矿井提升机电控系统讲座

第一章矿井提升机概述
第一节提升机电力拖动的特点及对拖动控制装置的要求矿井提升机（又称绞车、卷扬机）是矿井生产的关键设备。

提升机电控系统技术性能如何，将直接影响矿井生产的效率及安全。

欲掌握提升机电控系统的原理，首先要了解提升机对电控系统的要求，以及各种电气传动方案的特点。

矿井提升机为往复运动的生产机械，有正向和反向提升，又有正向和反向下放。

对于不同水平的提升，在每次提升循环中，容器的上升或下降的运动距离可能是相同的，也可能是不同的。

在每一提升周期都要经过从起动、加速、等速、减速、爬行到停车的运动过程，因此提升机对电控系统一般有下述一些要求。

1、要求满足四象限运行
设提升机正向提升时，拖动电动机工作在第一象限。

而在减速下放时，如果是正力减速，拖动电动机也工作在第一象限，但如果为负力减速，则拖动电动机就工作在第二象限。

同样当提升机反向提升时，拖动电动机工作在第三象限。

而在减速下放时，如果是正力减速，拖动电动机也工作在第三象限，但如果为负力减速，则拖动电动机就工作在第四象限。

因此，提升机的运行必须能满足四象限运行的要求。

2、必须平滑调节速度且有精度较高的调节精度
提升工艺要求电控系统须能满足运送物料(达到额定速度)、运送人员(可能要求低于额定速度)、运送炸药(2m／s)、检查运行(0.3～1.0m／s)和低速爬行(0.1～0.5m／s)等各种要求，所以要求提升机电控系统必须能平滑连续调节运行速度。

对于调速精度，为了在不同负载下的减速段的距离误差尽可能地小，要求提升机的静差率ｓ越小越好(一般在高速下ｓ＜１％)。

这样可以使爬行段距离尽可能设计得小，来减少低速爬行段的时间，从而缩短提升周期，获得较大的提升能力。

3、要求设置准确可靠的速度给定装置
提升工艺要求电控系统的加减速度平稳。

根据安全规程，对矿井提升机的加、减速度都有一定的限制。

对竖井来说，提物时加减速度小于1.2m/s2；提人时加减速度小于0.7m/s2；对斜井，提人时加减速度小于0.5m/s2。

限制加速度的目的其一是为了减少人对加减速度的不适反应程度，其二是降低提升机加速时的电流冲击，提高提升设备的使用寿命。

实际上矿井提升机系统是一个位置控制系统，提升容器在井筒中的什么位置该加速、等速、减速、爬行都有一定的要求。

也就是说，必须根据提升容器在井筒中的位置确定给定的
速度，这就是按行程原则产生速度给定信号。

４、要求设置行程显示与行程控制器
为了便于提升机司机操作与控制，电控系统应设置可靠的提升容器在井筒中的位置显示装置(俗称深度指示器)。

老的深度显示常采用牌坊指针式或圆盘指针式深度显示装置；新的深度显示则采用数字显示。

因此，要求提升机电控系统应设置有可靠的位置检测环节，能准确地检测出提升容器在井筒中与减速点开始、爬行、停车及过卷相对应的位置，以便控制提升机能可靠地减速、爬行、停车。

