矿山提升机速度保护装置的设计与应用

1、i 矿山提升机速度保护装置的设计与应用矿山提升机速度保护装置的设计与应用 摘要摘要 根据受控电动机类型的不同，矿山提升机可分为直流驱动提升机以及交流 驱动提升机两大类。随着电力电子器件、电动机、驱动控制技术以及控制手段 的不断发展，以及生产过程对驱动控制各项性能指标要求的不断提高，近几十 年来，交、直流驱动提升机系统得到了快速发展。矿山提升机工作必须确定合 理的提升速度以及加速度。如果提升速度以及加速度过大，将导致严重的提升 事故；如果提升速度以及加速度过小，则直接影响提升系统的提升能力，降低 生产率。因而，提升机司机必须严格按照提升系统速度图的规定进行操作，合 理地控制提升机的速度以及加速度

2、。 本文依靠分析新生煤矿提升机的工作原理，了解掌握提升机后备保护装置 的特点，依靠霍尔传感器检测滚筒或者电机轴转角，换算成提升容器在井筒中 的位置。采用频率测速法，先累计单位时间的脉冲数，然后把它换算成速度即 实际运行速度。用单片机对提升容器相关数据的采集、分析比较、换算等。研 究速度保护装置的组成原理以及功能设计。以湖南省新生煤矿五家冲副井一台 型号为 xkt231.5b-20 的矿山提升机为对象，基于单片机控制安全回路， 当速度连续超过安全值 0.5s 则自动切断电源，编写程序并进行调试，能在现场 有效地运行。具体的组织结构如下：第一部分，绪论，包括问题的提出，矿山 提升机的发展状况，本课

3、题研究的意义及主要内容。第二部分矿山提升机及其 电气控制系统，首先分析矿山提升机的主要组成部分及其作用，在此基础上分 析矿山提升机电气控制系统及速度图。第三部分，变频调速系统硬件设计方案。 第四部分，单片机变频器构成的调速系统，主要有速度闭环结构、电流闭环 结构、变频器设计。第五部分，工业应用。重点分析矿山提升机调速系统实现 及其运行结果。第六部分，总结与展望。 关键词：矿山，提升机，变频器，调速 ii analysis on the design and application of mine hoist speed protection device abstractabstract ac

4、cording to different types of controlled motor, mine hoist can be divided into dc drive elevator and ac drives hoist two kinds big. along with the power electronic devices, motor, drive control technology and control of the means of development, and production process on the drive control various pe

5、rformance indicators asks is ceaseless rise, in recent decades, ac, dc drive hoist system has been developed rapidly. mine hoist work must determine reasonable speed and acceleration of ascension. if improve speed and acceleration spend, will cause severe ascension accident; if improve speed and acc

6、eleration through small, is directly influence the ascension of hoisting system capacity, reduce productivity. therefore, hoist the driver shall be in strict accordance with the upgrade system speed map the rules of the operation, the reasonable control of the hoist speed and acceleration. through a

7、nalysis of new coal mine hoist principle of work, understand hoist backup protection device features, through the hall sensor test roller or motor shaft corner, convert to ascend in the position of the well bore container. the frequency speed measuring method, first accumulative total the number of

8、pulses per unit of time, and then put it into a conversion speed at the actual speed. use single ascending vessel to the relevant data collection, analysis and comparison, conversion, etc. research the speed of research protection device of the principle and function design. hunan coal mine in new f

9、ive rushed auxiliary shaft a model for xkt2 3 x 1.5 b-20 of mine hoist for object, based on single chip microcomputer control security circuit, when speed continuous more than 0.5 s will automatically secure value cut off power supply, write programs and debugging, can in the scene to run effectivel

10、y. the organizational structure of the specific as follows: the first part, the introduction, including the problem put forward, mine hoist, the development situation of the significance of the subject and the main content. the second part of the mine hoist iii and electric control system analyzes t

11、he mine hoist first the main component and function, based on the analysis of mine gas control system and improve mechanical and electronic speed diagram. the third part is variable frequency speed regulation system hardware design. the fourth part, microcontroller-a speed control system frequency c

12、onverter, mainly have the speed closed loop, current loop structure, structure design frequency converter. the fifth part is industrial application. focuses on analyzing the mine hoist speed regulation system implementation and operation results. part 6 is sums up and prospect. keywords: mine, hoist

13、, frequency converter, speed 目 录 iv 摘 要.i abstract .ii 第 1 章 绪 论.1 1.1 问题的提出.1 1.2 矿山提升机的发展状况.2 1.3 本课题研究的意义.3 1.4 研究的主要内容.4 第 2 章 矿山提升机及其电气控制系统.5 2.1 矿山提升机主要组成部分及其作用.5 2.1.1 矿山提升机的组成.5 2.1.2 矿山提升机各部分的作用.5 2.2 矿山提升机电气控制系统.7 2.2.1 提升机控制系统分析.7 2.2.2 提升机交流调速方式.8 2.3 矿山提升机速度图.10 2.4 小结.11 第 3 章 变频调速系统硬件

