矿井提升机控制系统优化设计方案的研究

黄伟

摘 要 文章在分析矿井提升机对电气控制系统的要求的基础上，提出了基于淮北矿业下属的童亭煤矿的提升机控制系统的几点优化设计方案，并且给出了系统结构图。

关键词 提升机；优化；矢量控制

中图分类号：TD53 文献标识码：A 文章编号：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

矿井提升机作为一个大型的机械-电气机组，以多绳摩擦式提升机为例，提升机的主要组成有：工作机构（包括主轴装置及主轴承）、制动系统（包括制动器和制动器控制装置）、机械传动装置（包括减速器、离合器和联轴器）、润滑系统（包括润滑油泵站和管路）、检测及操纵系统（包括操纵台、深度指示器及传动装置和测速发电装置）、矿山机械设备拖动、控制和自动保护系统（包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统和信号系统）以及辅助部分（包括机座、机架、护罩、导向轮装置和车槽装置）等。

本课题的研究对象为煤矿主矿井交流提升系统，项目来源于淮北矿业下属的童亭煤矿的提升机系统改造，目标是通过对电动机、矿井提升机传动控制系统和电源系统的优化改造，实现提高提升机的自动化控制水平以及各种安全保护的目的。从而使矿井提升机的效能得到提高，更加安全可靠。

1 矿井提升机对电气控制系统的要求

为满足有关规程规定对矿井提升机控制系统的要求，本文根据矿井提升机的工艺过程和特点，首先分析矿井提升机电控系统的动、静态性能。

1.1 要求电机满足四象限运行

提升机电气调速系统给定速度V=f（t），根据动力学方程：

式中：

Te为电动机电动力矩（N×m）；

Tl为提升系统的静阻转矩（N×m）；

GD2为提升系统得飞轮转矩kg×m2，GD2=4gJ（J为转动惯量，g为重力加速度）；

Td为提升系统的动态转矩（N×m）；；

根据给定速度的转矩Te=f（t）的特性，可以得到提升机调速拖动系统所需要的力F=f（t）。

提升机滚筒承受的静张力差取决于负载静力Fl，静力Fl在双容器平衡提升系统就是提升物体的净载重。当电动机不工作时，为了让重的提升容器静止，对滚筒必须施加机械闸。

加速转矩Td决定了电动力FD，当提升机能够根据给定速度运行时，FD可能为正，也可能为负。这表明，电动机不仅会工作在电动状态，也会工作在制动状态。根据提升机不同的负载。也会产生不同的运行阶段，致使电动机的运行状态也会有所不同。

综上所述，为了使提升机能够按给定速度运行，电气传动系统必须可以根据负载变化而自动调整相应的电动或制动工作状态，也就是要求电气传动系统能够满足四象限运行。

1.2 调速平滑和精度要求

主矿井提升机对调速系统得平滑调速和调速精度有很高的要求。在提升机运行过程中，电气传动系统必须满足诸如运送物料（达到额定速度）、运送人员（低于额定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和检查运行（0.3～1.0 m/s）等各种要求，因此，平滑调速是提升机电气系统必须具有的性能。

提升机对调速精度的要求源于其静差率应比较小了，这是为了在不同负载下提升系统能够尽量缩短减速段距离。这样提升机在运行过程中爬行距离就可以尽可能短，于是爬行阶段的运行时间就可以大大降低，可以使提升系统得提升周期缩短，从而在保证准确和安全的前提下，提高系统运行效率。

1.3 速度给定装置

超速故障是提升机故障中经常发生的故障。超速往往是系统失控的开始，意味着电气系统发生故障，当系统检测到提升机超速时，会发出报警，此时司机应制动、减速停车，避免事故的发生。由于提升容器在全速运行时运动惯量的巨大，如果紧急制动，会对提升系统带来强烈的冲击，使设备加速磨损、减少设备的使用寿命，甚至机轴、提升绳断裂，造成人员伤亡的严重后果。因此要求提升系统加减速平稳，要对加减速度的导数A加以限制，使系统按S形速度曲线实现加速和减速。

