礦井提升機的控制方式

鄭麗萍

摘 要 提升機在爬行和制動兩個階段中，通常采用變頻器來作為其特殊的低頻電源，并能在確保其輸出頻率不變的同時，根據外部控制的實際信號要求及其運行的速度，實現對輸出電壓大小的控制，最終實現礦井提升機電機的平穩制動以及穩定爬行。這一控制方式不僅調速性能良好、系統控制安全性高，而且還能節能省電，具有較高的應用及推廣價值。本文主要介紹了礦井提升機的控制方式，以及礦井提升機中變頻器的應用。

關鍵詞 礦井提升機；變頻器

中圖分類號：TD534 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）02-0068-02

提升機作為礦山系統中必不可少的部分，發展也是體現得最為明顯的，特別是提升機控制調速方面，從最初的基于滑差電磁離合器的調速方式到基于轉差頻率控制的調速方式再到現在的基于輸出電壓控制的調速方式。一步一步的更新，預示著提升機調速方式的飛速發展和礦用行業的日新月異。

1 提升機的電力拖動形式

1）交流繞線感應的電動機拖動：該種電力拖動形式最主要的優點是設備結構簡單，調速的技術比較成熟，且設備的價格相對較低，同時利用附加電阻來調速，加速以及減速等制動階段的調速性能較好。其主要的缺點就是設備減速階段往往需要較小的正力減速，然而機械性能的曲線過軟，導致調速的過程不是很理想，利用電阻調速增加電能損耗。

2）直流他勵電動機拖動：這種調速方式的主要操作原理是通過利用直流電動機外部供電壓的改變來進行調速的。其主要的優點是調速的性能極好，并且調速的性能與負載的大小和正負均沒有關系，其主要的缺點是設備比較復雜，投資和為序的代價較大。

3）交流同步電動機拖動：采用晶閘管交-直-交變頻供電，優點是制造簡單，造價低，電動機效率高，運行噪音小，維護方便，由計算機控制調速精確，自動化程度高。

2 提升機的電力拖制動形式

1）發電制動：指的是電動機運行過程中，由于受到外力的驅動，當轉速到達并超過某一臨界轉速時，其輸出的正轉矩逐漸變成負轉矩，電動機變成了發電機在運行，將發出的電能輸送至電網，使得電動機的運行具有了制動的效果。

2）動力制動：動力制動也稱能耗制動。即當我們對電動機的定子繞組進行直流電流輸入后，其定子就會建立一個靜止的磁場。一旦轉子受到外力的驅動轉動時，轉子的繞組便會和靜止的磁場產生了相對的運動，從而使轉子繞組產生一定的電勢，再通過外回路電阻產生的電流，建立一個動態的磁場，最終由于轉子的靜磁場與動磁場之間相互作用而產生制動效果。

3）反接制動：該制動方式的主要操作原理，是為了使電動機能夠快速停止，將其電源斷開，再接入與其電源運轉方向相反的新電源，最終使電動機產生的負轉矩停止。反接制動方式的應用優點是力矩較大，并且制動較快，但是其主要存在的缺點是產生的力矩沖擊以及電流沖擊也相對較大，在提升機上極少運用。

4）變頻和低頻發電制動：該制動方式的主要原理是通過采用變頻以及低頻發電電源中的拖動系統，來實現電氣的制動。

由上可知隨著機械與傳動技術的發展，最開始采用電磁離合器的調速技術，已無法滿足現在的發展要求。傳統的交流調速方法使用過程中，存在很多的缺點，如調速的精度不高、調速的范圍較小，而且調速的效率很低等。因此，在高精度調速的應用過程中，人們使用的大都是直流調速系統。但是20世紀80年代左右，隨著我國的各種電子技術的飛速發展，市場上開始出現大量高性能以及高功率的電子類產品，加之電力電子自動控制技術的不斷改進和完善，一些原本的礙阻交流調速發展的技術問題也得到了有效的解決。這一情況使得交流調速系統中也逐漸實現了原有直流調速系統中的先進技術的應用，其自動控制技術性能得到大大的提高，如，實現了較大范圍的調速，較高穩速的精確度以及較快速度的動態響應和四象限運行等。

3 提升機的交流調速方案

交流電動機的主要優點是結構較為簡單，運行較為可靠，運行過程中的慣性較小，而且堅固耐用。因此，對于很多直流調速無法勝任的場合，交流電動機也能夠運用自如，可以說，在電氣傳動領域中，交流調速占據著極為重要的位置。交流電機的調速方法主要包括變同步速調速以及變滑差調速等兩大類。其中，最為有效的一種調速方式就是變頻調速，它也是交流調速過程中最為理想的調速方案之一。變頻調速的實際操作原理，是實際操作過程中，通過適當的變頻裝置，改變電網的原有固定頻率，將其轉換成為一種可調的頻率，從而使電機能夠實現較寬范圍內的無級調速。主井提升控制系統采用交-直-交傳動系統，是目前世界乃至國內大中型煤礦及其他非煤礦山采用的最先進的設備之一。