14、设计方案.12 3.1.12 3.2.14 3.3.17 3.4.18 3.5.19 3.6.20 3.7.21 第 4 章 单片机变频器构成的调速系统.20 4.1 调速系统的构成以及体系架构.20 4.2 速度闭环控制结构.21 4.3 电流闭环结构.22 4.4 小结.25 v 第 5 章 工业应用.26 5.1 矿山提升机调速系统实现.26 5.2 运行结果分析.28 5.3 小结.29 第 6 章 总结与展望.30 6.1 总结.30 6.2 展望.30 参考文献.31 致 谢.35 6 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 问题的提出 矿井提升机是矿山生产中至关重要的大型设备，对矿

15、井的生产安全起着非 常重要的作用，因而，有着重要的国民经济意义。提升机电力传动系统运行过 程复杂，提升机的电动机又经常正反向切换运行，频繁的处于电动以及制动两 个状态不断转换以及超负荷的状态。对于提升机来说，提升运行过程中的安全 性以及可靠性是至关重要的，特别是用于搭载乘务人员的副井，如果发生故障 往往会导致机毁人亡的严重后果，因而，为了保证提升机能够安全可靠的运行， 使得提升机的安全性以及可靠性变成研究以及制造时必须首先考虑的至关重要 的问题。随着国内矿井生产量的飞速的提高，提高提升机的安全性、可靠性， 提高生产效率以及整机的自动化水平，降低操作维护人员的劳动强度，提高处 理设备故障的速度等

16、，就变成了非常迫切的要求。因而本文以研究以及设计提 升机控制系统为目的，仔细地研究以及分析了提升机系统内部的各个组成部分 及其之间的联系，期望更近一步地了解提升机系统，更好地为矿山单位服务， 为国民经济的发展提供更好的条件。 矿山提升机发展的关键因素是电气控制系统的快速发展。提升机电控系统 经历了由继电器控制、分离元件控制、模拟电路控制到微电子(计算机)控制的 发展历程。目前已广泛应用的提升机数字控制系统(计算机控制)使矿山提升机 的电控系统得到了质的飞跃。采用数控技术后，提升机电控系统具有结构简单、 控制精度高、不存在零漂等模拟装置的缺陷、系统功能开发简单等优点；特别 是其具有的智能化的信息

17、采集、故障诊断以及在线检测等功能，极大地提高了 系统的可靠性，缩短了查找以及排除故障的时间，降低了维护成本。矿井提升 是矿井生产的重要环节，在矿井生产中占有十分重要的位置。2005 年，依据湖 南省煤炭安年全监察局的要求，煤矿在用提升机都必须装设完整的后备保护装 置。湖南省新生煤矿五家冲副井的矿山提升机由于机器老化，年久失修，并且 很多保护出厂时就没有设计，所以保护装置并不完善。为了保证提升机能够安 全的运行，必须配备一套完整的提升机后备保护装置。 本课题针对矿山提升机后备保护装置中的防止过速保护装置以及限速保护 7 装置的工作原理进行分析，特别是对提升机速度的监控以防止提升容器超速行 驶等问

18、题进行系统地研究。 8 1.2 矿山提升机的发展状况 9 当前国内提升机电控系统绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式 电机继电器接触器系统。该系统不但设备陈旧、技术落后，并且这存在着很多 问题： l)转子回路串接电阻，消耗电能，导致能源浪费。 2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械的 冲击。 3)继电器、接触器的频繁动作，电弧烧蚀触点，严重影响接触器的使用寿 命，且维修成本较高。 4)交流绕线异步电动机上的滑环存在接触不良的问题，很容易引起设备事 故。 5)电动机依靠转子电阻来获得的低速，其运行特性较软。 6)提升容器依靠给定的减速点时，由于负载的不同，将得

19、到不同的减速度， 不能达到稳定的低速爬行，容易导致停车位置不准，从而不能正常装卸载。 上述问题使得提升机运行的可靠性以及安全性难以得到有效的保障。因而， 需要研制更加安全以及可靠的控制系统，提高提升机运行过程中的的可靠性以 及安全性。在提升机控制系统中运用计算机控制技术以及变频调速技术，可以 对原有的提升机控制系统进行升级换代。 从计算机技术在工业现场应用情况来看，可编程控制器(plc)是目前作为工 业控制最理想的机型。它是采用计算机技术、按照事先编好并且储存在计算机 内部的一段程序来完成设备的操作控制。采用了 plc 控制，硬件简洁、软件灵 活性强、调试方便、维护量小。plc 技术现已广泛应