2 矿井提升控制系统优化方案的设计

2.1 更换老旧电动机

童亭主井的提升机原有的电动机为YR800-12/1430绕线式异步电动机，功率因子为0.85，而且电动机老化已经逐渐无法满足生产的需要，将使用新的同步电动机TDBS 2000-20，其额定功率为2000 kW，功率因子为0.97，可以提高提升机的工作

能力。

2.2 改进电动机调速系统

由上述可知，工频控制系统由于交流电机本身的物理特性和电路控制手段的特点，造成了运行中的控制难度与弊端，为了解决这样的问题，只有从根本上改变工频的控制模式。

图1 优化后的系统结构图

20世纪90年代，针对三电平中压交流电机工频控制系统的现状，研究人员在低压变频器变压变频调速系统的控制理论基础上，又提出了四象限矢量控制理论。

矢量控制就是将磁链与转矩解耦，分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相同步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。而且其位置-速度-力矩三环死循环控制系统，可以实现给定速度运行。使调速系统严格按照给定S型曲线自动调节电压频率，使电机稳定安全运行在各个速度阶段的预期状态。并且矢量控制实现了无级调速和多速度等级运行，舍弃高低压切换的繁琐步骤，使速度精确控制，减轻加速度对机械设备的冲击。因此将矢量控制来优化原有的电机调速系统

2.3 对提升机系统电源进行优化

电容补偿是提升机系统不能切入电网的主要原因，侧重点为谐波污染情况。所测试的提升机系统中主要的谐波源为整流变频单元，这类设备或多或少的会向系统中注入谐波电流，从而汇入上级配电系统导致老式电容补偿类设备无法投入。针对上述情况，使用谐波治理设备抑制谐波产生。

优化后的系统结构图如图1。

3 结束语

本文简单阐述了提升机系统构成，对矿井提升机对电气控制系统的要求进行了细致的说明，针对实际情况，提出了可行的控制系统优化方案，并且给出了系统结构图。

参考文献

[1]陈伟，李光.HIVERT-YVF变频调速系统在矿井提升机中的应用[J].机电产品市场，2006（10）.

[2]祝龙记，过希文.矿井提升机三电平IGCT变频调速驱动系统[J].煤炭科学技术，2008（05）.

[3]沈潜，姜琴，左继录，孟繁刚.基于ACS6000中压变频器的穿孔机主传动系统设计[J].变频器世界，2012（11）.

[4]刘广周，聂书奎，刘子成.高压变频器在矿井提升机电控系统上的应用[J].煤矿自动化与信息化，2009（05）.endprint

摘 要 文章在分析矿井提升机对电气控制系统的要求的基础上，提出了基于淮北矿业下属的童亭煤矿的提升机控制系统的几点优化设计方案，并且给出了系统结构图。

关键词 提升机；优化；矢量控制

中图分类号：TD53 文献标识码：A 文章编号：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

矿井提升机作为一个大型的机械-电气机组，以多绳摩擦式提升机为例，提升机的主要组成有：工作机构（包括主轴装置及主轴承）、制动系统（包括制动器和制动器控制装置）、机械传动装置（包括减速器、离合器和联轴器）、润滑系统（包括润滑油泵站和管路）、检测及操纵系统（包括操纵台、深度指示器及传动装置和测速发电装置）、矿山机械设备拖动、控制和自动保护系统（包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统和信号系统）以及辅助部分（包括机座、机架、护罩、导向轮装置和车槽装置）等。

本课题的研究对象为煤矿主矿井交流提升系统，项目来源于淮北矿业下属的童亭煤矿的提升机系统改造，目标是通过对电动机、矿井提升机传动控制系统和电源系统的优化改造，实现提高提升机的自动化控制水平以及各种安全保护的目的。从而使矿井提升机的效能得到提高，更加安全可靠。

