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。