20、用于各种提升机的控制， 配合一些提升机专用的电子模块组成的提升机控制设备，可以供控制高压带动 力制动或者低频制动，单、双机拖动等。操作、监控以及安全保护系统选用了 可编程控制器。主控计算机应用软件可以完成提升机自动、半自动、手动、检 修以及低速爬行等运动方式的控制要求，在 plc 电控系统的基础上配合变频调 速装置，运用当下先进的矢量控制技术， 不仅适合提升机运行工艺的要求，并且将解决整套提升机系统的电力拖动 10 方面存在的一系列问题。用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，也可以简化控制操作流程， 提高控制精度。 1.3 本课题研究的意

21、义 在调研中发现，目前山西省的各大煤矿矿井提升机系统的调速方案大都采 用继电器接触器控制的转子串电阻调速。此方案耗能大，占地面积大，已经不 能适应现代矿业发展的需要。因而有必要对其调速方案进行改造。在对现行的 变频调速方案进行广泛考察后，本文提升机系统控制单元采用了目前工控适用 的可编程控制器来控制，具备编程简单以及控制可靠性高的优点;在电力拖动系 统中，选用先进的变频传动装置，同时运用先进的矢量控制技术，打到了优化 调速系统性能的目的，这一控制方法目前仍是现代交流调速的重要研究方向之 一。 运用先进的工业计算机、现场总线以及工业自动化技术，严格按照结构标 准化、产品系列化、性能现代化、体积小

22、型化的原则，研制以及生产适合矿井 提升机电控设备是进行技术改造以及新建矿井设备选型的理想选择。采用上位 机监控系统，运用组态模式，实现良好的人机对话;实时地监控提升机的运行 状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁;可进行故障报警、数据查询、报表打印;记 录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计;故障声光指示、记忆及 部分传感器上位机的紧急处理。 为了保证提升设备无事故，在提升设备可能出现故障的各个重要环节上， 设置双回路系统，并且在系统的各个环节上设置各种检测、控制、自诊断以及 记录以及保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。 1.4 研究的主要内容 本文依靠分析新生煤矿提

23、升机的工作原理，了解以及掌握提升机后备保护 装置的特点，并且依靠霍尔传感器检测滚筒或者电机轴转角，换算成提升容器 在井筒中的位置。采用频率测速法，首先累计单位时间的脉冲数，然后再把它 11 换算成速度即实际运行速度。用单片机对提升容器相关数据的采集、分析比较 以及换算等。研究速度保护装置的组成原理以及功能设计。以湖南省新生煤矿 五家冲副井一台型号为 xkt231.5b-20 的矿山提升机为对象，基于单片机 控制安全回路，当速度连续超过安全值 0.5s 则自动切断电源，编写程序并进行 调试，能在现场有效地运行。 第第 2 2 章章 矿山提升机及其电气控制系统矿山提升机及其电气控制系统 2.1 矿

24、山提升机主要组成部分及其作用 2.1.1 矿山提升机的组成矿山提升机的组成 矿山提升机作为一个大型的机械电气机组，它的主要组成有：工作机构 (包括主轴装置及主轴承)；制动系统(包括制动器以及制动器控制装置)；机械传 动装置(包括减速器、离合器以及联轴器)；润滑系统(包括润滑油泵站以及管路)； 检测及操纵系统(包括操纵台、深度指示器及传动装置以及测速发电装置)；拖 动、控制以及自动保护系统(包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统以及 信号系统)以及辅助部分(包括机座、机架、护罩、导向轮装置以及车槽装置)等。 12 图 2.1 矿山提升机机械传动系统示意图 矿山提升机原系统的工作过程是，操作工人

25、手握操纵杆，操纵杆前后各三 档控制电动机的正转三段速度、反转三段速度。不管电动机正转还是反转，都 是从矿井中将煤拖到地面上来，电动机工作在正转以及反转电动状态，只有在 满载拖车快接近井口时，需要减速并制动。 2.1.2 矿山提升机各部分的作用矿山提升机各部分的作用 （1）工作机构 1)缠绕或者搭放提升钢丝绳。2)承受各种正常载荷(包括固定静载荷以及工 作载荷)，并将此载荷经过轴承传给基础。3)承受在各种紧急制动情况下所导致 的非常载荷，且在非常载荷作用下，主轴装置的各部分不应有残余变形。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滚筒提升机)。 （2）制动系统 1)制动器：在