1 矿井提升机对电气控制系统的要求

为满足有关规程规定对矿井提升机控制系统的要求，本文根据矿井提升机的工艺过程和特点，首先分析矿井提升机电控系统的动、静态性能。

1.1 要求电机满足四象限运行

提升机电气调速系统给定速度V=f（t），根据动力学方程：

式中：

Te为电动机电动力矩（N×m）；

Tl为提升系统的静阻转矩（N×m）；

GD2为提升系统得飞轮转矩kg×m2，GD2=4gJ（J为转动惯量，g为重力加速度）；

Td为提升系统的动态转矩（N×m）；；

根据给定速度的转矩Te=f（t）的特性，可以得到提升机调速拖动系统所需要的力F=f（t）。

提升机滚筒承受的静张力差取决于负载静力Fl，静力Fl在双容器平衡提升系统就是提升物体的净载重。当电动机不工作时，为了让重的提升容器静止，对滚筒必须施加机械闸。

加速转矩Td决定了电动力FD，当提升机能够根据给定速度运行时，FD可能为正，也可能为负。这表明，电动机不仅会工作在电动状态，也会工作在制动状态。根据提升机不同的负载。也会产生不同的运行阶段，致使电动机的运行状态也会有所不同。

综上所述，为了使提升机能够按给定速度运行，电气传动系统必须可以根据负载变化而自动调整相应的电动或制动工作状态，也就是要求电气传动系统能够满足四象限运行。

1.2 调速平滑和精度要求

主矿井提升机对调速系统得平滑调速和调速精度有很高的要求。在提升机运行过程中，电气传动系统必须满足诸如运送物料（达到额定速度）、运送人员（低于额定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和检查运行（0.3～1.0 m/s）等各种要求，因此，平滑调速是提升机电气系统必须具有的性能。

提升机对调速精度的要求源于其静差率应比较小了，这是为了在不同负载下提升系统能够尽量缩短减速段距离。这样提升机在运行过程中爬行距离就可以尽可能短，于是爬行阶段的运行时间就可以大大降低，可以使提升系统得提升周期缩短，从而在保证准确和安全的前提下，提高系统运行效率。

1.3 速度给定装置

超速故障是提升机故障中经常发生的故障。超速往往是系统失控的开始，意味着电气系统发生故障，当系统检测到提升机超速时，会发出报警，此时司机应制动、减速停车，避免事故的发生。由于提升容器在全速运行时运动惯量的巨大，如果紧急制动，会对提升系统带来强烈的冲击，使设备加速磨损、减少设备的使用寿命，甚至机轴、提升绳断裂，造成人员伤亡的严重后果。因此要求提升系统加减速平稳，要对加减速度的导数A加以限制，使系统按S形速度曲线实现加速和减速。

2 矿井提升控制系统优化方案的设计

2.1 更换老旧电动机

童亭主井的提升机原有的电动机为YR800-12/1430绕线式异步电动机，功率因子为0.85，而且电动机老化已经逐渐无法满足生产的需要，将使用新的同步电动机TDBS 2000-20，其额定功率为2000 kW，功率因子为0.97，可以提高提升机的工作

能力。

2.2 改进电动机调速系统

由上述可知，工频控制系统由于交流电机本身的物理特性和电路控制手段的特点，造成了运行中的控制难度与弊端，为了解决这样的问题，只有从根本上改变工频的控制模式。

图1 优化后的系统结构图

20世纪90年代，针对三电平中压交流电机工频控制系统的现状，研究人员在低压变频器变压变频调速系统的控制理论基础上，又提出了四象限矢量控制理论。

矢量控制就是将磁链与转矩解耦，分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相同步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。而且其位置-速度-力矩三环死循环控制系统，可以实现给定速度运行。使调速系统严格按照给定S型曲线自动调节电压频率，使电机稳定安全运行在各个速度阶段的预期状态。并且矢量控制实现了无级调速和多速度等级运行，舍弃高低压切换的繁琐步骤，使速度精确控制，减轻加速度对机械设备的冲击。因此将矢量控制来优化原有的电机调速系统

