第2章 矿井提升机直流全数字传动理论分析

2 矿井提升机直流全数字传动理论分析2.1 矿井提升机电气传动装置2.1.1 概述矿井提升机是矿井的关键设备之一。

作为井上与井下的唯一输送通道，是矿井的咽喉部位。

不难想象，矿井提升机运行性能的优劣，不仅直接影响到矿山的正常生产与产品产量，而且还与设备及人身安全密切相关。

矿井提升机种类繁多，按照井道结构，有立井与斜井之分；按照拖动电动机，有交流拖动与直流拖动提升机；按容器功能，则有箕斗与罐笼，箕斗又分为单箕斗和双箕斗，罐笼也有单罐笼和双罐笼，还有单层罐笼和双层罐笼之区别。

按钢丝绳结构方式，则有单绳圆柱滚筒提升机和多绳摩擦轮提升机，按照速度图形式，则有三阶段，五阶段和六阶段速度的提升机。

在1894年AEG公司曾为西格兰德矿井提供了第一套配有直流发电机-电动机系统的矿井提升机，直到1965年，世界各地要求较高或容量较大的矿井提升机都一直沿用这类系统。

此后，由于电力半导体技术的发展。

特别是晶闸管的出现，对要求较高或多水平开采的矿井，其提升机几乎都采用了晶闸管变流装置供电的直流传动系统。

以交流电动机组成的交流传动系统，亦大量地应用于提升机。

但就我国目前情况看，国产的交流传动矿井提升机大部分仍采用较老的控制方式，它是在绕线转子异步电动机的转子回路，串入多级电阻(也有用水电组的),逐渐切除电阻,实现分级调速;减速制动多采用能耗制动的方式；至于停车前的爬行段,常需另外增加一套附加装置,它可以是小容量异步电动机或低频(5Hz)电源。

不过，这类系统的控制性能均不够理想，而且消耗大量的电能，从节能的观点出发，是不利的。

这类系统一般仅用于容量不大，控制要求不高的单水平矿井提升机。

从技术发展的角度看，由于电力半导体器件及微电子技术的发展，近年来变频调速技术迅速发展，使它有可能应用到提升机。

国外已将交-交变频调速系统用于矿井提升机，我国也已引进这方面的技术，可望在短期内有较快的发展，但目前主要还是成本偏高，故在复杂的要求较高的多水平大容量的提升机中，占主导地位的仍属于直流传动系统。

2.1.2 提升机传动系统a.直流发电机-电动机传动方式这是多年来具有代表性的传动方式，控制直流发电机的励磁，实现电动机变电枢电压调速，均匀的调节励磁电流和极性，可以方便地实现转速无级调节和四象限运行。

目前几乎已完全为电力半导体静止变流装置所代替。

b.晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置，可组成可逆系统，实现四象限运行，其机械特性，与上述变流机组供电系统基本相同，当电动机励磁电流恒定时，基于晶闸管的单项导电性，如实现四象限运行，必须采用两组反向联接的变流装置，一般多为直接反并联或交叉联接的两组三相全控桥。

容量较大的提升机，可采用励磁可逆方案，这时，主回路大功率交流装置只用一组。

励磁容量一般较小，不超过电动机容量的10%。

因此，励磁虽然多了一组变流装置，但因容量较小，造价低，故使投资减少。

但其快速性远比电枢可逆的差。

不过，由于矿井提升机对快速性要求不是很高的，一般要求提升机由正向最大转矩变化到反向最大转矩的时间约为0.6～1s，变化过快，反而不利，容易引起钢丝绳打滑或产生强烈的机械冲击。

这时，为抑制电磁惯性的影响，采用3～5倍强励予以补偿。

至于电枢可逆还是励磁可逆的容量分界线，并无严格规定。

根据“8～8370KW直流半导体电力传动系列装置”联合设计所采用的整流柜，每柜由24只2500V 500A晶闸管组成，连成四并全控桥能供给800～1000KW的电动机。

