要求的问题，从而对其进 行了完善，并能够很好地应用到矿用提升机的控制系统上，使其更好地保证矿用提升 机控制系统具有先进的控制性能和高的可靠性，具有一定的研究价值。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题的来源和背景、课题研究的目的和意义，并对国内外学者的 研究概况和对适用于矿用提升机的控制方法进行了综述，最后对论文所完成的具体工 作做了一个简要的介绍。 4 2 矿用提升机系统 2 矿用提升机系统 矿用提升机是矿山的重要设备之一，且又是联系井下与地面的主要运输工具，它 主要用于煤矿、金属矿和非金属矿中提升煤炭、矿石和矸石，升降人员，下放材料、 工具和设备。矿用提升机与压气、通风和排水设备组成矿井四大固定设备，是一套复 杂的机械电气机组，所以合理的选用矿用提升机具有很大的意义。 2 1 矿用提升机发展概况 矿用提升机的工作特点是在一定的距离内，以较高的速度往复运行。为保证提升 机高效率和安全可靠，矿用提升机应具有良好的控制设备和完善的保护装置。矿用提 升机在工作中一旦发生机械和电气故障，就会严重地影响到矿井的生产，甚至造成人 身伤亡。 熟悉矿井提升机的性能、结构和动作原理，提高安装质量，合理使用设备，加强 设备维护，对于确保提升工作高效率和安全可靠，防止和杜绝故障及事故的发生，具 有重大意义。 矿用提升机已有很长的发展历史。早在八百多年以前，我国古代劳动人民就发明 了辘轳，用手摇辘轳从地下提升煤炭和矿石，以后发展成畜力绞车。十九世纪，西方 资本主义国家制造出蒸汽提升机，并用于生产。n - 十世纪，由于电力的发展，电力 拖动的提升机逐渐代替蒸汽提升机。近几十年来，矿用提升机有了更大的发展，出现 了多绳摩擦式提升机以及先进的拖动和控制系统。目前，国外的矿用提升机正向体积 小、重量轻和自动化的方向发展，以适应深井和大产量的需要。下图2 1 为矿用提升机 的原理图，图中1 和2 为罐笼。 监 一厂闸虮。7 厂弋 控 也路刑 t 、 上 ，。 l 控；器怡 i - - _ 1 厂、 i 井 乡 j 筒 1lli 羹 弋 图2 1 矿用提升机原理图 5 2 西安科技大学硕士学位论文 2 2 矿用提升机的主要组成部分和各部分的用途 矿用提升机作为一个完整的机械电气机组，它的组成部分如图2 2 所示。 矿用提升机 工作机构主轴装置和主轴承 制动系统 裂茎凳动装置 机械传繇统 徽泡黝黝燃黝 润滑系统润滑油站 广一斜面操纵台 观测和操纵系统斗一深度指示器和传动装置 l 测速发电机装置 熟羹掣袤午毒置鍪嚣萎襄黝蝴机 自动保护系统 屯u “刚小矾 辅助部分 司机椅子 机座、机架 护栅、护板、护罩 导向轮装置、车槽装置 ( 只用于多绳摩擦式提升机) 图2 2 矿用提升机的主要组成部分 2 2 1 工作机构 工作机构主要是指主轴装置和主轴承等，它的作用是： ( 1 ) 缠绕或搭放提升钢丝绳； ( 2 ) 承受各种正常载荷( 包括固定静载荷和工作载荷) ，并将此载荷经过轴承传 给基础； ( 3 ) 承受在各种紧急事故情况下所造成的非常载荷，在非常载荷作用下，主轴装 置的各部风不应该有残余变形； ( 4 ) 当更换提升水平时，能调节钢丝绳的长度( 仅限于单绳缠绕式双卷筒提升 机) 。 因此，主轴装置应保证主轴、卷筒和其他部分有足够的强度和刚度。 保安规程规定，主轴装置的卷筒或主导轮直径与钢丝绳和钢丝直径的比值应符合 下列要求： 6 2 矿用提升机系统 对于地面提升设备 d 8 0 ，旦1 2 0 0( 2 1 ) d xd n 对于井下提升设备 o 6 0 ，旦9 0 0( 2 2 ) d 置 d 。 n ( 对于围包角口 1 8 0 。的多绳摩擦式提升机，1 0 0 ) 口k 式中d 一提升机卷筒或主导轮名义直径( 毫米) ，d r 钥丝绳直径( 毫米) ， d 。钥丝直径( 毫米) 。 