2.3 对提升机系统电源进行优化

电容补偿是提升机系统不能切入电网的主要原因，侧重点为谐波污染情况。所测试的提升机系统中主要的谐波源为整流变频单元，这类设备或多或少的会向系统中注入谐波电流，从而汇入上级配电系统导致老式电容补偿类设备无法投入。针对上述情况，使用谐波治理设备抑制谐波产生。

优化后的系统结构图如图1。

3 结束语

本文简单阐述了提升机系统构成，对矿井提升机对电气控制系统的要求进行了细致的说明，针对实际情况，提出了可行的控制系统优化方案，并且给出了系统结构图。

参考文献

[1]陈伟，李光.HIVERT-YVF变频调速系统在矿井提升机中的应用[J].机电产品市场，2006（10）.

[2]祝龙记，过希文.矿井提升机三电平IGCT变频调速驱动系统[J].煤炭科学技术，2008（05）.

[3]沈潜，姜琴，左继录，孟繁刚.基于ACS6000中压变频器的穿孔机主传动系统设计[J].变频器世界，2012（11）.

[4]刘广周，聂书奎，刘子成.高压变频器在矿井提升机电控系统上的应用[J].煤矿自动化与信息化，2009（05）.endprint

摘 要 文章在分析矿井提升机对电气控制系统的要求的基础上，提出了基于淮北矿业下属的童亭煤矿的提升机控制系统的几点优化设计方案，并且给出了系统结构图。

关键词 提升机；优化；矢量控制

中图分类号：TD53 文献标识码：A 文章编号：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

矿井提升机作为一个大型的机械-电气机组，以多绳摩擦式提升机为例，提升机的主要组成有：工作机构（包括主轴装置及主轴承）、制动系统（包括制动器和制动器控制装置）、机械传动装置（包括减速器、离合器和联轴器）、润滑系统（包括润滑油泵站和管路）、检测及操纵系统（包括操纵台、深度指示器及传动装置和测速发电装置）、矿山机械设备拖动、控制和自动保护系统（包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统和信号系统）以及辅助部分（包括机座、机架、护罩、导向轮装置和车槽装置）等。

本课题的研究对象为煤矿主矿井交流提升系统，项目来源于淮北矿业下属的童亭煤矿的提升机系统改造，目标是通过对电动机、矿井提升机传动控制系统和电源系统的优化改造，实现提高提升机的自动化控制水平以及各种安全保护的目的。从而使矿井提升机的效能得到提高，更加安全可靠。

1 矿井提升机对电气控制系统的要求

为满足有关规程规定对矿井提升机控制系统的要求，本文根据矿井提升机的工艺过程和特点，首先分析矿井提升机电控系统的动、静态性能。

1.1 要求电机满足四象限运行

提升机电气调速系统给定速度V=f（t），根据动力学方程：

式中：

Te为电动机电动力矩（N×m）；

Tl为提升系统的静阻转矩（N×m）；

GD2为提升系统得飞轮转矩kg×m2，GD2=4gJ（J为转动惯量，g为重力加速度）；

Td为提升系统的动态转矩（N×m）；；

根据给定速度的转矩Te=f（t）的特性，可以得到提升机调速拖动系统所需要的力F=f（t）。

提升机滚筒承受的静张力差取决于负载静力Fl，静力Fl在双容器平衡提升系统就是提升物体的净载重。当电动机不工作时，为了让重的提升容器静止，对滚筒必须施加机械闸。

加速转矩Td决定了电动力FD，当提升机能够根据给定速度运行时，FD可能为正，也可能为负。这表明，电动机不仅会工作在电动状态，也会工作在制动状态。根据提升机不同的负载。也会产生不同的运行阶段，致使电动机的运行状态也会有所不同。