故其容量一般可这样划分，即在容量小于1000KW的采用电枢不可逆励磁可逆的方案。

这类系统的优点是：动作快、效率高、节能、维护工作量小。

其主要缺点是功率因数低以及变流装置产生校多的高次谐波和波形畸变，对其他用电设备造成干扰。

晶闸管变流装置供电的直流提升机自动调速系统，一般均采用以电枢电流反馈为内环和速度反馈为外环的双闭环调节系统。

当励磁电流电压向负变换时，电枢电流也随之变化，且同时过零，因此转矩变化也是同时过零的。

实际上，由于电枢电流调节很快，所以往往是电枢电流先降到零，随之又回升，这时励磁电流尚未过零，因此将出现转矩的回升现象，同时引起电枢电流冲击。

为避免转矩回升，可在电枢电流调节器之前增加一控制单元，它使电枢电流超前与励磁电流降到零之后，封锁电枢电流，直到励磁电流已反向建立到某一数值后，解除对电枢电流封锁，建立了正确方向的转矩，避免换向过程电流冲击和转矩回升现象。

但在封锁期间，由于没有转矩输出，造成失控死区，使系统不能平滑过渡。

但由于系统惯性较大，只要参数调整适合，不会影响提升机的正常运行。

2.2直流传动系统的调速方案2.2.1直流电动机调速的分类与技术指标a.恒转矩调速 有很大一部分工作机械，其负载性质属于恒转矩类型，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩为常数。

如果选择的调速方法能使I T ∝=常数，则在恒转矩负载下，电机不论在高速和低速下运行，其发热情况始终是一样的。

这就使电动机容量能被合理而充分地利用。

这种调速方法称为恒转矩调速方法。

例如，当磁通一定时调节电枢电压或电枢回路电阻的方法，就属于恒转矩调速方法。

b.恒功率调速 具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率L P 常数，负载转矩I T ∝。

这时，如仍采用上述恒转矩调速方法，使调速过程保持n L a T 1=，则在不同转速时，电动机电流将不同，并在低速时电机将会过载。

因此，要保持调速过程电流恒定，应使I P ∝，这种调速方法就是恒功率调速。

对于直流电动机，当电枢电压一定时减弱磁通的调速方法就属于这种类型。

用恒功率调速方法去带动恒转矩性质的负载也不是合理的，在高速时电机也将会过载。

因此，对恒功率负载，应尽量采用恒功率调速方法。

这样，电机容量才会得到充分的利用。

2.2.2 直流调速系统的方案选择直流电动机的机械特性方程式为：式中：U ――加在电枢回路上的电压；R ――电动机电枢电路总电阻；φ――电动机磁通；C e ―― 电动势常数；C T ―― 转矩常数。

此公式也是直流电动机的调速公式，改变加在电动机电枢回路的电阻R 、外加电压U 及磁通φ中的任何一个参数，就可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。

对提升机一般选用调压调速。

当改变电枢电压时，理想空载转速n 0也将改变，而机械特性的斜率不变，此时机械特性方程为:T K n T C C R C U n m T e e -=Φ-Φ='02' (2－2) 其特性曲线是一族以U 为参数的平行直线。

由此可知，在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化率范围内可以获得较低的稳定转速，故此种方法的调速范围较宽，一般可达10～12。

如采用各种反馈或稳速控制系统，调速范围可达几百至几千。

改变电枢电压调速方式属于恒转矩调速，并在空载或负载转矩时也能得到稳定转速，通过电压正反向变化，使电机能平滑的启动和工作在四个象限，能实现回馈制动，而且控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因此在工业中得到广泛采用。

改变电动机的电枢电压，需要有独立的可变电压的电源，一般采用的有直流发电机、电机扩大机、磁放大器、整流器等。

2.2.3 12相晶闸管供电可逆传动系统采用双变流器组成12相整流线路的传动系统。

对于供电给大容量直流电动机的可控整流装置,为了减轻对电网的干扰,特别是减少高次谐波分量,可以将两组三相整流桥进行串联或并联,组成12相整流线路对电动机供电，一般采用并联方案。