调绳装置的作用是：当更换提升水平需要调节钢丝绳的长度时，利用调绳装置使 游动卷筒与主轴脱开，从而可以转动固定卷筒( 此时游动卷筒应用制动器闸住) 调节 钢丝绳长度。调绳结束时，利用调绳装置使游动卷筒与主轴合上( 即连接上) ，以便恢 复正常的提升工作。其调绳装置主要有以下几种：手动蜗轮蜗杆式调绳装置、电动蜗 轮蜗杆式调绳装置、液压齿轮式快速调绳装置。 2 2 2 制动系统 制动系统包括制动器和液压传动装置两部分。 制动器的作用是： ( 1 ) 在提升机停止工作时，能可靠的闸住机器； ( 2 ) 在减速阶段及下放重物时，参与提升机的控制； ( 3 ) 紧急事故情况时，能使提升机安全制动，迅速停车，避免事故的扩大； ( 4 ) 双筒提升机在调节钢丝绳长度时，应能闸住提升机的游动卷筒。 而制动器有以下几种：角移式制动器、综合式制动器、盘式制动器。 液压传动装置是矿用提升机整个控制系统的心脏部分。液压传动装置的结构和性 能直接影响到整个机器的控制性能。各种类型矿用提升机的液压传动装置主要由以下 几个部分组成：油源部分、工作制动控制阀、安全制动控制阀和执行机构( 制动油 缸) 。 安全制动控制阀的动作可以由自动保护系统控制，也可以由司机手动控制，以便 在紧急事故情况下实现安全制动，使提升机迅速停车。工作制动时制动力矩的增长过 程比较缓慢，并且其增长过程可以由司机根据需要进行控制。相反，安全制动时，制 动力矩的增长过程非常迅速，可以在瞬间达到最大制动力矩。应当注意的是，安全制 动控制阀必须直接与执行机构相连，中间不允许经过其它环节，以避免由于中间环节 7 西安科技大学硕士学位论文 的故障而影响机器的安全制动。 2 2 3 机械传动系统 机械传动系统包括减速器和联轴器。 ( 1 ) 减速器：矿用提升机主轴的转速由于受提升速度的限制，一般在1 0 - - 6 0 转 分之间，而用作拖动的电动机的转数，一般在4 8 0 , - - 9 6 0 转分之间。这样，除采用低速 直流电动机拖动外，一般情况下不能将主轴与电动机直接连接，中间必须经过减速 器。因而减速器的作用是减速和传递动力。减速器主要有：z l 和z d 型减速器、 z h l r 型减速器、z g 和z h g 型减速器。 ( 2 ) 联轴器是用来连接提升机的旋转部分，并传递动力。联轴器主要有：蛇形弹 簧联轴器( 用于连接电动机和减速器高速轴) 、齿轮联轴器( 用于连接提升机主轴和减 速器低速轴) 。 2 2 4 润滑系统 润滑系统的作用是：在提升机工作时，不间断地向主轴承、减速器轴承和啮合齿 面压送润滑油，以保证轴承和齿轮能良好的工作。润滑系统必须与自动保护系统和主 电动机连锁：即润滑系统失灵时( 如润滑油压力过高或过低、轴承温升过高等) ，主电 动机断电，提升机进行安全制动。启动主电动机之前，必须先开动润滑油泵，以确保 机器在充分润滑的条件下工作。 2 2 5 观测和操作系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台、深度指示器和测速发电机装置。这里只介绍一 下深度指示器，其它部分将在以后有关章节中加以介绍。深度指示器的作用是：( 1 ) 指示提升容器的运行位置；( 2 ) 容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速信 号；( 3 ) 当提升机超速和过卷时，进行限速和过卷保护；( 4 ) 对于多绳摩擦式提升 机，深度指示器还应该能自动调零，以消除由于钢丝绳在主导轮摩擦衬垫上的滑动、 蠕动和自然伸长等所造成的指示误差。 2 2 6 拖动、控制和自动保护系统 拖动、控制和自然保护系统包括主拖动电动机和微拖动电动机、电气控制系统和 自动保护系统。矿用提升机根据交直流拖动系统的不同可分别采用三相感应电动机或 直流电动机，而矿用提升机的电气控制系统也因此分为交流和直流两大类。矿用提升 机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断 开并同时进行安全制动而实现对系统的保护。