26、提升机停止工作时，能可靠地闸住滚筒。在减速阶段及 下放重物时，参与提升机的控制。紧急制动情况时，能使提升机安全制动， 迅速停车。在调节双滚筒提升机钢丝绳的长度时，能制动住提升机的游动滚 筒。 2)制动器控制装置：调节制动力矩。在任何事故状态下进行紧急制动 (即安全制动)。 3)为单绳双滚筒提升机调绳装置的调绳离合器油缸提供所需的压力油。 （3）机械传动系统 1)减速器。减速器的作用是减速以及传递动力。根据提升速度的要求，提 升机主轴的转速一般在 2060r/min 之间，而拖动提升机的电动机转速通常在 13 480960r/min 的范围内，因而，除采用低速直流电机拖动外，不能把电动机与 主轴

27、直接连接，必须经过减速器减速。 2)联轴器。主要用来连接提升机的旋转部分，并起传递动力的作用。 （4）润滑系统 在提升机工作时不间断地向主轴承、减速器轴承以及啮合齿面压送润滑油， 以保证轴承以及齿轮能良好地工作。润滑系统必须以及自动保护系统与主电动 机连锁，当润滑系统失灵时(如润滑油压力过高或者过低，轴承温升过高等)， 主电动机断电，由提升机进行安全制动。在启动主电动机之前，必须先开动润 滑油泵，来确保提升机在充分润滑的前提下工作。 （5）检测及操纵系统 1)操纵台。操纵台上装有各种手把以及开关，是操纵提升机完成提升、 下放等各种动作的操纵装置。操纵台七装有各种仪表，向司机反映提升机的 运行状

28、况及设备的工作情况。 2)深度指示器。指示提升容器的运行位置。容器接近井口卸载位置以 及井底停车场时，发出减速信号。当提升机超速以及过卷的时候进行限速 以及过速保护。 对多绳摩擦式提升机，深度指示器还能自动调零，来消 除由于钢丝绳在主导轮摩擦衬垫上的滑动、蠕动以及自然伸长等导致的指示误 差。 3)测速发电装置。依靠设在操纵台上的电压表来向司机指示提升机的实际 运行速度。参与等速运行以及减速阶段中的超速保护。 （6）拖动、控制以及自动保护系统 拖动、控制以及自动保护系统包括主电动机、电气控制系统、自动保护系 统以及信号系统。 2.2 矿山提升机电气控制系统 2.2.1 系统主要特点系统主要特点

29、所有的带式输送机均为双传动滚筒，用联动齿轮传动，工作时 1 用 1 备，即 双驱单用结构，解决了由于电动机或减速机出现故障而使整个系统停产的问题， 大大提高了运行的可靠性。各带式输送机均配备软启动器，实现了平滑无冲击 14 起动；所有的开关及综合保护装置型号统一，减少了配件种类，降低了设备维 护与维修费用。所有的电器设备等均具有防爆性能。带式输送机用彩钢瓦密封， 机头、机身、机尾用不同颜色，并在上、下调心托辊处作标记，方便调偏及日 常维护。 该运输系统已于 2009 年在石壕煤矿安装调试完毕，设备运转正常。石壕矿年 产量由 80 万 t 提高到了 200 万 t。转弯运输系统比较好地满足了长距

30、离、巷 道转 弯较多且转角较大的井下运输使用要求，经济显著。矿井提升机电气控制系统 中的应用目前矿井提升机电控系统大量运用各种现路总线以及网络，以提高系 统的自动化程度，方便监控以及管理。对工业网络来说，通信质量非常重要， 通信的稳定性直接关系到生产安全以及效率，因而对信号。信号传输可以分为 有线传输以及无线传输，有线传输又可分为电气介质 (普通电缆) 传输以及物理介质 (塑料光纤，玻璃光纤等) 传输。在现场总线级网络中普遍 使用的是屏蔽电缆传输。电缆由于线材本身特性的问题，传输速率较低，传输 距离 受到限制，在充斥着电磁波的使用环境中，电磁波的干扰更使普通电缆传输的 效率降低，甚至出现通信故

31、障。 提升机电控系统一般安装在提升机机房，环境比较好，如果安装规范，使用屏 蔽电缆通信成本较低，效果也比较好。若通信范围扩大到室外井筒，通信网络 需要从机房延伸至井筒的底部，通信距离超过 1 000 m，加上井筒中环境潮湿， 各种电缆集中敷设，网络通信易受干扰，由此引起的维护工作量增大，而光缆 受自然环境影响小，且不受电磁环境影响，可以很好地解决传输过程中的各种 问题。 2.2.2 提升机的特点提升机的特点 (1)提升范围广 该类提升机对物料的种类，特性及块度的适用范围广。不仅能提升粉状以及 块状普通物料，并且可提升磨琢性较强的物料. (2)输送能力大 该系列提升机具有 ne15ne800 多

