直流传动系统在地下矿山提升机调速中的应用

［摘 要］传统的交流传动系统技术成熟，但在某些特定场合（如地下矿山）中存在维护成本高、效率低等缺点。文章提出直流传动系统在地下矿山提升机调速中的应用，介绍了西门子80 系列直流传统系统的配置，探讨了该传动系统在地下矿山提升调速中的应用。实验结果表明，直流传动系统下提升机能够根据实际负载情况快速且平稳地调节运行速度，证实了直流传动系统在地下矿山提升机的调速及控制中应用效果良好。

［关键词］直流传动系统；地下矿山；提升机；系统应用

［中图分类号］TD633 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0092–03

直流传动系统作为一种先进的传动方式，凭借其结构简单、效率高、响应速度快等优点，在许多工业领域得到广泛应用。然而，在地下矿山提升机中应用直流传动系统仍面临着一系列的挑战。因此，需要根据矿山的具体情况，对直流传动系统的控制策略和算法进行定制和优化，以提高提升机的运行效率和安全性。本次研究旨在深入探讨直流传动系统在地下矿山提升机中的应用，并针对其关键技术进行深入研究。研究结果将为矿山的生产效率和安全性提供技术支持，并推动直流传动系统的进一步发展。

1 直流传动系统配置

直流传动系统主要包括直流电源、直流电机、连接电缆、控制模块及保护装置等关键部分，其中，直流电机为该系统的动力源。相较于交流电传动系统，直流传动系统具有结构简单、调速性能优秀、维护简便等优势，尤其是以SINAMICS DC MASTER 控制模块构成的西门子80 系列直流传动系统，被广泛应用于现代工业自动化领域。因此，文章以西门子80系列直流传动系统为研究对象，深入研究其在地下矿山提升机中的应用。

西门子80 系列直流传动系统的核心在于SINAMICS DC MASTER 控制模块，其负责接收、处理各类输入信号，并输出相应的控制指令。控制模块以其精巧的结构和节省空间的设计方案，使各独立组件之间均易于接近，为维护工作提供了极大的便利。与此同时，在使用启动装置进行直流传动系统的调试作业时，可以通过高级操作面板AOP30 来实时显示所需的调整、设定及测量值，该面板为直流传动系统提供了更高性价比的设计方案。SINAMICS DCMASTER 控制模块的技术指标见表1。

SINAMICS DC MASTER 控制模块的应用有助于提升地下矿山提升机的直流传动系统的自动化，且如果直流传动系统需要更新或升级，其电机、功率单元等均能够保留，只需要对控制模块的闭环控制部分进行更换即可，且升级后的新系统可以使用简单的参数设定适应现有组件的配置。

2 直流传动系统在地下矿山提升机调速中的应用

2.1 基于直流传动系统确定提升机控制矢量

基于西门子80 系列直流传动系统的优势，将该系统应用于地下矿山提升机的运行速度调节，以实现提升机的高效调速。直流传动系统作为一种先进的调速方式，主要通过合理调整电压和电流的幅值、相位，完成对提升机电机转矩与速度的控制，所以在直流传动系统应用于地下矿山提升机调速中，需要确定提升机的电压、电流等矢量作为控制变量。

为了深入了解提升机中直流传动系统的运行机制，需要建立一个直流电机的数学模型，通过该模型来描述电机的输入和输出关系。

式中，E0为直流传动系统直流电机的反电动势，U0为直流电机的输入电压，I0为直流电机的电流，R0为直流电机的内阻。

直流传动系统中直流电机的三相定子绕组在空间均对称分布，即电压矢量和电流矢量在空间互差120°电角度。根据式（1）所示数学模型，可获取直流电机的电压和电流矢量。

U0=[UAUBUCUaUbUc]T（2）

I0=[IAIBICIaIbIc]T（3）

式中，UA、UB、UC分别为地下矿山提升机中直流传动系统的直流电机的定子相电压三维矢量，Ua、Ub、Uc分别为地下矿山提升机中直流传动系统的直流电机的转子相电压三维矢量，IA、IB、IC分别为地下矿山提升机中直流传动系统的直流电机的定子相电流三维矢量，Ia、Ib、Ic分别为地下矿山提升机中直流传动系统的直流电机的转子相电流三维矢量，T为转置。

2.2 矢量控制提升机调速

根据直流传动系统获取地下矿山提升机调速中的电压与电流控制矢量后，采用矢量控制的方式进行提升机调速。在直流传动系统的直流电机中，磁通由定子和转子电流或者电压共同组成，其中转子矢量和电磁转矩存在直接关系，而定子矢量则由电机状态决定。因此，在采用直流传动系统的矢量控制方式进行地下矿山提升机调速时，可根据所获取的电流矢量数据，求出电磁转矩。

Z1=NH[（IAIa+IBIb+ICIc）sinα+（IAIa+IBIb+ICIc）+sin（α+120）+（IAIa+IBIb+ICIc）sin（α-120）]（4）

式中，Z1为地下矿山提升机中直流传动系统的直流电机的电磁转矩；N为直流电机的极对数；H为直流电机的定、转子的互感；α为直流电机的定、转子空间角位移，（°）。

根据式（4）所示直流电机的电磁转矩，可进一步得到直流电机的运动方程。

Z1-Z2=（J/N）（dω/dt）（5）

式中，Z2为地下矿山提升机中直流传动系统的直流电机的负载转矩，J为直流电机的转动惯量，ω为直流电机的机械角速度。

利用PLC 控制液压闸的启动、停止及调节。通过设定PLC 程序和参数，可以实现提升机液压闸的预压力矩控制。根据电流值的变化情况，PLC 可以实时判断提升机是否存在反溜现象。

3 实验分析

为验证直流传动系统在地下矿山提升机中的实际应用效果，以某JKMD 系列矿用提升机为对象，进行仿真实验。表2 为实验地下矿山提升机的标准配置参数。

按照表2 所示地下矿山提升机的标准配置，安装并调试实验提升机装置，确保各组件正常运行后，即可开展矿山提升机的调速实验。实验过程中，为评估直流传动系统的调速性能，采用传统的调速方式为直流传动系统的对照组，比较二者调速结果，分析直流传动系统的性能。具体实验结果如图1 所示。

由图1 可知，地下矿山提升机利用直流传动系统进行调速，具备速度变化平稳快速、响应迅速、控制精度高等优势，可提高稳定性和安全性。相比传统调速方式，更可靠有效。

4 结束语

文章对直流传动系统在地下矿山提升机调速中的应用进行了深入研究。并通过实验分析，验证了直流传动系统在提升机控制矢量确定和调速方面的优势。与矿山提升机的传统调速方式相比，直流传动系统在稳定性、响应速度及控制精度方面表现出显著优势，提高了提升机的运行效率和安全性。

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