矿井提升机的控制方式

郑丽萍

摘 要 提升机在爬行和制动两个阶段中，通常采用变频器来作为其特殊的低频电源，并能在确保其输出频率不变的同时，根据外部控制的实际信号要求及其运行的速度，实现对输出电压大小的控制，最终实现矿井提升机电机的平稳制动以及稳定爬行。这一控制方式不仅调速性能良好、系统控制安全性高，而且还能节能省电，具有较高的应用及推广价值。本文主要介绍了矿井提升机的控制方式，以及矿井提升机中变频器的应用。

关键词 矿井提升机；变频器

中图分类号：TD534 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）02-0068-02

提升机作为矿山系统中必不可少的部分，发展也是体现得最为明显的，特别是提升机控制调速方面，从最初的基于滑差电磁离合器的调速方式到基于转差频率控制的调速方式再到现在的基于输出电压控制的调速方式。一步一步的更新，预示着提升机调速方式的飞速发展和矿用行业的日新月异。

1 提升机的电力拖动形式

1）交流绕线感应的电动机拖动：该种电力拖动形式最主要的优点是设备结构简单，调速的技术比较成熟，且设备的价格相对较低，同时利用附加电阻来调速，加速以及减速等制动阶段的调速性能较好。其主要的缺点就是设备减速阶段往往需要较小的正力减速，然而机械性能的曲线过软，导致调速的过程不是很理想，利用电阻调速增加电能损耗。

2）直流他励电动机拖动：这种调速方式的主要操作原理是通过利用直流电动机外部供电压的改变来进行调速的。其主要的优点是调速的性能极好，并且调速的性能与负载的大小和正负均没有关系，其主要的缺点是设备比较复杂，投资和为序的代价较大。

3）交流同步电动机拖动：采用晶闸管交-直-交变频供电，优点是制造简单，造价低，电动机效率高，运行噪音小，维护方便，由计算机控制调速精确，自动化程度高。

2 提升机的电力拖制动形式

1）发电制动：指的是电动机运行过程中，由于受到外力的驱动，当转速到达并超过某一临界转速时，其输出的正转矩逐渐变成负转矩，电动机变成了发电机在运行，将发出的电能输送至电网，使得电动机的运行具有了制动的效果。

2）动力制动：动力制动也称能耗制动。即当我们对电动机的定子绕组进行直流电流输入后，其定子就会建立一个静止的磁场。一旦转子受到外力的驱动转动时，转子的绕组便会和静止的磁场产生了相对的运动，从而使转子绕组产生一定的电势，再通过外回路电阻产生的电流，建立一个动态的磁场，最终由于转子的静磁场与动磁场之间相互作用而产生制动效果。

3）反接制动：该制动方式的主要操作原理，是为了使电动机能够快速停止，将其电源断开，再接入与其电源运转方向相反的新电源，最终使电动机产生的负转矩停止。反接制动方式的应用优点是力矩较大，并且制动较快，但是其主要存在的缺点是产生的力矩冲击以及电流冲击也相对较大，在提升机上极少运用。

4）变频和低频发电制动：该制动方式的主要原理是通过采用变频以及低频发电电源中的拖动系统，来实现电气的制动。

由上可知随着机械与传动技术的发展，最开始采用电磁离合器的调速技术，已无法满足现在的发展要求。传统的交流调速方法使用过程中，存在很多的缺点，如调速的精度不高、调速的范围较小，而且调速的效率很低等。因此，在高精度调速的应用过程中，人们使用的大都是直流调速系统。但是20世纪80年代左右，随着我国的各种电子技术的飞速发展，市场上开始出现大量高性能以及高功率的电子类产品，加之电力电子自动控制技术的不断改进和完善，一些原本的碍阻交流调速发展的技术问题也得到了有效的解决。这一情况使得交流调速系统中也逐渐实现了原有直流调速系统中的先进技术的应用，其自动控制技术性能得到大大的提高，如，实现了较大范围的调速，较高稳速的精确度以及较快速度的动态响应和四象限运行等。

3 提升机的交流调速方案

交流电动机的主要优点是结构较为简单，运行较为可靠，运行过程中的惯性较小，而且坚固耐用。因此，对于很多直流调速无法胜任的场合，交流电动机也能够运用自如，可以说，在电气传动领域中，交流调速占据着极为重要的位置。交流电机的调速方法主要包括变同步速调速以及变滑差调速等两大类。其中，最为有效的一种调速方式就是变频调速，它也是交流调速过程中最为理想的调速方案之一。变频调速的实际操作原理，是实际操作过程中，通过适当的变频装置，改变电网的原有固定频率，将其转换成为一种可调的频率，从而使电机能够实现较宽范围内的无级调速。主井提升控制系统采用交-直-交传动系统，是目前世界乃至国内大中型煤矿及其他非煤矿山采用的最先进的设备之一。