为了可靠起见，通常一个位置要设置多只行程开关，以实现冗余控制。

5、要求设置完善的故障监视装置
提升机对其电控系统的可靠性要求很高。

这是因为提升机一旦出现故障，轻则影响生产，重则危及人员生命。

电控装置的高可靠性表现在两个方面：一是电控系统质量好，故障少；二是出现故障后应能根据故障性质及时进行保护，并能对故障内容进行记忆和显示，以便能迅速排除故障。

通常提升机故障监视内容少则几十项，多则百余项。

6、要设置可靠的可调闸控制系统
可调闸是一套电气控制的液压调节机械闸系统，是提升安全运行的最后一道保护措施，因此要求闸系统的控制必须安全可靠。

可调闸系统的控制通常分为工作制动（常称工作闸，由司机的制动手柄控制）和安全制动（常称为安全闸，由安全回路的继电器或PLC等逻辑控制）。

工作制动是在手动操作或在自动操作方式下作为正常停车或定车手段。

而安全制动是在系统出现故障时，使运行状态下的提升机快速减速停车、静止状态下不能松闸。

安全制动又分为一级制动和二级制动。

当提升容器在井筒中而离停车点较远时，若系统出现故障需要紧急制动时应采用二级制动。

所谓二级制动，就是制动转矩不是一次全部加到闸盘上，而是分两次，使紧急制动时的减速度比较小，减速度较缓，对机械设备的损伤小，容器在紧急制动后要滑行一段距离才停下来。

当提升容器在井筒中离停车点较近时，紧急制动时应采用一级制动。

一级制动时制动转矩大、在紧急制动时滑行距离短。

目前在先进的提升机上都装备有制动力可调的安全制动装置。

第二节提升机的电力拖动方案
按提升机对电控系统的要求，常用的提升机电力拖动控制方案有以下几种。

1、绕线型异步电动机转子回路串电阻提升系统
在这种方案中，绕线型异步电动机转子回路串联附加电阻，利用控制器或磁力站对附加
电阻进行不同的组合，改变其大小，达到调速目的。

根据提升机调速性能的不同要求，常用电阻组合有五级、八级和十级等。

级数越多，调速越平滑，但仍属于有级调速方式。

该方案在加速阶段和低速运行时，大部分能量（转差能量）以热能的形式消耗在转子附加电阻上，系统运行效率低。

在负力减速时，一般采用动力制动或低频制动，需要设置辅助电源和定子绕组的二次切换操作。

由于受交流接触器容量的限制，目前单机运行功率不超过1000kW，双机不超过2000kW。

这种方案的优点是它的结构简单、维护容易、操作方便，是目前我国中小型矿井的主流提升设备。

2、双机拖动提升系统
双机拖动是将两台同容量或不同容量的电动机通过一定的刚性连接方式，用两台电动机共同拖动一台提升机。

与单机拖动相比，其优点是双机拖动可以扩大电动机的使用容量，减小电力拖动系统的转动惯量；可以根据负载情况，确定单机或双机的投入，以提高效率，增加系统可靠件；通过合理调节两机的工作状态，可以得到比单机更加平滑的加减速调节、良好的减速和爬行运行特性。

缺点是控制设备多、复杂，维护量大。

3、发电机－电动机（G－M）直流拖动可逆提升系统
G－M（原称F－D）直流拖动可逆提升系统是指由直流发电机G为直流电动机M提供幅值、极性可变的直流电源。

直流电动机为它励方式，励磁电流恒定，通过改变直流发电机输出电压来改变直流电动机的转速。

直流发电机由交流同步电动机拖动，通过改变直流发电机励磁电流大小改变输出电压，直流发电机的励磁电流是通过改变电机扩大机的励磁实现控制和调节的。

这种方案的优点是可实现无级调速，电动状态与制动状态的切换是快速平滑的，能较好地满足四象限平滑调速的要求，通常采用速度闭环控制调速精度也比较高，无功冲击小，功率因数高，而且还可向电网提供超前无功功率，以改善电网的功率因数。

这种方案在20世纪80年代以前的大中型矿井提升机系统中得到较好的应用。

缺点是运行效率较低，因为功率变换的效率是同步电动机和直流发电动机两台电动机效率的乘积，通常变流机组的效率只有0.8左右(考虑直流发电动机组平时不停机)；占地面积大；噪声大；维护工作量大；耗费金属量大等。