综上所述，为了使提升机能够按给定速度运行，电气传动系统必须可以根据负载变化而自动调整相应的电动或制动工作状态，也就是要求电气传动系统能够满足四象限运行。

1.2 调速平滑和精度要求

主矿井提升机对调速系统得平滑调速和调速精度有很高的要求。在提升机运行过程中，电气传动系统必须满足诸如运送物料（达到额定速度）、运送人员（低于额定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和检查运行（0.3～1.0 m/s）等各种要求，因此，平滑调速是提升机电气系统必须具有的性能。

提升机对调速精度的要求源于其静差率应比较小了，这是为了在不同负载下提升系统能够尽量缩短减速段距离。这样提升机在运行过程中爬行距离就可以尽可能短，于是爬行阶段的运行时间就可以大大降低，可以使提升系统得提升周期缩短，从而在保证准确和安全的前提下，提高系统运行效率。

1.3 速度给定装置

超速故障是提升机故障中经常发生的故障。超速往往是系统失控的开始，意味着电气系统发生故障，当系统检测到提升机超速时，会发出报警，此时司机应制动、减速停车，避免事故的发生。由于提升容器在全速运行时运动惯量的巨大，如果紧急制动，会对提升系统带来强烈的冲击，使设备加速磨损、减少设备的使用寿命，甚至机轴、提升绳断裂，造成人员伤亡的严重后果。因此要求提升系统加减速平稳，要对加减速度的导数A加以限制，使系统按S形速度曲线实现加速和减速。

2 矿井提升控制系统优化方案的设计

2.1 更换老旧电动机

童亭主井的提升机原有的电动机为YR800-12/1430绕线式异步电动机，功率因子为0.85，而且电动机老化已经逐渐无法满足生产的需要，将使用新的同步电动机TDBS 2000-20，其额定功率为2000 kW，功率因子为0.97，可以提高提升机的工作

能力。

2.2 改进电动机调速系统

由上述可知，工频控制系统由于交流电机本身的物理特性和电路控制手段的特点，造成了运行中的控制难度与弊端，为了解决这样的问题，只有从根本上改变工频的控制模式。

图1 优化后的系统结构图

20世纪90年代，针对三电平中压交流电机工频控制系统的现状，研究人员在低压变频器变压变频调速系统的控制理论基础上，又提出了四象限矢量控制理论。

矢量控制就是将磁链与转矩解耦，分别设计两者的调节器，以实现对交流电机的高性能调速。这样就可以将一台三相同步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。而且其位置-速度-力矩三环死循环控制系统，可以实现给定速度运行。使调速系统严格按照给定S型曲线自动调节电压频率，使电机稳定安全运行在各个速度阶段的预期状态。并且矢量控制实现了无级调速和多速度等级运行，舍弃高低压切换的繁琐步骤，使速度精确控制，减轻加速度对机械设备的冲击。因此将矢量控制来优化原有的电机调速系统

2.3 对提升机系统电源进行优化

电容补偿是提升机系统不能切入电网的主要原因，侧重点为谐波污染情况。所测试的提升机系统中主要的谐波源为整流变频单元，这类设备或多或少的会向系统中注入谐波电流，从而汇入上级配电系统导致老式电容补偿类设备无法投入。针对上述情况，使用谐波治理设备抑制谐波产生。

优化后的系统结构图如图1。

3 结束语

本文简单阐述了提升机系统构成，对矿井提升机对电气控制系统的要求进行了细致的说明，针对实际情况，提出了可行的控制系统优化方案，并且给出了系统结构图。

参考文献

[1]陈伟，李光.HIVERT-YVF变频调速系统在矿井提升机中的应用[J].机电产品市场，2006（10）.

[2]祝龙记，过希文.矿井提升机三电平IGCT变频调速驱动系统[J].煤炭科学技术，2008（05）.

[3]沈潜，姜琴，左继录，孟繁刚.基于ACS6000中压变频器的穿孔机主传动系统设计[J].变频器世界，2012（11）.

[4]刘广周，聂书奎，刘子成.高压变频器在矿井提升机电控系统上的应用[J].煤矿自动化与信息化，2009（05）.endprint