自动保护可分为提升机运行过程中的自 8 2 矿用提升机系统 动保护和一次提升结束时的自动保护。 2 3 矿用提升梯形速度图的动力学分析 提升设备各部分的动力计算，需要知道罐笼在井筒中运行时运动质量在各个瞬间 所产生的惯性力，而这些惯性力与提升机速度变化规律有关，也就是与提升速度图的 形状有关，因此，矿用提升机速度图，或简称为速度图是上述计算的基础。 我们将确定矿井提升速度图与使提升机运动的力以及与阻碍它们作用的阻力之间 的关系。令：由电动机所克服的提升的全部阻力的合力；c 全部静负荷和 提升有害阻力的合力；m 提升设备所有运动部分的换算质量，它们都集中在瓦力 的作用点上。 假定力巴和是作用在同一力臂上，那么提升机运动部分将有如下的动力平衡方 程式： l = c + m 万d 2 x ( 2 3 ) 在一般的情况下，式中c = 六g ，c ) ，而且x 上升罐笼从提升开始到给定瞬时时所 通过的路程；c 各种不变提升参数的总和；害提升罐笼的加速度。 d t 因此可得： l = ，g ，c ) + m 万d 2 x ( 2 4 ) 上式就是提升机的一般动力微分方程式。 矿用提升机的动力学和所有机器一样，应当解决下列两个任务： ( 1 ) 根据给定的运动变化规律来确定力的变化规律； ( 2 ) 根据给定的力的变化规律来确定运动的变化规律。 为此我们给出矿井提升速度的变化规律，即： y = 车a t = 凡) ( 2 5 ) 兄= 厶o ) = 六g ，c ) + m 豢 ( 2 6 ) 综合可得： = f 阮o ) ，c 】+ 蛳。o ) ( 2 7 ) 为了确定变化规律，要求具备提升速度图。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 3 1 矿用提升机速度图概述 根据数学模型，按照煤矿安全生产技术标准要求，并结合矿井实际情况，选 取提升机运行速度参数如下：提升机额定运行速度为1 0 0 m s ，爬行速度为4 1m s 。 由此得到实际s 形速度给定曲线如下图2 3 所示。 图2 3 矿用提升机非对称五阶段速度图 ( 1 ) 第一阶段o - t ，：罐笼在井底工作面装卸完毕后，发一个联络信号给井口提升机操 作工人，操作工人在回复了一个信号到井底，然后开机提升。罐笼从井底开始上升， 罐笼启动后，开始持续加速达到变频器的设定频率，在此期间提升机的速度逐渐加 快。 ( 2 ) 第二阶段t f ，：匀速运行阶段。上升时，电动机保持电动状态，提升机以额定运 行速度稳定运行，由测速发电机反映转子速度，当速度高于速度1 0 0 m s 时，增大励 磁电流，产生制动力矩，使罐笼匀速运行，一般这段过程最长。 ( 3 ) 第三阶段t ：t ，：罐笼快到井口时减速阶段，罐笼减速至低速，进入爬行阶段， 如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不会因减速过快而跳 闸。 ( 4 ) 第四阶段f ，r 。：罐笼以一定频率低速爬行，便于在规定的位置停车。 ( 5 ) 第五阶段t 。t ，：到达停车位置时，变频器立即停车，罐笼减速到零，制动系统 抱闸制动。操作工人发一个联络信号到井下，整个提升过程结束。 根据动力学方程式： 一乃：，塑：g o 2 一d n ( 2 8 ) d t3 7 5d t 式中：t 一电动机产生的转矩，乃一单轴传动系统的负载转矩，j 一单轴传动系统的转 动惯量；国一单轴传动系统的角速度，g d 2 一飞轮惯量( 飞轮转矩) 。 1 0 2 矿用提升机系统 显然，随着提升物料的重量不同，要求电动机的托动力矩也不同，且在一个提升 循环中，在不同阶段电动机的拖动力矩的极性也在变化，矿井提升机要求电力拖动系 统能满足四象限运行的条件。 2 3 2 最大提升速度 提升机的卷筒是由电动机经减速器拖动的，提升机卷筒圆周的最大速度1 ，胛与电动 机额定转数刀。