因此，目前这种传动形式的矿井提升系统中已被晶闸管－电动机（V－M）直流提升系统所取代。

4、晶闸管－电动机（V－M）直流拖动可逆提升系统
晶闸管－电动机（V－M）直流拖动可逆提升系统用静止的晶闸管整流器取代旋转变流
器（发电动机组）为直流电动机供电，其效率、控制精度、运行特性及可靠性等均比G －D 系统大为提高，从20世纪80年代起就成为直流拖动提升机的主要方式。

受电动机换向器和晶闸管变流器容量的限制，电动机的容量通常在4000kW 以下。

但当拖动容量大于1000kW 和提升速度达10m/s 以上时，根据我国的运行经验，一般考虑直流拖动。

5、交－交变频交流拖动可逆提升系统
由于电力电子器件和微电子技术的发展，70年代的研究成果为交流电动机交－交变频调速系统奠定了理论基础，80年代开始在矿井提升机上使用，特别是近年来交－交变频器－低速同步电动机调速在矿井提升系统中得到了较为普遍的应用，而且实现了多微机全数字控制，这种方案控制性能优良、运行效率高、单机容量大、体积小、系统惯量小和维护工作量少，已成为低速大容量矿井提升机传动的首选设备，目前单机传动功率已经达到5000～8000KW 。

在这种系统中通常采用的是将同步电动机转子外装，与摩擦式提升机的滚筒融合为一体，形成具有体积更小、重量更轻的机电一体化方案，可以明显地降低投资成本。

但系统复杂，用到的新技术、新器件多，对运行现场的管理和维护技术人员的技术水平要求较高。

第二章 提升机直流调速电力拖动与控制
直流拖动在矿井提升中得到了广泛的应用，主要有直流发动机－直流电动机系统（简称G －M ）系统和晶闸管变流器－直流电动机系统（简称V －M 系统）两种类型，前者已逐渐被淘汰，因此本节仅以V －M 提升系统为例作介绍。

第一节 直流电动机调速原理
一、他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性是指在励磁电流f I (或磁通Φ)保持一定（通常为额定值）的情况下，电动机的电枢电压d U 、转速n 与转矩T （或电枢电流a I ）之间的关系。

由《电动机学》可知，直流电动机稳定运行时的基本方程为：
电压方程 n C R I E R I U e a d a d d Φ+=+=
反电势方程
n C E e Φ= 转矩方程 d M I C T Φ=
运动方程 T n T C C R C U C R I U n M e a e d e a d d β-=Φ
-Φ=Φ-=02 （机械特性）
式中
n －转速；0n －理想空载转速；β－机械特性的斜率；d U －电枢电压；
d I －电枢电流；a R －电枢回路总电阻；
e C －电动势常数；Φ－电动机每级磁通； M C －转矩常数；T －电磁转矩，E －反电势。

当电动机在额定参数下工作时，直流电动机稳定运行时的基本方程可以表示为
其机械特性称为固有机械特性。

如图1所示。

图1 他励直流电动机固有机械特性
二、调速方法
从上式可以看出，当改变电枢电压d U 、电枢回路电阻a R 和励磁磁通Φ时，都可以改变电动机的转速，因此直流电动机的调速通常有以下三种方法，即改变电枢电压d U 调速、改变电枢回路电阻a R 调速和改变磁通Φ调速，而此时得到的机械特性称为人工机械特性。

对于矿井直流提升系统，通常采用改变电枢电压d U 的调速方法。

第二节 V －M 直流拖动基本方案
不论是交流还是直流提升，都要求提升机能在四象限运行。

由上式可知，要改变直流电动机电磁转矩的大小，通常采用调节电枢电流的方案；那么要改变直流电动机转矩的极性，可采用改变电枢电流的极性或者改变直流他励电动机励磁电流的极性(即励磁磁通的极性)。

目前矿井直流提升常用的方案基本上为磁场换向可逆逻辑无环流系统。

在磁场换向系统中，电枢回路采用一套整流装置，而励磁回路则采用两套整流装置反并联连接，其主电路结构如图图2所示。

图2 磁场换向V －M 直流拖动系统主回路接线图
电动机转矩极性的改变是靠改变励磁电流的的极性实现的，如变流器1V 工作时2V 关闭为正向提升运行，反之即为反向运行。

