礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的研究

黃偉

摘 要 文章在分析礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求的基礎(chǔ)上，提出了基于淮北礦業(yè)下屬的童亭煤礦的提升機(jī)控制系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

關(guān)鍵詞 提升機(jī)；優(yōu)化；矢量控制

中圖分類號(hào)：TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0151-02

Research of the design of optimizing mine hoist control system

Huang Wei

（HaiZi Coal Mine，HuaiBei Mining Group Corporation，huaibei 235146，china）

Abstract： Based on the analysis of mine hoist on the basis of the requirement of electric control system， presented on the basis of huaibei mining subsidiary TongTing coal mine hoist control system of optimizing design scheme， and gives the system structure.

Key words： Hoist；Optimize；Vector control

礦井提升機(jī)作為一個(gè)大型的機(jī)械-電氣機(jī)組，以多繩摩擦式提升機(jī)為例，提升機(jī)的主要組成有：工作機(jī)構(gòu)（包括主軸裝置及主軸承）、制動(dòng)系統(tǒng)（包括制動(dòng)器和制動(dòng)器控制裝置）、機(jī)械傳動(dòng)裝置（包括減速器、離合器和聯(lián)軸器）、潤(rùn)滑系統(tǒng)（包括潤(rùn)滑油泵站和管路）、檢測(cè)及操縱系統(tǒng)（包括操縱臺(tái)、深度指示器及傳動(dòng)裝置和測(cè)速發(fā)電裝置）、礦山機(jī)械設(shè)備拖動(dòng)、控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（包括主電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)）以及輔助部分（包括機(jī)座、機(jī)架、護(hù)罩、導(dǎo)向輪裝置和車槽裝置）等。

本課題的研究對(duì)象為煤礦主礦井交流提升系統(tǒng)，項(xiàng)目來(lái)源于淮北礦業(yè)下屬的童亭煤礦的提升機(jī)系統(tǒng)改造，目標(biāo)是通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)、礦井提升機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)提高提升機(jī)的自動(dòng)化控制水平以及各種安全保護(hù)的目的。從而使礦井提升機(jī)的效能得到提高，更加安全可靠。

1 礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求

為滿足有關(guān)規(guī)程規(guī)定對(duì)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的要求，本文根據(jù)礦井提升機(jī)的工藝過(guò)程和特點(diǎn)，首先分析礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。

1.1 要求電機(jī)滿足四象限運(yùn)行

提升機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)給定速度V=f（t），根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程：

式中：

Te為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)力矩（N×m）；

Tl為提升系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩（N×m）；

GD2為提升系統(tǒng)得飛輪轉(zhuǎn)矩kg×m2，GD2=4gJ（J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，g為重力加速度）；

Td為提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（N×m）；；

根據(jù)給定速度的轉(zhuǎn)矩Te=f（t）的特性，可以得到提升機(jī)調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)所需要的力F=f（t）。

提升機(jī)滾筒承受的靜張力差取決于負(fù)載靜力Fl，靜力Fl在雙容器平衡提升系統(tǒng)就是提升物體的凈載重。當(dāng)電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，為了讓重的提升容器靜止，對(duì)滾筒必須施加機(jī)械閘。

加速轉(zhuǎn)矩Td決定了電動(dòng)力FD，當(dāng)提升機(jī)能夠根據(jù)給定速度運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)D可能為正，也可能為負(fù)。這表明，電動(dòng)機(jī)不僅會(huì)工作在電動(dòng)狀態(tài)，也會(huì)工作在制動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)提升機(jī)不同的負(fù)載。也會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)行階段，致使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)有所不同。

綜上所述，為了使提升機(jī)能夠按給定速度運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)必須可以根據(jù)負(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)的電動(dòng)或制動(dòng)工作狀態(tài)，也就是要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足四象限運(yùn)行。

1.2 調(diào)速平滑和精度要求

主礦井提升機(jī)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)得平滑調(diào)速和調(diào)速精度有很高的要求。在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)必須滿足諸如運(yùn)送物料（達(dá)到額定速度）、運(yùn)送人員（低于額定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和檢查運(yùn)行（0.3～1.0 m/s）等各種要求，因此，平滑調(diào)速是提升機(jī)電氣系統(tǒng)必須具有的性能。