4 變頻調速方式

變頻調速的基本原理，主要可由以下電機學的基本公式表述出來：即保持式中的p值不變（p為電動機定子繞組的磁極對數）的情況下，適當改變f（電源的頻率），就能夠實現對電動機同步轉速的改變。而對于異步電動機來說，其實際轉速不僅要小于同步轉速，并且還隨著其轉速的變化而改變。通常情況下，同步轉速的電源頻率增加，其實際轉速也增加，反之亦然。這樣的速度調節方式我們稱之為變頻調速。在變頻調速中，其控制方式主要包括以下幾種。

1）V/F控制：該控制方式是交流電機中最為簡單的控制方法之一。即通過保持控制過程中V/F的常數，來確保轉子磁通的恒定。V/F控制方式中存在的主要問題是它屬于一種開環控制方式，因此速度的動態特性不是很理想，導致了電機轉矩的利用率較低，并且在控制參數的過程中，還需要操作人員根據其不同的負載做出相應的調整，尤其是低時速狀態下，逆變器以及定子電阻等會出現開關延時的情況，容易破壞整個系統的穩定性，惡化安全性。

2）轉差頻率控制：該控制方式的主要目的是用來對異步電動機的轉速進行檢測。比起V/F控制相方式，轉差頻率控制方式能夠實現在較寬調速內，較好的控制電動機的轉矩以及功率因數和效率等，因此不僅調速的精準度較高，還能夠保證系統的穩定性和安全性。但是同樣的，采取轉差頻率控制方式也存在一定的不足之處，就是其只能實現電動機調速系統的單機操作和運行，且無法實現對電機瞬時轉矩的閉環控制，快速性較差，因此通常被應用于對響應速度要求不高的系統當中。endprint

3）矢量控制：該控制方式主要操作原理是在保持轉子磁鏈定向的前提條件下，通過變換坐標來實現對電機定子磁通分量以及電流轉矩分量等的控制，即能夠將感應電機作為直流電機來進行控制，從而實現對電機瞬時轉矩的控制。就目前的實際應用情況來看，采用轉差頻率矢量控制方法的情況較多，因為該方法并沒有實現對直接磁通的閉環控制，在實際應用過程中也不用一定檢測出磁通，因此實現的容易程度較高。但是該方式存在的問題是其控制器的設計對電機的參數有一定的依賴性，因此，為了能夠降低其控制過程中對電機參數的敏感性，目前人們已研發出許多適應方法，如參數辨識以及參數補償等，取得了良好的效果。

4）直接轉矩控制：該控制方法屬于轉矩閉環控制的方式之一，其主要特點是解決了解耦運算以及坐標變換的復雜性，實現了對轉矩的直接控制。直接轉矩控制的操作原理是通過控制轉矩的誤差以及磁通誤差，并按照一定的原則合理選擇逆變器的開關狀態，實現對電機轉速以及和輸出功率的有效調節，最終實現其控制電機轉速的主要目的。與矢量控制法相比，DT控制方式具有較高的魯棒性。但主要的不足之處是其低速性能不太理想。

5 提升機的制動和低速爬行控制

礦用提升機在制動和低速爬行階段的控制尤為重要。通常普通的變頻器輸出的頻率相對較低，但是由于其一開始的系統設計以及建模等，均是專門針對低壓電機，其輸出的頻率以及電壓之間一直具有一定的比例關系。因此，直接將其應用到礦井提升電機的爬行以及低頻制動過程中時，將會出現以下情況：即剛開始的低頻投入階段，由于電機變頻器的輸出電壓過高，導致其制動力矩過大，電機所反饋回的能量也就相應變大了，一旦選擇的變頻器的制動電阻不恰當，就會出現變頻器過壓的危險情況，甚至有可能導致變頻器直流橋的電容燒毀，與此同時，當電機處于較低頻率下爬行時，可能會由于兼顧制動的問題，導致爬行過程中電機的力矩過小。

目前，人們根據礦井提升的具體要求，開發出Vacon變頻器等開放式的編程平臺，來實現了對低頻發電機運行狀態的有效模擬。即應用特殊的軟件編程，使得整個制動以及爬行階段，電動機變頻器的輸出頻率始終沒有改變，然后再根據其預先設置好的制動曲線以及運行速度，實現對變頻器的輸出電壓的直接控制，以實現最終的制動效果。該控制方式不僅操作簡單，調試方便，而且系統的可靠性和安全性較高，完全能夠滿足當下礦井提升機的控制要求，具有極高的發展前景和推廣價值。

6 結束語

變頻調速方式是能耗低、效率高的調速方式之一，能使提升機在大多數時間里一直保持電動狀態，取得較好的節能效果和經濟效益。同時，其技術操作較為簡單，還能夠克服電阻器以及接觸器等易損等問題，保持系統運行的安全性和穩定性，因此對減少施工過程中由于運行故障造成的各種損失，提高電力運送的能力等具有重要的意義。

參考文獻

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