此外，在换向过程中，励磁电流由额定值下降到零时，如电枢电流依然存在，电动机将产生“飞车”现象。

为了避免这种情况，通常在励磁电流下降到接近于零时，控制电枢电流也为零。

电动机励磁回路的负载是大电感，时间常数大，电流的建立较慢，所以较之电枢换向系统快速性稍差。

但矿井提升机对快速性的要求不是太高，也就是说并不要求转矩变化太快。

因为急剧的转矩变化会造成过大的机械冲击，而且由于钢丝绳的弹性连接往往会引起剧烈振
荡。

当然，转矩的变化也不可太慢，否则会由于位能负载的作用造成提升机失控下坠，比较合适的转矩反向时间约在0.6～1.2s之间。

为了满足这一要求，常采用“强迫励磁”的方法，即在建立磁场或反向过程中加3～5倍的励磁电压。

由于磁场换向电枢回路用一套变流装置，虽然励磁回路用两套，但由于励磁功率通常只占电动机额定功率的3%～5%，显然磁场换向所需变流装置的容量要小得多，考虑到经济上的这一优越性，目前这种方案在大容量矿井提升机直流电力拖动中得到广泛应用。

一、磁场换向的V－M直流电力拖动机械特性和运转状态
1、系统机械特性
系统开环机械特性和运转状态如图3所示。

图3 磁场换向的V－M系统开环机械特性及运转状态
２、运转状态
提升机正向提升时，电枢变流器1V工作在整流状态，α＜90°。

磁场变流器2V工作在整流状态，设励磁电流I f为正向，且为额定励磁电流。

在四象限运行中，电枢电流的极性始终保持不变，电动机的转矩极性由励磁电流的极性决定。

因I f为正向，所以电动机转矩极性为正向，电动机工作在正向电动状态。

改变1V的控制角α就可以调节电枢电压U d的大小，从而达到调压调速的目的。

在此运行状态，U d＞E d，能量是从交流电网经1V供给电动机的，运行状态与电枢换向系统相同。

若电动机工作在负力减速或下放重物，关闭2V，使变流器3V工作在整流状态，I f反向。

因转速方向不变，则电动机的反电势E d反向，让1V 工作在逆变状态，且使U d＜E d，由于I f已反向，电动机的转矩极性反向，电动机工作在正向发电制动状态，电能由电动机经1V(逆变成交流电)回馈交流电网。

反向电动和反向制动状态的分析与上述类似。

由于电枢电流I d方向不变，转矩的反向过程取决于励磁电流I f的反向过程。

而励磁回路的电磁惯性时间常数很大，一般达到2s以上，所以转矩的换向时间较电枢换向长。

为了加快转矩的换向过程，通常在磁场换向系统中采取“强迫励磁”，将磁场反向时间缩短到0.6～
1.2s。

二、直流提升机对调速系统的控制要求及调速指标
提升机对自动调速系统提出控制性能的要求一般包括静态调速指标和动态调速指标。

静态调速指标，要求自动调速系统能在最高转速(一般指额定转速)和最低转速的范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定。

动态调速指标要求系统起动、制动快速而平稳；稳态运行时，对负载变化、电源电压波动等干扰因素要有较强的抵抗能力，即通常所
说的抗干扰能力强。

调速系统的静态品质好坏，可用下述的两个指标衡量：
1、调速范围
电动机在额定负载时提供的最高转速n max与最低转速n min之比称调速范围，表示为
对于直流拖动系统，电动机的最高转速n max就是电动机的额定转速n dN。

2、静差率
调速系统的静差率是指电动机在稳定工作时，负载由零增至额定值时，对应的静态速降Δn dN与理想空载转速n0之比：
在设计时，要求的静差率是指低速运行时的静差率。