及减速器传动比i 有关，其关系如下式所示： 轳鲁 ( 2 9 ) ，m2 鬲乙u w 式中d 为提升机卷简直径，i 为减速器传动比，行。为电动机额定转数。 由式2 9 计算的最大提升速度，。因每台提升机所选配的电动机转数的不同和减速 器速比的不同而具有有限的几个数值，这有限的几个数值均称为提升机的标准速度一 一最大速度。 得到的最大速度1 ，。必须符合煤矿安全规程对提升最大速度的有关规定： ( 1 ) 竖井中升降物料时，提升容器最大速度不得超过下式算出的数值： 1 ，。0 6 4 h( 2 1 0 ) ( 2 ) 竖井中升降人员的最大速度不得超过下式算出的数值，且最大不得超过 1 6 m s 。 1 ，。0 5 4 h( 2 1 1 ) 2 3 3 提升加速度a 。及减速度a ，的选择 ( 1 ) 提升加速度a 的选择 确定提升加速度a 时，应综合考虑如下因素： 首先应根据煤矿安全规程规定，竖井升降人员的加速度不得大于o 7 5m s 2 ， 斜井不得大于o 5m s 2 ，又根据设计规范的建议，箕斗提升加速度以a 1 2 m s 2 为宜。 其次按照减速器最大输出扭矩确定最大加速度a ，提升机产品规格表中给出了减 速器最大输t b 8 t t 矩m 嘣，电动机通过减速器作用到提升机卷筒圆周上的拖动力不能超 过减速器的能力，可按下式计算： k 缈+ p h + 侄聊- m d b 导肘一 ( 2 1 2 ) 西安科技大学硕士学位论文 半一慨+ ) 则口l 芝f ( 2 1 3 ) l m h l d 且式中聊d 为电动机转子变位质量，i t 为提升系统总变位质量，k 为矿井阻力系 数，箕斗提升取k = 1 1 5 ，罐笼提升取k = 1 2 。 接着根据电动机过负荷能力来确定最大加速度口1 ，最大加速度a 。可按下式计算： q 0 7 5 , k f e 弋- r ( k q g 一+ p h ) ( 2 1 4 ) 1 4 ) 口1 _ i ；r 一 ( z 乙n i 式中兄为电动机过负荷系数，c 为电动机额定拖动力，0 7 5 为考虑电动机稳定运 行而限制其最大拖动力的系数。 然后对于多绳摩擦提升，最大加速度a 。除了以上几个限制因素以外，还受到防滑 条件的限制。 最后对于提升，其最大加速度口。还受容器最大自然加速度的限制。 ( 2 ) 提升减速度a ，的选择 提升减速度口，除了要满足上述煤矿安全规程规定外，减速度a ，的大小与采用 的减速方式有关，比较常用的减速方式有三种：自由滑行减速方式、制动状态减速方 式和电动机减速方式。 自由滑行减速方式： 当容器抵达减速点时，将电动机自电源断开，拖动力为零，整个提升系统靠惯性 滑行直至停车。这种减速方式操作简单，节省电耗，应优先考虑，减速度a ，可按下式 计算： 燃+ p 一2 x ) = m a ， ( 2 1 5 ) 式中的x 值在提升机运行过程中是变化的，在减速点开始时，x = i t 一纸+ h 4 ) ， 可按照下式确定矾值： 口，：k q g - f p ( 一h - 2 x ) ( 2 1 6 ) 乙m 一般减速阶段接近提升终了，为了简化计算，取x = h ，则 口3 ：k q r g - p h ( 2 1 7 ) 口32 弋亍一 l 厶，j 厶坍 通过上式计算得到的减速度a ，值过小时，减速阶段运行时间过长，提升能力将降 低，为了增大减速度心值，则采用制动状态方式减速：如果计算的减速度a ，过大，则 1 2 2 矿用提升机系统 会对正常停车带来很大困难，必须采用电动机减速方式。 制动状态减速方式： 由于提升系统的惯性力较大，在自由滑行状态下的减速度过小，对提升系统不能 达到有效的减速，这时则要采用制动方式减速，采用制动方式减速时，要考虑需要施 加制动力的大小，当所需要施加的制动力较小时( c o 3 q g ) ，为了避免闸瓦过度发热和磨损则应该 采用动力制动或低频制动等电气制动方式，按矿井具体条件选用，此时的减速度值a ， 可以按照需要确定，其计算式如下： a 3 ：丝型磐 ( 2 1 9 ) z m 式中f 为电气制动力。 