32、种规格。提升量范围为 15800m3/h。 (3)驱动功率小 这类提升机采取流入式喂料，重力诱导式卸料，且采用密集型布置的大容量 15 料斗输送，链速低提升量大。物料提升时，几乎无回料现象，因而驱动功率 小，理论计算轴功率是环链提升机的 25%45%。 (4)使用寿命长 提升机的喂料采取流入式，材料之间很少发生挤压以及碰撞现象，本机的设 计保证物料在喂料、提升以及卸料中不会撒落，这就防止了磨粒磨损，输送 链采用板链式高强度耐磨链条，延长了链条以及链斗的使用寿命。 (5)提升高度高 该系列提升机链速低、运行平稳、且采用板链式高强度耐磨链条，因而可达 较高的提升高度（高达 40m） 。 (6)运行

33、可靠性好 先进的设计原理，保证了整机运行的可靠性，无故障时间超过了 3 万小时。 操作、维修方便，易损件少。 (7)结构尺寸小 与同等提升量的其它各种提升机相比，这种提升机的结构尺寸较小。 (8)加工精度高 2.2.3 风光提升机变频器网络化系统风光提升机变频器网络化系统 网络化操纵台，双 plc 双线制控制。操作系统、调速系统、监控系统之 间依靠工业局域网络进行系统通讯及信号交换，留有与信号系统进行联网的 接口，具有远程监控传输功能。加、减速过程平滑调节。 （1）操作以及安全保护系统选用两套不同配置的 plc，互为冗余控制， 对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等）均采

34、 用多线制保护，互为监视。 （2）具有手动、半自动、检修及应急控制等各种控制方式。保证速度 图为 s 曲线。 （3）具有以下多种保护功能： 防过卷保护；防过速保护；防过负荷保护、防欠电压保护；限速保护； 深度指示器失效保护；闸瓦过磨损保护；松绳保护；信号方向闭锁等。 （4）安全保护有三种状况（轻故障允许一次开车，严重故障，较严重 故障），并实现不同的处理措施： 轻故障允许一次开车，本次运行结束后不维修好，不能再次开车。选用 双套 plc，双 plc 之间既有软件上的联锁，又有硬件上的联锁以及看门狗电路， 对 plc 的运行进行监视，防止由于 plc 死机或者其他意外情况，导致 plc 故障 时

35、能及时监测并参与安全保护。操作台上装有 19液晶触摸屏、指示灯、仪 表、选择开关、按钮、音响设备等，能实现提升机运行的各种控制工艺的要 求，实现静、动态参数及故障参数中文彩屏显示，故障自诊断及查询。 较严重故障实现先减速到 1m/s 后实施安全制动（包括机械深度指示器 失效、松绳保护、编码器位置偏差过大、制动油路故障、闸瓦磨损、主回路 过压、接地或者欠压等）。 16 严重故障实现立即启动安全回路实施安全制动（包括等速过速、限速过 速、包络线超速、爬行段超速、高低压电源故障、过流、变频器故障、错向、 plc 故障、过卷、急停操作、网络通讯故障、2 只测速元件同时损坏、主回路 失压、速度比较错误、

36、残压高、电机温度过高等）。 主控 plc 软件能完成提升机手动、半自动、自动、检修、慢动、紧急控 制开车等运行方式的控制要求。控制与监视提升系统各路电源，满足其控制 功能及各项安全保护。对调速系统行程速度给定的控制，自动减速保护，停 车时自动抱闸停车。与信号系统、控制系统之间的提升信号闭锁，具有完善 的保护功能及远程诊断功能。 辅控 plc 具备电子数字监控器的功能，进行深度值、速度值、限速值等 的指示，依靠与主控系统的联锁。实现过卷、定点限速、全速过速、减速过 速、开车错向、断轴保护等另一套安全保护，并参与系统控制。主/辅控 plc 均安装在操作台台体内，并与监控系统进行网络通讯，各种信号线

37、依靠通讯 电缆完成，实现网络化控制。 2.2.4 现场应用情况及运行效果现场应用情况及运行效果 大阳煤矿提升机变频设备改造工程调试一次成功，变频器已经平稳运行 半年时间。使用变频器后有以下优点： （1）变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系 统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低。 （2）调速方便，连续平滑调节。 （3）实现了低频低压的软起动以及软停止，使运行更加平稳，机械冲 击小，避免了掉道现象。 （4）启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过 1.3 倍 的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，没有大电 流出现，减小了对电网的冲

38、击。 （5）增加了交流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免了“溜沟” 现象。 （6）采用回馈制动技术，成功解决了位能负载再生发电能量处理问题， 保证了变频器的安全运行。 （7）节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到 37%以 上。 （8）采用变频控制后，原绕线式电机可改为普通电机，这不但降低了 成本，普通电机比绕线式电机可节约投资 1/3，并且避免了转子炭刷的烧损 及维护。 17 2.2.5 提升机控制系统分析提升机控制系统分析 我国提升机设备中，普遍采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核 心组成模拟量闭环调节。在继电器控制系统中，支配控制系统工作的“程序” 是由各分立元件