D、s与Δn dN之间的关系可表示为
式中n dN－电动机额定转速，r／min；
s－额定负载时，对应最低转速的静差率；
Δn dN－额定负载时的静态速降，r／min。

矿井提升机的等速度一般为6～12m／s，爬行速度一般为0.3～0.5m／s，因此调速范围D＝12～40。

爬行阶段一般要求的静差率为s＝0.1～0.5。

调速系统的动态品质一般用上升时间、超调量、调节时间等动态指标来衡量。

为了使系统具有优良的静动态品质，设计时考虑系统的闭环控制，通过确当地选择调节器的形式和参数来满足静动态品质要求。

第三节基本知识简介
一、PN结与电力二极管的工作原理
图4为电力二极管的外形、结构和电气图形符号。

图4 电力二极管的外形、结构和电气图形符号
a) 外形b) 结构c) 电气图形符号
它是以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线及封装组成，外形上看，主要有螺栓型和平板型两种封装，基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样。

具有单向导电和不可控制的特点。

二、晶闸管的结构与工作原理
图5为晶闸管外形、结构和电气图形符号。

图5 晶闸管外形、结构和电气图形符号
a)外形b)结构c)电气图形符号
图6 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理
a) 双晶体管模型 b 工作原理)
图7 晶闸管的伏安特性
特点：
● 承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通。

● 承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通。

● 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用。

● 要使晶闸管关断，只能使晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下 。

三、单相桥式全控整流电路
1、电阻性负载 电路及波形如图8所示。

图8 单相全控桥式带电阻负载时的电路及波形
2、阻感负载 图9 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形
图9 单相全控桥带阻感负载时的电路及波形
特点：
● 晶闸管移相范围为90︒。

● 晶闸管承受的最大正反向电压均为峰值。

● 晶闸管导通角θ与α无关，均为180︒，平均值和有效值分别为：
d dT 21I I = 和 d d T 707.02
1I I I == ● 变压器二次侧电流 i 2 的波形为正负各180︒的矩形波，其相位由α角决定，有效
I 2 = I d 。

3、反电动势-电阻、电感负载：如图10所示。

图10 单相桥式全控整流电路接反电动势-电阻、电感负载时的电路及波形
|u 2| > E 时，晶闸管承受正电压，才有导通的可能。

导通之后直至 | u 2| = E ，i d 即降至 0 使得晶闸管关断，此后 u d = E 与电阻负载时相比，晶闸管提前了电角度δ 停止导电，δ 称为停止导电角。

在 α 角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。

从波形上可见：
● 电流续断--i d 波形在一周期内有部分时间为 0 的情况；
● 电流连续--i d 波形在一周期内不出现为 0 的情况；
● 当α﹤δ时，触发脉冲到来时，晶闸管承受负电压，不能导通。

为使晶闸管可靠导通，触发脉冲需足够的宽度，保证当ωt = δ时，晶闸管承受正电压，触发脉冲仍然存在，相当于触发角被推迟为δ，即a =δ。

●负载为直流电动机时，如果出现电流断续则电动机的机械特性将很软。

●为了克服此缺点，一般在主电路中直流输出侧串联一个平波电抗器，用来减少电流的脉动和延长晶闸管导通的时间。

只要电感量足够大，就可以满足导通角θ=180°，输出电流连续平直，从而改善整流装置及电动机的工作条件。

在这种条件下，整流电压u d和负载电流i d波形与电感性负载电流连续时相同，u d的计算公式亦一样。

波形如图11所示。

图11 单相桥式全控整流电路带反电动势负载串平波电抗器，电流连续的临界情况四、三相半波可控整流电路
●交流测由三相电源供电。

●负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时用。

●基本的是三相半波可控整流电路，三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路、十二脉波可控整流电路等，均可在此基础上进行分析。

1、电阻性负载
三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及α=0︒时的波形如图12所示。

图12 三相半波可控整流电路共阴极接法电阻负载时的电路及α=0︒时的波形电路的特点：
●变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免3次谐波流入电网。