提升機(jī)對(duì)調(diào)速精度的要求源于其靜差率應(yīng)比較小了，這是為了在不同負(fù)載下提升系統(tǒng)能夠盡量縮短減速段距離。這樣提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中爬行距離就可以盡可能短，于是爬行階段的運(yùn)行時(shí)間就可以大大降低，可以使提升系統(tǒng)得提升周期縮短，從而在保證準(zhǔn)確和安全的前提下，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1.3 速度給定裝置

超速故障是提升機(jī)故障中經(jīng)常發(fā)生的故障。超速往往是系統(tǒng)失控的開始，意味著電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到提升機(jī)超速時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)司機(jī)應(yīng)制動(dòng)、減速停車，避免事故的發(fā)生。由于提升容器在全速運(yùn)行時(shí)運(yùn)動(dòng)慣量的巨大，如果緊急制動(dòng)，會(huì)對(duì)提升系統(tǒng)帶來(lái)強(qiáng)烈的沖擊，使設(shè)備加速磨損、減少設(shè)備的使用壽命，甚至機(jī)軸、提升繩斷裂，造成人員傷亡的嚴(yán)重后果。因此要求提升系統(tǒng)加減速平穩(wěn)，要對(duì)加減速度的導(dǎo)數(shù)A加以限制，使系統(tǒng)按S形速度曲線實(shí)現(xiàn)加速和減速。

2 礦井提升控制系統(tǒng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)

2.1 更換老舊電動(dòng)機(jī)

童亭主井的提升機(jī)原有的電動(dòng)機(jī)為YR800-12/1430繞線式異步電動(dòng)機(jī)，功率因子為0.85，而且電動(dòng)機(jī)老化已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足生產(chǎn)的需要，將使用新的同步電動(dòng)機(jī)TDBS 2000-20，其額定功率為2000 kW，功率因子為0.97，可以提高提升機(jī)的工作

能力。

2.2 改進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

由上述可知，工頻控制系統(tǒng)由于交流電機(jī)本身的物理特性和電路控制手段的特點(diǎn)，造成了運(yùn)行中的控制難度與弊端，為了解決這樣的問(wèn)題，只有從根本上改變工頻的控制模式。

圖1 優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

20世紀(jì)90年代，針對(duì)三電平中壓交流電機(jī)工頻控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究人員在低壓變頻器變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制理論基礎(chǔ)上，又提出了四象限矢量控制理論。

矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。這樣就可以將一臺(tái)三相同步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。而且其位置-速度-力矩三環(huán)死循環(huán)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)給定速度運(yùn)行。使調(diào)速系統(tǒng)嚴(yán)格按照給定S型曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓頻率，使電機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行在各個(gè)速度階段的預(yù)期狀態(tài)。并且矢量控制實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速和多速度等級(jí)運(yùn)行，舍棄高低壓切換的繁瑣步驟，使速度精確控制，減輕加速度對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊。因此將矢量控制來(lái)優(yōu)化原有的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

2.3 對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)電源進(jìn)行優(yōu)化

電容補(bǔ)償是提升機(jī)系統(tǒng)不能切入電網(wǎng)的主要原因，側(cè)重點(diǎn)為諧波污染情況。所測(cè)試的提升機(jī)系統(tǒng)中主要的諧波源為整流變頻單元，這類設(shè)備或多或少的會(huì)向系統(tǒng)中注入諧波電流，從而匯入上級(jí)配電系統(tǒng)導(dǎo)致老式電容補(bǔ)償類設(shè)備無(wú)法投入。針對(duì)上述情況，使用諧波治理設(shè)備抑制諧波產(chǎn)生。

優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單闡述了提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行了細(xì)致的說(shuō)明，針對(duì)實(shí)際情況，提出了可行的控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，并且給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

參考文獻(xiàn)

[1]陳偉，李光.HIVERT-YVF變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)，2006（10）.

[2]祝龍記，過(guò)希文.礦井提升機(jī)三電平IGCT變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（05）.

[3]沈潛，姜琴，左繼錄，孟繁剛.基于ACS6000中壓變頻器的穿孔機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].變頻器世界，2012（11）.