39、（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的， 这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中，控制程序的 修改必须依靠改变接线来实现。继电器控制系统如图 2.1 所示。输入设备(按钮、 行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统送入控制信号。输出设备（接触器、 电磁阀等执行元件）用以控制生产机械以及生产过程中的各种被控对象。 图 2.1 继电器控制系统框图 (1)主提升机是矿井机电设备“四大件”之一，保护与控制系统相对复杂。 (2)主提升机的运行可以划分为“加速等速减速”3 个阶段，其中等速 运行阶段的控制最为简单，加速与减速控制相对复杂，尤其是在减速阶段。(3) 与其他设

40、备电气控制系统的一个显著区别在于：主提升机涉及的控制回路最多， 控制系统内的继电器相应也很多(根据提升机的不同，大约在 3050 个之间)， 各继电器的常开与常闭触点更多(大约在 150200 个之间)，并且各继电器之间， 各触点之间存在了大量的串、并联关系，如与安全回路有关的就有 20 个触点， 任何一个触点的动作都可能影响到安全继电器的吸合。由于触点多，很容易接 错线，所以对线位号应很好的研究。(4)对提升机的控制大体可以分为电控与液 控两大部分(电控主要操作主令手柄，液控主要操作制动手柄)，其中：电控主 要依靠各类继电器与触点进行控制，它大体可以分为主回路、安全回路、调绳 联锁回路、换向

41、回路、调速回路、信号回路、过速保护回路、过卷保护回路、 深度指示仪回路、延时继电器回路等。液控的最终目标是完成对提升机的紧闸 与松闸，其动力来自于液压泵站，但液压泵站油压的大小又与相关电气设备有 关，这些电气元件主要有磁放大器、可调闸自整角机等。 18 2.2.6 提升机交流调速方式提升机交流调速方式 交流电动机包括异步电动机、同步电动机以及开关磁阻电动机。这类电动 机结构简单、坚固耐用、造价较低、运行可靠，特别是笼型异步电动机以及永 磁同步电动机更可免维护。在单机容量、速度极限、供电电压等方面均优于直 流电动机，在国民经济各个领域获得了广泛应用。由于交流电动机是一个多变 量、强耦合、非线性、

42、时变的复杂系统，从原理上看其调速性能不如直流电动 机，但随着电力电子技术、微电子技术、微机控制技术以及电动机控制理论的 发展，使交流电动机调速技术得到了飞速地发展并进入了工业实用。特别是矢 量变换控制以及直接转矩控制技术等高性能交流调速技术的出现，使交流调速 系统性能已能与直流调速相媲美，交流调速传动已变成电力传动的主流技术。 四象限运行的核心是能量从负载向电源的回馈。交直交电压源型变频 器采用大电容滤波，直流环节电压 ua 极性不能改变；若负载电动机作发电运 行，直流环节电流 id 将改变流向，促使能量从负载泵人电容，引起 ud升高。 此时必须采取能量消耗或者回馈电源的措施予以抑制。能耗制动

43、。在直流母线 上并接能耗电阻 r0，及电子开关 vt0，当 ud高于设定值时 vt0 导通，使回馈 能量依靠 r0泄放而使 ud下降，电动机产生制动转矩。由于受能耗电阻温升限 制，该方法只能用于小功率及无需快速制动的场合。 （1）变极对数调速方法 这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对达 到调速目的，绕组有多少种极对数，转速就有多少级。改变定子极对数的办法 有：在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组；在同一套定子绕组，改 变它的联结方法，得到不同的极对数；在定子槽里放上两套极对数不同的独 立绕组，而每套独立绕组本身又可以依靠改变它的联结方法，得到不同的极对 数。特点如下

44、：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高； 接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速； 此调速方法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑 调速特性。 （2）变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。 19 变频调速时可以从基频往下调，也可往上调。变频调速系统主要设备是提供变 频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器以及交流交流变频 器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：效率高，调速过 程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大， 特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维

45、护检修困难。 3、改变转差率调速 改变转差率的方法主要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速以及 串级调速。下面分别介绍。 a 定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获 不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因而最大转矩下降很多，其 调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应 采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕 线式电动机上串联频敏电阻。 调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式 有串联饱以及电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为 最佳。调压调

46、速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程 中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于 100kw 以下的生产机械。 b、转子电路串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在 较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。 绕线式异步电动机 转子串电阻后能够限制启动电流以及提高启动转矩，用逐段切除电阻的方法， 能在一定范围内进行调速。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的 形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。 c、串级调速 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动 机的转差，达到调