●三个晶闸管分别接入a、b、c三相电源，其阴极连接在一起为共阴极接法。

自然换相点：
假设将电路中的晶闸管换作二极管，用VD表示，成为三相半波不可控整流电路。

一周期中
●在ωt1~ωt2期间，VD1导通，u d=u a
●在ωt2~ωt3期间，VD2导通，u d=u b
●在ωt3~ωt4期间，VD3导通，u d=u c
α=0︒时的工作原理分析：
变压器二次侧a相绕组和晶闸管VT1的电流波形，变压器二次绕组电流有直流分量。

晶闸管的电压波形，由3段组成：
●第1段，VT1导通期间，为一管压降，可近似为u T1=0
●第2段，在VT1关断后，VT2导通期间，u T1=u a-u b=u ab，为一段线电压。

●第3段，在VT3导通期间，u T1=u a-u c=u ac为另一段线电压。

二极管换相时刻定义为自然换相点，是各相晶闸管能触发导通的最早时刻，将其作为计算各晶闸管触发角α的起点，即α=0︒。

图13 α=30︒时的波形
α=30︒时的波形负载电流处于连续和断续之间的临界状态，各相仍导电60°。

图14 α>30°（60°）的情况
α> 30︒的情况负载电流断续，晶闸管导通角小于120︒，电流不连续。

2、阻感负载
特点：阻感负载，L值很大，i d波形基本平直。

●α≤30︒时，整流电压波形与电阻负载时相同。

●α>30︒时，u2过零时，VT1不关断，直到VT2的脉冲到来，才换流，由VT2导通向负载供电，同时向VT1施加反压使其关断—u d波形中出现负的部分。

●i d波形有一定的脉动，但为简化分析及定量计算，可将i d近似为一条水平线。

●阻感负载时的移相范围为90︒。

如图15所示。

图15 三相半波可控整流电路，阻感负载时的电路及α=60︒时的波形
五、三相桥式全控整流电路
三相桥是应用最为广泛的整流电路，如图16所示。

图16 三相桥式全控整流电路原理图
共阴极组：阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）
共阳极组：阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）
导通顺序：VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6
自然换向时，每时刻导通的两个晶闸管分别对应阳极所接交流电压值最高的一个和阴极所接交流电压值最低的一个。

1、电阻负载
●假设将电路中的晶闸管换作二极管，相当于晶闸管触发角a =0°时。

●共阴极组的3个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。

●共阳极组的3个晶闸管，阴极所接交流电压值最低的一个导通。

●任意时刻共阳极组和共阴极组中各有一个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的电压为某一线电压。

图17 三相桥式全控整流电路带电阻负载α = 0°时的波形
晶闸管及输出整流电压的情况如表1所示
6个晶闸管导通顺序VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6。

表1 三相桥式全控整流电路电阻负载α = 0°时晶闸管工作情况
三相桥式全控整流电路的特点
（1）2个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1个，且不能为同1相器件。

（2）对触发脉冲的要求：
●按VT1－VT2－VT3－VT4－VT5－VT6的顺序导通，相位依次差60︒。

●共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120︒。

●共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120︒。

●同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180︒。

（3）u d一周期脉动6次，每次脉动的波形都一样，故该电路为6脉波整流电路。

（4）需保证同时导通的2个晶闸管均有脉冲。

可采用两种方法：宽脉冲触发或双脉冲触发（常用）。

（5）晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。

晶闸管一周期中有120°处于通态，240°处于断态，由于负载为电阻，故晶闸管处于通态时的电流波形与相应时段的U d波形相同。

图18 三相桥式全控整流电路带电阻负载α = 30°时的波形每一段导通晶闸管的编号仍符合表1的规律
区别在于：晶闸管起始导通时刻推迟了30°，组成u d的每一段线电压因此推迟30°，u d 平均值降低。