电动机减速方式：提升系统惯性力较小，容器在自由滑行状态下减速度可能很 大，容器不能滑行至终点，为此应该采用电动机减速方式，此时拖动力为正值，电动 机运行在较软的人工特性曲线上，为了便于控制，电动机的拖动力应不小于电动机额 定拖动力的3 5 ( 即f 0 3 5 c ) ，减速度值a ，可以按照下式计算： a 3 ：k q g - p ( h f - 2 x ) - o 一3 5 f e ( 2 2 0 ) 己坍 减速方式的选择，一般优先选用自由滑行减速方式，只有当自由滑行减速方式的 减速度a ，值过小或过大时，才能相应采用制动状态减速方式或电动机减速方式。在一 般情况下，也经常采用混合减速方式减速，即在自由滑动状态下用闸瓦适当参与控 制，此时减速度a ，值的大小等于式计算的a ，值之和的一半。 对于副井罐笼提升，由于有下放任务，为了安全可靠，应该采用电气制动方式减 速，对于多绳摩擦提升和斜井提升，经常采用电动机减速方式。 2 3 4 提升电动机的选择 为了对提升机设备进行动力学计算，必须选择电动机以便于计算电动机转子的变 位质量，选择电动机必须满足功率、转速和电压三方面的要求： 电动机功率可以用下式估算： p ：k q g v 一, p( 2 2 1 ) 1 0 0 0 9 ，。 1 3 西安科技大学硕士学位论文 式中p 为电动机的容量，p 为动力系数，一般取p = 1 4 ，r ，为减速器传动效率，一般 取r i = 0 8 5 。 电动机转速由下式可得： 警 ( 2 2 2 ) 刀p2 ；? l l z z z j 式中刀。为电动机额定转速。 而选择电动机的电压则是由矿井具体条件确定的。 2 4 本章小结 针对本课题中竖井罐笼提升的特点，我们采用五段式速度曲线对矿用提升电机加 以研究，并且针对传统提升机电气传动系统的不足，建立了新型的电气传动系统，提 出了矿用提升机直接转矩控制的方法。 1 4 3 交流异步电机直接转矩控制系统 3 交流异步电机直接转矩控制系统 3 1 直接转矩控制简介l 】 3 1 1 直接转矩控制的提出【2 j 自从2 0 世纪7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流调速技术就从理论上解决了交 流调速系统在动静态性能上与直流调速相媲美的问题，它的提出具有划时代的重要意 义。然而在实际应用中，由于系统特性受电机参数的影响较大，导致磁链难以准确观 测，以及在模拟直流电机控制过程中所使用的旋转坐标变换的复杂性，使得对交流电 动机的转速和磁链的控制难以达到完全解耦，因而实际的控制效果也难以达到理论上 分析的结果，这是矢量控制技术在实际应用中的严重不足。针对这一问题，德国鲁尔 大学的德彭布鲁克( d e p e n b r o c k ) 教授于1 9 8 5 年首先提出了异步电动机直接转矩控制 的理论，又在1 9 8 7 年把它推广到弱磁调速范围。直接转矩控制不同于矢量控制技术， 它不需要解耦电机模型，取消了旋转坐标变换，所以在一定程度上解决了矢量控制中 控制结构复杂、系统特性易受电机参数变化的影响、实际性能难以达到理论分析结果 的一些重大问题。它强调对电机的转矩进行直接控制。直接转矩控制从一诞生开始就 以新颖的控制思路、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能受到人们的普遍关注。 3 1 2 直接转矩控制的特点 直接转矩控制具有以下的特点： ( 1 ) 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型、控制电动机 的磁链和转矩，它不需要将交流电动机与直流电动机进行比较、等效以及转化，而且 既不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型，它 省略掉了矢量旋转变换等复杂的变换与计算。