47、速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利 用装置，把吸收的转差功率返回电网或者转换为其它能量加以利用。根据转差 20 功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串 级调速形式。应用中多采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的 转差损耗回馈到电网或者生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正 比，投资小，适用于调速范围在额定转速 7090的生产机械上；调速装 置故障时可以切换 至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率由于数偏低， 谐波影响较大。 综上所述， 直流调速的电枢以及励磁是分开的，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

48、，因而在矿井提升系统中得到广 泛应用。电刷是直流电动机的一个重要部件，但在实际应用中，电刷磨损严重， 且在负载工作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易导致电枢两极短路， 危及整个系统的安全。但交流电机不存在电刷损坏的问题，因而也得到广泛应 用，但交流调速性能离直流电机优越的调速性能还有差距。随着电子科技技术 的发展，运用现代控制理论，将直流调速原理应用于交流调速控制系统中，使 交流调速在很大程度上得到发展。 2.3 矿山提升机速度图 提升机自动控制的要求是：严格按照规定的速度图控制提升容器的运行； 在规定的位置上实现准确停车。速度图根据提升机以及容器的形式、任务、绳 速以及井口装备等因素确

49、定。 提升机自动控制的关键是控制减速阶段的速度，一般依靠行程调节器实现。 提升容器自动装卸载的关键是设备的可靠性。我国目前多采用定容斗的装载设 备。自动信号以及保护系统包括水平选择、方向选择、深度指示、速度指示以 及故障信号等，以及超速、限速、限位、闸瓦磨损、松绳、压力监视、深度校 正等保护环节。 提升机速度图是反映在一个运行周期内提升容器运行速度随时间变化规律 的图。依靠速度图可以了解初加速、主加速、等速、主减速、爬行及抱闸停车、 停车休止等各个阶段的运行时间，以及提升容器作上下往返、周期性变化的规 律。 立井罐笼提升机速度图如下图所示： 21 v(m/s) to 1)加速阶段 t1 提升机

50、刚启动，以加速度 a1 进行加速阶段运行，加速度不 得超过 0.75m/s2。 (2)等速运行阶段 t。 罐笼以最大速度等速运行，加速度为零，此阶段的 速度最大不得超过 12m/s。 (3)减速阶段 t3 提升机以减速度 n。进行减速，以实现提升机平稳停车， 减速度不得超过 0.75m/ s2。 (4)爬行阶段 t4 低速爬行阶段，使提升机在停车前有稳定的低速运行阶段， 爬行速度一般取 0.30.5ms。 (5)机械抱闸阶段 t5 机械抱闸使提升机速度降为零。 (6)停车休止阶段口此时提升机停止运行，可以上下人员或者装卸矿车。 2.4 小结 本章主要分析矿山提升机及其电气控制系统，从矿山提升机

51、主要组成部分 及其作用，矿山提升机电气控制系统，矿山提升机速度图几个方面进行具体分 析。 图 2.2 立井罐笼提升机速度图 22 第第 3 3 章章 变频调速系统硬件设计方案变频调速系统硬件设计方案 3.13.1 原控制系统与改造后系统对比原控制系统与改造后系统对比 山矿井提升机采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方案，用交流接触器 进行速度段切换。 目前提升机电控系统存在的不足： （1）挡位调节，调速不连续，运行中机械振动大，矿车冲击大，制动不安全； （2）启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的 2-3 倍，有时会更 大，如果加速快，甚至会引起总开关跳闸； （3）调速时大量的电能

52、消耗在电阻上，不但浪费严重，也导致工作环境的恶劣， 空间噪声大； （4）维修量大，不方便。由于操作时交流接触器频繁动作，易导致触点及线圈 的烧坏，转子更换碳刷频繁； （5）耽误生产。矿井是连续 24 小时工作，生产量大，任务繁重，由于电控系 统设计落后，制造工艺落后，即使是短时间的维修，也会给生产带来损失。 随着交流变频技术的发展以及成熟，变频调速性能的优越性日益显现。以变频 器为核心的调速系统，在交流矿井提升机上也越来越多的被采用，彻底改变了 沿袭几十年的交流绞车转子串电阻分级调速的模式，使提升机获得平稳、安全、 可靠的运行状态。避免严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分 维修的工

53、作量，延长提升机械的使用寿命。采用变频控制的提升机，基本上可 以获得与直流电机相同的调速以及制动性能。 控制系统、提升机数字行程控制等系统采用 plc 以及触摸屏实现控制、监视及 人机通讯。确保提升机电控系统具备先进性、可靠性、经济性、精确性、兼容 性、高效性等功能特点。 为了确保安全可靠，让变频调速系统与原调速系统并存，互为备用，随时可以 切换。 3.23.2 系统改造总体思路系统改造总体思路 1）改造必要性 提升机以绕线式异步电动机转子串电阻（金属或者液体电阻）调速为主。这种 23 串电阻调速方式，利用控制器或者磁力站对串入转子回路中不同阻值的电阻进 行组合，达到调速目的。但缺陷明显，主要