[4]劉廣周，聶書奎，劉子成.高壓變頻器在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].煤礦自動(dòng)化與信息化，2009（05）.endprint

摘 要 文章在分析礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求的基礎(chǔ)上，提出了基于淮北礦業(yè)下屬的童亭煤礦的提升機(jī)控制系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

關(guān)鍵詞 提升機(jī)；優(yōu)化；矢量控制

中圖分類號(hào)：TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0151-02

Research of the design of optimizing mine hoist control system

Huang Wei

（HaiZi Coal Mine，HuaiBei Mining Group Corporation，huaibei 235146，china）

Abstract： Based on the analysis of mine hoist on the basis of the requirement of electric control system， presented on the basis of huaibei mining subsidiary TongTing coal mine hoist control system of optimizing design scheme， and gives the system structure.

Key words： Hoist；Optimize；Vector control

礦井提升機(jī)作為一個(gè)大型的機(jī)械-電氣機(jī)組，以多繩摩擦式提升機(jī)為例，提升機(jī)的主要組成有：工作機(jī)構(gòu)（包括主軸裝置及主軸承）、制動(dòng)系統(tǒng)（包括制動(dòng)器和制動(dòng)器控制裝置）、機(jī)械傳動(dòng)裝置（包括減速器、離合器和聯(lián)軸器）、潤(rùn)滑系統(tǒng)（包括潤(rùn)滑油泵站和管路）、檢測(cè)及操縱系統(tǒng)（包括操縱臺(tái)、深度指示器及傳動(dòng)裝置和測(cè)速發(fā)電裝置）、礦山機(jī)械設(shè)備拖動(dòng)、控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（包括主電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)）以及輔助部分（包括機(jī)座、機(jī)架、護(hù)罩、導(dǎo)向輪裝置和車槽裝置）等。

本課題的研究對(duì)象為煤礦主礦井交流提升系統(tǒng)，項(xiàng)目來(lái)源于淮北礦業(yè)下屬的童亭煤礦的提升機(jī)系統(tǒng)改造，目標(biāo)是通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)、礦井提升機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)提高提升機(jī)的自動(dòng)化控制水平以及各種安全保護(hù)的目的。從而使礦井提升機(jī)的效能得到提高，更加安全可靠。

1 礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求

為滿足有關(guān)規(guī)程規(guī)定對(duì)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的要求，本文根據(jù)礦井提升機(jī)的工藝過(guò)程和特點(diǎn)，首先分析礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。

1.1 要求電機(jī)滿足四象限運(yùn)行

提升機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)給定速度V=f（t），根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程：

式中：

Te為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)力矩（N×m）；

Tl為提升系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩（N×m）；

GD2為提升系統(tǒng)得飛輪轉(zhuǎn)矩kg×m2，GD2=4gJ（J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，g為重力加速度）；

Td為提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（N×m）；；

根據(jù)給定速度的轉(zhuǎn)矩Te=f（t）的特性，可以得到提升機(jī)調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)所需要的力F=f（t）。

提升機(jī)滾筒承受的靜張力差取決于負(fù)載靜力Fl，靜力Fl在雙容器平衡提升系統(tǒng)就是提升物體的凈載重。當(dāng)電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，為了讓重的提升容器靜止，對(duì)滾筒必須施加機(jī)械閘。

加速轉(zhuǎn)矩Td決定了電動(dòng)力FD，當(dāng)提升機(jī)能夠根據(jù)給定速度運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)D可能為正，也可能為負(fù)。這表明，電動(dòng)機(jī)不僅會(huì)工作在電動(dòng)狀態(tài)，也會(huì)工作在制動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)提升機(jī)不同的負(fù)載。也會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)行階段，致使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)有所不同。

綜上所述，為了使提升機(jī)能夠按給定速度運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)必須可以根據(jù)負(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)的電動(dòng)或制動(dòng)工作狀態(tài)，也就是要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足四象限運(yùn)行。

1.2 調(diào)速平滑和精度要求

主礦井提升機(jī)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)得平滑調(diào)速和調(diào)速精度有很高的要求。在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)必須滿足諸如運(yùn)送物料（達(dá)到額定速度）、運(yùn)送人員（低于額定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和檢查運(yùn)行（0.3～1.0 m/s）等各種要求，因此，平滑調(diào)速是提升機(jī)電氣系統(tǒng)必須具有的性能。