因此，它所需要的信号处理工作特别简 单，所用的控制信号使观察者对于交流电动机的物理过程能够做出直接和明确的判 断。 ( 2 ) 直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观 测出来。而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，观测转子磁链需要知道电动机电阻 和电感。因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的 问题。 ( 3 ) 直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制 其各物理量，使问题变得特别简单明了。 1 5 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含了两层意思：直接 控制转矩和对转矩的直接控制。 直接控制转矩：与矢量控制的方法不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接 控制转矩的，而是把转矩直接作为被控量，直接控制转矩。因此它并非极力获得理想 的正弦波波形，也不专门强调磁链的圆形轨迹。相反，从控制转矩的角度出发，它强 调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆 形磁链轨迹的概念。 对转矩的直接控制：直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是通过 转矩两点式调节器把转矩检测值与转矩给定值作带滞环的比较，把转矩波动限制在一 定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制。因此它的控制效果不取决于电动 机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。 对于转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制。这种“直接自控制 的思 想不仅用于转矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制，但以转矩为中心来进行综 合控制。 ( 5 ) 直接转矩控制技术用于空间矢量的分析方法，直接在定子坐标系下计算与控 制交流电动机的转矩，采用定子磁场定向并借助于离散的两点式调节( b a n g b a n g 控 制) 产生p w m 信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态 性能，它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理，没有通常的p w m 信 号发生器，它的控制思想新颖，控制结构简单，控制手段直接，信号处理的物理概念 明确，该控制系统的转矩响应迅速，限制在一拍以内且无超调，是一种具有高静动态 性能的交流调速方法。 3 2 异步电机直接转矩控制的基本思路 直接转矩控制不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作 为被控量进行控制，强调的是转矩的直接控制效果，其控制方式是通过转矩两点式调 节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定的容差范围内， 容差的大小由滞环调节器来控制，它的控制效果不取决于电动机的数学模型是否能够 简化，而是取决于转矩的实际情况。直接转矩控制系统原理框图如下图3 1 所示。 1 6 3 交流异步电机直接转矩控制系统 图3 1 直接转矩控制系统原理框图 3 3 异步电机直接转矩控制基