用一台三绕组变压器，一次绕阻接成三角形或星形；二次绕组中的一个接成星形，另一个接成三角形，则此两绕组相位差30度。

两个二次绕组分别供电给两个三相整流桥，此两个整流电路的输出，通过平衡电抗器进行并联后向直流电动机供电。

为了使两组整流桥的输出电压相等，三角形连接的变压器绕组相电压应比星形连接的饶组相电压大3倍。

对于多台直流电动机传动的场合，为减少高次谐波对电网的影响，每台电动机可采用三相整流电路，但每台变压器的一次绕组可采用三角形或星形联结并采用移相变压器，已形成对电网大于6相脉动的负载电流。

对于电动机容量较大，电网容量相对较小，而又要经常工作在低速的系统，变流装置经常要运行在深控场合，即控制角大，直流电压低，相应的功率因数将变得很低。

此时，可采用两组可控整流装置串联不对称控制的方法。

为了降低低速运行时的无功功率，对两套整流装置采用不对称控制，其原理是将一组整流器的控制角固定在最大或最小，先控制另一组的相位，带接近极限控制角后再控制原来被固定控制角的那一组的相位。

因为两组变流器是并联的，所以在启动与电流断续时，所有应导通的晶闸管应在同一个时间触发，故最好采用宽脉冲触发形式。

2.3直流传动全数字电控系统概述矿井直流提升机全数字电控系统有如下特点：1)硬件结构简单，故障点少，可靠性高全数字调速电控系统的硬件电路均采用大规模和超大规模集成电路，元器件少，结构简单，故障点少，可靠性高；模拟调速电控系统的硬件电路则以分立元件为主，元器件多，线路复杂，故障点多，可靠性差。

2)可控精度高，工作稳定性好全数字调速电控系统设有微处理器，整个控制功能与调速算法均由软件完成，控制参数一经确定，就不会发生改变，所以控制精度高，工作稳定性好；而模拟调速电控系统的控制功能与调速算法均由硬件实现，控制参数离散性大，控制精度低，工作稳定性差。

3)容易实现先进的控制算法随着控制对象的多样化和复杂化，传统的PID控制算法愈来愈没满足不了控制对象的要求，某些控制对象必须要求采用先进的控制算法如自适应控制、模糊控制、智能控制等才能达到控制精度，而这些先进的控制算法只有全数字调速电控系统才能实现，这是模拟调速电控系统望尘莫及的，模拟系统只能完成一些诸如PID的简单控制算法。

4)故障自诊断能力强，大大降低使用维护成本全数字调速电控系统中，硬件工作状态可以通过软件来反映，软件运行情况也可以通过硬件来监视，这样硬、软件故障可以通过指示直接反映出来，维护方便，模拟调速系统线路复杂，一旦发生故障，很难查找，维护极为不便。

5)具有较高的可构置性，扩展方便，运行灵活性高全数字电控系统硬件采用以总线联系的模块化结构，控制算法和系统控制采用软件完成，具有较高的可构置性，在系统设计投入运行以后，随着科学技术的发展和系统要求的提高，可以进行功能扩展，具有较高的运行灵活性；而模拟电控系统一经设计完成，就无法进行功能扩展，具有功能单一，运行灵活性差的特点。

6)可与其它系统联网，实现现代化管理全数字调速电控系统容易实现数字通讯，并与其它系统联网，它可将系统中的运行参数、运行状态传递到网络上，便于实现现代化管理，而模拟调速电控系统就很难实现联网功能。

7)性能价格比高一方面，随着电子技术的发展，集成器件的成本越来越低，这样全数字调速电控系统的成本将越来越低；另一方面，全数字调速电控系统技术先进、可靠性高、功能强大，因此具有很高的性能价格比。