54、反映效率非常低，它以增加转差功 率的消耗来换取转速的降低。转速越慢，效率越低，大部分功率被转换成热能 而消耗掉。采用变频调速方案就能很好地解决这个问题。变频调速是依靠改变 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，所消耗的转差功率都基本不变，因而效率很高，有着明显的 节电效果，且调速的平稳性大大提高。在节能、减少维修、提高产品产量及产 品质量等方面都取得了明显的经济效益，是电机调速的发展方向。 2）改造方案 为满足安全生产，系统改造保留了原有的工频系统，让变频调速系统与原调速 系统并存，互为备用，随时可以切换。如图 1 所示： 图 1 工、变频系统切

55、换控制 高压提升机系统主回为工频电源经过原工频操作的换相器接到变频旁路开关柜 的工频输入端子。k1、k2、k3 为三台高压隔离开关，为了确保不向变频器输出 端反送电，k1、k3 与 k2 采用电磁互锁操动机构，实现电气互锁。k4 为转子侧 双掷开关，变频运行时，k4 切换到变频侧，绕线电机转子线圈经双掷开关 k4 后处于短接状态；工频运行时，k4 切换到工频侧，绕线电机转子线圈经 k4 接 至原调速电阻装置。当 k1、k3 闭合，k2 断开，k4 切换到变频侧，电机变频运 行；当 k1、k3 断开，k2 闭合，k4 切换到工频侧，电机工频运行，此时变频器 从高压中隔离出来，便于检修、维护以及调

56、试。如图 2 所示： 24 图 2 高压提升机系统改造主回路接线图 另外，为了保证安全，变频器高压联跳信号以及上一级的高压断路器也实现互 锁，变频器高压连跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈，变频器出现故障时， 上一级的高压断路器断开，实现高压故障连跳功能。 （1）系统结构 其系统结构见图 3，由移相变压器、功率单元以及控制器组成。具有 30 个功率 单元，每 10 个功率单元串联构成一相，图 3 中给出了系统结构示例。 25 图 3 高压变频调速系统结构图 （2）功率单元电路 每个功率单元结构上完全一致，可以互换。其主电路结构为图 4。三相电依靠 整流桥进行三相全桥方式整流，整流后给储能电容充电

57、，确定母线电压。 依靠 对逆变块 b 中的 igbt 逆变桥进行正弦 pwm 控制实现单相逆变。当电机进入发电 状态后，逆变块 b 中的二极管完成续流外，又起全波整流作用，使能量能够转 移到滤波电容中，结果母线电压升高，达到一定程度后，启动逆变块 a，进行 spwm 逆变，依靠输入电感，返回到移相变压器的次极，依靠变压器将能量回馈 到电网。 图 4 功率单元电路结构 （3）输入侧结构 输入侧由移相变压器给每个单元供电，每个功率单元都承受电机电流、1/10 的 相电压、1/30 的输出功率。10 个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。 功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用

58、延边三角形接法， 26 目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。 本机中移相变压器的副边绕组分为三区，采用 48 脉冲整流方式。这种多级移相 叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接 近 1，输入电流谐波成分低。实测输入电流总谐波成分小于 3%。 （4）输出侧结构 输出侧由每个单元的 u、v 输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，依 靠对每个单元的 pwm 波形进行重组，可得到如图 5 所示的阶梯 pwm 波形。这种 波形正弦度好，dv/dt 小，可减少对电缆以及电机的绝缘损坏，无须输出滤波 器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改

59、造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动。 图 5 变频器输出的相电压阶梯 pwm 波形 系统采用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率，利用了调制信号预畸变技 术，使电压利用率近似于 1。同时系统采用先进的载波移相技术，它的特点是 单元输出的基波相叠加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别 小。多个单元迭加后的理论输出相电压波形如图 6 所示（图中是六单元叠加）。 图 6 6 个单元输出迭加后的波形 （5）控制器 控制器核心由高速 32 位芯片运算来实现，可以保证电机达到最优的运行性能。 人机界面提供友好的全中文监控以及操作界面，同时可以实现远程监控以及网 络化控制

60、。plc 控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作 信号以及状态信号的协调，增强了系统的灵活性。 控制器及各控制单元板中采用先进的单片机等大规模集成电路以及表面焊接技 27 术，系统具有极高的可靠性。此外还有一个 cpu，负责管理 led 显示屏以及键 盘。 另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分以及高压部 分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能， 并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调 试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。 （6） 控制电源 提升机变频调速系统控制电源独立于高压电源的供电体系，在主