简议电动机在矿井提升运输中的使用

石永君

摘 要：矿井提升是指沿矿井井筒运出矿石、煤、废石或矸石，以及升降人员、设备和器材等。矿井提升方式的分类见表，其中以钢丝绳提升应用最广泛，使用的钢丝绳品种有磷化涂层钢丝绳、镀锌钢丝绳和光面钢丝绳，随着电力电子技术的发展，电动机的控制也得到了空前的发展，原来以直流电机为主要控制对象的时代已经被取代。取而代之的是交流电机，交流电机与直流电机相比有其天然的优势即：成本低、过载能力强、操作简单、易于控制等。

关键词：煤矿；电子技术；电动机

1.矿用高压变频器的发展

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高频率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外认为最有前途的调速方式。

以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。

2.矿用提升机拖动方案选择

实现工业自动化控制可以用多种方式来实现，总体方案设计中选择何种控制系统是关键的一环。它直接关系到投资成本、耗能、可靠性、安全性和应用效果。本系统的总体方案选型主要包括监控系统的选型和拖动系统的选型，其中监控系统选型又包括操作站系统的选型和主控制系统的选型。这里仅对主控系统的拖动方案选择。

3.交流传动系统

交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统，一般地说，交流传动比较简单，设备和安装费用低，建筑占地面积小，但电气调速性能差，减速和爬行阶段需要附加拖动装置。

⑴串级调速在绕线转子异步电动机转子回路中引入外加电动势，以改变电动机运行转差率而获得不同转速。根据产生附加电势的方法不同，异步串级拖动可分为直流电机串级、离子串级以及可控硅直流串级。目前广泛采用的是后者，该拖动方式具有效率较高，调速平滑，爬行段不需附加其它设备和控制性能好等特点。它的缺点是功率因数低、颠覆力矩降低约17%，线路较复杂，投资较高等。

⑵变频调速大型提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限，设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变异步电动机的频率进行调速的方法，它有以下显著的优点：

①输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级调速。

②功率因数高，利用效率高，节能效果显著。

l）有发无功功率的能力，不消耗电网上的无功。

2）稳压性能好。如设备在额定功率下运行，能保证电动机在额定电压下

运行，从而避免了因电压高（低）对电机所造成的危害。

3）在电动机的负荷低于额定功率时，它可以根据给定值来调整电动机的输出功率。

③对电网电压波动有很大的适应能力，并能大大减少系统对电网的污染。

④可调范围（频率可在0Hz～400Hz之间进行调节）宽，可以实现大范围调速，并能保证很硬的输出特性，并且动态响应特性好，调速精度高。适用于各种压力、温度、速度、流量的控制。

⑤启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲击，使电动机能够平稳地加速或减速，从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害，大大延长了电动机及整套机组的使用寿命。

除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。

4.直流传动系统

1.直流发电机一电动机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，均匀地调节励磁电流和极性，可方便地实现转速无级调速和四象限运行。其缺点是设备和安装费用高、建筑占地面积大、发电机组维护工作量大。

2.晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置组成的可逆系统是一种可实现四象限运行、性能好的调速系统且效率高、可节能、维护工作量小。在该系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双环调节系统。可逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑无环流控制两种控制方式。

5.提升机电控系统选型

在保证系统的可靠、安全和经济性的前提下，综合考虑上述各种方案的优缺点，本系统各模块的选型方案如下：

拖动控制系统：采用三相交流异步电动变频调速系统，以实现节能、稳定运行。

另外，本系统的上位机系统：采用触摸式显示屏，以模拟画面形式显示出绞车运行的各种状态、各种参数及各种控制元件工作状况；主控制系统：采用完全独立的兩套PLC系统进行过程实时监控实现安全回路的双线制。在这，由于时间原因就不过多介绍此部分。

6.变颇器原理

变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。可见通用变频器由功率主电路和控制电路及操作显示三部分组成，主电路包括整流器、直流中间电路、逆变器及检测部分的传感器。直流中间电路包括限流电路、滤波电路和制动电路以及电源再生电路等。控制电路主要由主控电路信号检测电路、保护电路控制电源和操作显示接口电路等组成。高性能矢量型通用变频器由于采用了矢量控制方式，在进行矢量控制时需要进行大量的运算，其运算电路中往往还有一个以数字信号处理器DSP为主的转矩计算用CPU及相应的磁通检测和调节电路。

7.模糊PID变频器系统原理

前面我们已经提到由于变频器的设计涉及到很多运算，同时它又对系统的实时性要求比较严格，基于这些原因一般采用由DSP为核心的变频系统。基于DSP的矢量控制调试系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。功率电路由电压型的交—直—交变压变频结构、驱动电路和交流电机组成。控制系统由DSP芯片为核心及其外围辅助电路组成，用来完成矢量控制核心算法、SVPWM产生、转矩推算、相关电压电流的检测处理等功能。为了扩大使用范围，该系统设计时考虑了有速度传感器的情况。辅助电路由辅助开关电源、光电编码器、滤波放大器和电流互感器组成，以实现给系统提供多路直流电源、电机转速检测及放大等功能。

参考文献：

[1]陈学才.机电设备管理在煤矿生产中的运用[J].经营管理，2010（10）：147.

[2]莫畏、黄兴华.高压变频器的发展趋势.电气时代.2003， NO.2