提升機(jī)對(duì)調(diào)速精度的要求源于其靜差率應(yīng)比較小了，這是為了在不同負(fù)載下提升系統(tǒng)能夠盡量縮短減速段距離。這樣提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中爬行距離就可以盡可能短，于是爬行階段的運(yùn)行時(shí)間就可以大大降低，可以使提升系統(tǒng)得提升周期縮短，從而在保證準(zhǔn)確和安全的前提下，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1.3 速度給定裝置

超速故障是提升機(jī)故障中經(jīng)常發(fā)生的故障。超速往往是系統(tǒng)失控的開始，意味著電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到提升機(jī)超速時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)司機(jī)應(yīng)制動(dòng)、減速停車，避免事故的發(fā)生。由于提升容器在全速運(yùn)行時(shí)運(yùn)動(dòng)慣量的巨大，如果緊急制動(dòng)，會(huì)對(duì)提升系統(tǒng)帶來(lái)強(qiáng)烈的沖擊，使設(shè)備加速磨損、減少設(shè)備的使用壽命，甚至機(jī)軸、提升繩斷裂，造成人員傷亡的嚴(yán)重后果。因此要求提升系統(tǒng)加減速平穩(wěn)，要對(duì)加減速度的導(dǎo)數(shù)A加以限制，使系統(tǒng)按S形速度曲線實(shí)現(xiàn)加速和減速。

2 礦井提升控制系統(tǒng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)

2.1 更換老舊電動(dòng)機(jī)

童亭主井的提升機(jī)原有的電動(dòng)機(jī)為YR800-12/1430繞線式異步電動(dòng)機(jī)，功率因子為0.85，而且電動(dòng)機(jī)老化已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足生產(chǎn)的需要，將使用新的同步電動(dòng)機(jī)TDBS 2000-20，其額定功率為2000 kW，功率因子為0.97，可以提高提升機(jī)的工作

能力。

2.2 改進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

由上述可知，工頻控制系統(tǒng)由于交流電機(jī)本身的物理特性和電路控制手段的特點(diǎn)，造成了運(yùn)行中的控制難度與弊端，為了解決這樣的問(wèn)題，只有從根本上改變工頻的控制模式。

圖1 優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

20世紀(jì)90年代，針對(duì)三電平中壓交流電機(jī)工頻控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究人員在低壓變頻器變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制理論基礎(chǔ)上，又提出了四象限矢量控制理論。

矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。這樣就可以將一臺(tái)三相同步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。而且其位置-速度-力矩三環(huán)死循環(huán)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)給定速度運(yùn)行。使調(diào)速系統(tǒng)嚴(yán)格按照給定S型曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓頻率，使電機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行在各個(gè)速度階段的預(yù)期狀態(tài)。并且矢量控制實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速和多速度等級(jí)運(yùn)行，舍棄高低壓切換的繁瑣步驟，使速度精確控制，減輕加速度對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊。因此將矢量控制來(lái)優(yōu)化原有的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

2.3 對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)電源進(jìn)行優(yōu)化

電容補(bǔ)償是提升機(jī)系統(tǒng)不能切入電網(wǎng)的主要原因，側(cè)重點(diǎn)為諧波污染情況。所測(cè)試的提升機(jī)系統(tǒng)中主要的諧波源為整流變頻單元，這類設(shè)備或多或少的會(huì)向系統(tǒng)中注入諧波電流，從而匯入上級(jí)配電系統(tǒng)導(dǎo)致老式電容補(bǔ)償類設(shè)備無(wú)法投入。針對(duì)上述情況，使用諧波治理設(shè)備抑制諧波產(chǎn)生。

優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單闡述了提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行了細(xì)致的說(shuō)明，針對(duì)實(shí)際情況，提出了可行的控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，并且給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

參考文獻(xiàn)

[1]陳偉，李光.HIVERT-YVF變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦井提升機(jī)中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)，2006（10）.

[2]祝龍記，過(guò)希文.礦井提升機(jī)三電平IGCT變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2008（05）.

[3]沈潛，姜琴，左繼錄，孟繁剛.基于ACS6000中壓變頻器的穿孔機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].變頻器世界，2012（11）.