4 变频调速方式

变频调速的基本原理，主要可由以下电机学的基本公式表述出来：即保持式中的p值不变（p为电动机定子绕组的磁极对数）的情况下，适当改变f（电源的频率），就能够实现对电动机同步转速的改变。而对于异步电动机来说，其实际转速不仅要小于同步转速，并且还随着其转速的变化而改变。通常情况下，同步转速的电源频率增加，其实际转速也增加，反之亦然。这样的速度调节方式我们称之为变频调速。在变频调速中，其控制方式主要包括以下几种。

1）V/F控制：该控制方式是交流电机中最为简单的控制方法之一。即通过保持控制过程中V/F的常数，来确保转子磁通的恒定。V/F控制方式中存在的主要问题是它属于一种开环控制方式，因此速度的动态特性不是很理想，导致了电机转矩的利用率较低，并且在控制参数的过程中，还需要操作人员根据其不同的负载做出相应的调整，尤其是低时速状态下，逆变器以及定子电阻等会出现开关延时的情况，容易破坏整个系统的稳定性，恶化安全性。

2）转差频率控制：该控制方式的主要目的是用来对异步电动机的转速进行检测。比起V/F控制相方式，转差频率控制方式能够实现在较宽调速内，较好的控制电动机的转矩以及功率因数和效率等，因此不仅调速的精准度较高，还能够保证系统的稳定性和安全性。但是同样的，采取转差频率控制方式也存在一定的不足之处，就是其只能实现电动机调速系统的单机操作和运行，且无法实现对电机瞬时转矩的闭环控制，快速性较差，因此通常被应用于对响应速度要求不高的系统当中。endprint

3）矢量控制：该控制方式主要操作原理是在保持转子磁链定向的前提条件下，通过变换坐标来实现对电机定子磁通分量以及电流转矩分量等的控制，即能够将感应电机作为直流电机来进行控制，从而实现对电机瞬时转矩的控制。就目前的实际应用情况来看，采用转差频率矢量控制方法的情况较多，因为该方法并没有实现对直接磁通的闭环控制，在实际应用过程中也不用一定检测出磁通，因此实现的容易程度较高。但是该方式存在的问题是其控制器的设计对电机的参数有一定的依赖性，因此，为了能够降低其控制过程中对电机参数的敏感性，目前人们已研发出许多适应方法，如参数辨识以及参数补偿等，取得了良好的效果。

4）直接转矩控制：该控制方法属于转矩闭环控制的方式之一，其主要特点是解决了解耦运算以及坐标变换的复杂性，实现了对转矩的直接控制。直接转矩控制的操作原理是通过控制转矩的误差以及磁通误差，并按照一定的原则合理选择逆变器的开关状态，实现对电机转速以及和输出功率的有效调节，最终实现其控制电机转速的主要目的。与矢量控制法相比，DT控制方式具有较高的鲁棒性。但主要的不足之处是其低速性能不太理想。

5 提升机的制动和低速爬行控制

矿用提升机在制动和低速爬行阶段的控制尤为重要。通常普通的变频器输出的频率相对较低，但是由于其一开始的系统设计以及建模等，均是专门针对低压电机，其输出的频率以及电压之间一直具有一定的比例关系。因此，直接将其应用到矿井提升电机的爬行以及低频制动过程中时，将会出现以下情况：即刚开始的低频投入阶段，由于电机变频器的输出电压过高，导致其制动力矩过大，电机所反馈回的能量也就相应变大了，一旦选择的变频器的制动电阻不恰当，就会出现变频器过压的危险情况，甚至有可能导致变频器直流桥的电容烧毁，与此同时，当电机处于较低频率下爬行时，可能会由于兼顾制动的问题，导致爬行过程中电机的力矩过小。

目前，人们根据矿井提升的具体要求，开发出Vacon变频器等开放式的编程平台，来实现了对低频发电机运行状态的有效模拟。即应用特殊的软件编程，使得整个制动以及爬行阶段，电动机变频器的输出频率始终没有改变，然后再根据其预先设置好的制动曲线以及运行速度，实现对变频器的输出电压的直接控制，以实现最终的制动效果。该控制方式不仅操作简单，调试方便，而且系统的可靠性和安全性较高，完全能够满足当下矿井提升机的控制要求，具有极高的发展前景和推广价值。

6 结束语

变频调速方式是能耗低、效率高的调速方式之一，能使提升机在大多数时间里一直保持电动状态，取得较好的节能效果和经济效益。同时，其技术操作较为简单，还能够克服电阻器以及接触器等易损等问题，保持系统运行的安全性和稳定性，因此对减少施工过程中由于运行故障造成的各种损失，提高电力运送的能力等具有重要的意义。

参考文献

[1]长沙黑色金属矿山设计院等编.黑色金属矿山企业电气设计参考资料[M].冶金工业出版社，1979.

[2]天津电子工业部.天津电子传动设计研究所编电气传动自动化技术手册[M].机械工业出版社，1992.

[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统电气自动化新技术从书[M].机械工业出版社，1998.endprint