[4]劉廣周，聶書奎，劉子成.高壓變頻器在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].煤礦自動(dòng)化與信息化，2009（05）.endprint

摘 要 文章在分析礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求的基礎(chǔ)上，提出了基于淮北礦業(yè)下屬的童亭煤礦的提升機(jī)控制系統(tǒng)的幾點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并且給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

關(guān)鍵詞 提升機(jī)；優(yōu)化；矢量控制

中圖分類號(hào)：TD53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）13-0151-02

Research of the design of optimizing mine hoist control system

Huang Wei

（HaiZi Coal Mine，HuaiBei Mining Group Corporation，huaibei 235146，china）

Abstract： Based on the analysis of mine hoist on the basis of the requirement of electric control system， presented on the basis of huaibei mining subsidiary TongTing coal mine hoist control system of optimizing design scheme， and gives the system structure.

Key words： Hoist；Optimize；Vector control

礦井提升機(jī)作為一個(gè)大型的機(jī)械-電氣機(jī)組，以多繩摩擦式提升機(jī)為例，提升機(jī)的主要組成有：工作機(jī)構(gòu)（包括主軸裝置及主軸承）、制動(dòng)系統(tǒng)（包括制動(dòng)器和制動(dòng)器控制裝置）、機(jī)械傳動(dòng)裝置（包括減速器、離合器和聯(lián)軸器）、潤(rùn)滑系統(tǒng)（包括潤(rùn)滑油泵站和管路）、檢測(cè)及操縱系統(tǒng)（包括操縱臺(tái)、深度指示器及傳動(dòng)裝置和測(cè)速發(fā)電裝置）、礦山機(jī)械設(shè)備拖動(dòng)、控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（包括主電動(dòng)機(jī)、電氣控制系統(tǒng)、自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)）以及輔助部分（包括機(jī)座、機(jī)架、護(hù)罩、導(dǎo)向輪裝置和車槽裝置）等。

本課題的研究對(duì)象為煤礦主礦井交流提升系統(tǒng)，項(xiàng)目來(lái)源于淮北礦業(yè)下屬的童亭煤礦的提升機(jī)系統(tǒng)改造，目標(biāo)是通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)、礦井提升機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)提高提升機(jī)的自動(dòng)化控制水平以及各種安全保護(hù)的目的。從而使礦井提升機(jī)的效能得到提高，更加安全可靠。

1 礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求

為滿足有關(guān)規(guī)程規(guī)定對(duì)礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的要求，本文根據(jù)礦井提升機(jī)的工藝過(guò)程和特點(diǎn)，首先分析礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。

1.1 要求電機(jī)滿足四象限運(yùn)行

提升機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)給定速度V=f（t），根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程：

式中：

Te為電動(dòng)機(jī)電動(dòng)力矩（N×m）；

Tl為提升系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩（N×m）；

GD2為提升系統(tǒng)得飛輪轉(zhuǎn)矩kg×m2，GD2=4gJ（J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，g為重力加速度）；

Td為提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（N×m）；；

根據(jù)給定速度的轉(zhuǎn)矩Te=f（t）的特性，可以得到提升機(jī)調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)所需要的力F=f（t）。

提升機(jī)滾筒承受的靜張力差取決于負(fù)載靜力Fl，靜力Fl在雙容器平衡提升系統(tǒng)就是提升物體的凈載重。當(dāng)電動(dòng)機(jī)不工作時(shí)，為了讓重的提升容器靜止，對(duì)滾筒必須施加機(jī)械閘。

加速轉(zhuǎn)矩Td決定了電動(dòng)力FD，當(dāng)提升機(jī)能夠根據(jù)給定速度運(yùn)行時(shí)，F(xiàn)D可能為正，也可能為負(fù)。這表明，電動(dòng)機(jī)不僅會(huì)工作在電動(dòng)狀態(tài)，也會(huì)工作在制動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)提升機(jī)不同的負(fù)載。也會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)行階段，致使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)有所不同。

綜上所述，為了使提升機(jī)能夠按給定速度運(yùn)行，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)必須可以根據(jù)負(fù)載變化而自動(dòng)調(diào)整相應(yīng)的電動(dòng)或制動(dòng)工作狀態(tài)，也就是要求電氣傳動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足四象限運(yùn)行。

1.2 調(diào)速平滑和精度要求

主礦井提升機(jī)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)得平滑調(diào)速和調(diào)速精度有很高的要求。在提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電氣傳動(dòng)系統(tǒng)必須滿足諸如運(yùn)送物料（達(dá)到額定速度）、運(yùn)送人員（低于額定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和檢查運(yùn)行（0.3～1.0 m/s）等各種要求，因此，平滑調(diào)速是提升機(jī)電氣系統(tǒng)必須具有的性能。

提升機(jī)對(duì)調(diào)速精度的要求源于其靜差率應(yīng)比較小了，這是為了在不同負(fù)載下提升系統(tǒng)能夠盡量縮短減速段距離。這樣提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中爬行距離就可以盡可能短，于是爬行階段的運(yùn)行時(shí)間就可以大大降低，可以使提升系統(tǒng)得提升周期縮短，從而在保證準(zhǔn)確和安全的前提下，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1.3 速度給定裝置

超速故障是提升機(jī)故障中經(jīng)常發(fā)生的故障。超速往往是系統(tǒng)失控的開始，意味著電氣系統(tǒng)發(fā)生故障，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到提升機(jī)超速時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警，此時(shí)司機(jī)應(yīng)制動(dòng)、減速停車，避免事故的發(fā)生。由于提升容器在全速運(yùn)行時(shí)運(yùn)動(dòng)慣量的巨大，如果緊急制動(dòng)，會(huì)對(duì)提升系統(tǒng)帶來(lái)強(qiáng)烈的沖擊，使設(shè)備加速磨損、減少設(shè)備的使用壽命，甚至機(jī)軸、提升繩斷裂，造成人員傷亡的嚴(yán)重后果。因此要求提升系統(tǒng)加減速平穩(wěn)，要對(duì)加減速度的導(dǎo)數(shù)A加以限制，使系統(tǒng)按S形速度曲線實(shí)現(xiàn)加速和減速。

2 礦井提升控制系統(tǒng)優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)

2.1 更換老舊電動(dòng)機(jī)

童亭主井的提升機(jī)原有的電動(dòng)機(jī)為YR800-12/1430繞線式異步電動(dòng)機(jī)，功率因子為0.85，而且電動(dòng)機(jī)老化已經(jīng)逐漸無(wú)法滿足生產(chǎn)的需要，將使用新的同步電動(dòng)機(jī)TDBS 2000-20，其額定功率為2000 kW，功率因子為0.97，可以提高提升機(jī)的工作

能力。

2.2 改進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

由上述可知，工頻控制系統(tǒng)由于交流電機(jī)本身的物理特性和電路控制手段的特點(diǎn)，造成了運(yùn)行中的控制難度與弊端，為了解決這樣的問(wèn)題，只有從根本上改變工頻的控制模式。

圖1 優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

20世紀(jì)90年代，針對(duì)三電平中壓交流電機(jī)工頻控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，研究人員在低壓變頻器變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制理論基礎(chǔ)上，又提出了四象限矢量控制理論。

矢量控制就是將磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦，分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的高性能調(diào)速。這樣就可以將一臺(tái)三相同步電機(jī)等效為直流電機(jī)來(lái)控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。而且其位置-速度-力矩三環(huán)死循環(huán)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)給定速度運(yùn)行。使調(diào)速系統(tǒng)嚴(yán)格按照給定S型曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)電壓頻率，使電機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行在各個(gè)速度階段的預(yù)期狀態(tài)。并且矢量控制實(shí)現(xiàn)了無(wú)級(jí)調(diào)速和多速度等級(jí)運(yùn)行，舍棄高低壓切換的繁瑣步驟，使速度精確控制，減輕加速度對(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊。因此將矢量控制來(lái)優(yōu)化原有的電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)

2.3 對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)電源進(jìn)行優(yōu)化

電容補(bǔ)償是提升機(jī)系統(tǒng)不能切入電網(wǎng)的主要原因，側(cè)重點(diǎn)為諧波污染情況。所測(cè)試的提升機(jī)系統(tǒng)中主要的諧波源為整流變頻單元，這類設(shè)備或多或少的會(huì)向系統(tǒng)中注入諧波電流，從而匯入上級(jí)配電系統(tǒng)導(dǎo)致老式電容補(bǔ)償類設(shè)備無(wú)法投入。針對(duì)上述情況，使用諧波治理設(shè)備抑制諧波產(chǎn)生。

優(yōu)化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單闡述了提升機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，對(duì)礦井提升機(jī)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的要求進(jìn)行了細(xì)致的說(shuō)明，針對(duì)實(shí)際情況，提出了可行的控制系統(tǒng)優(yōu)化方案，并且給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

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