礦井提升機控制系統優化設計方案的研究

黃偉

摘 要 文章在分析礦井提升機對電氣控制系統的要求的基礎上，提出了基于淮北礦業下屬的童亭煤礦的提升機控制系統的幾點優化設計方案，并且給出了系統結構圖。

關鍵詞 提升機；優化；矢量控制

中圖分類號：TD53 文獻標識碼：A 文章編號：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

礦井提升機作為一個大型的機械-電氣機組，以多繩摩擦式提升機為例，提升機的主要組成有：工作機構（包括主軸裝置及主軸承）、制動系統（包括制動器和制動器控制裝置）、機械傳動裝置（包括減速器、離合器和聯軸器）、潤滑系統（包括潤滑油泵站和管路）、檢測及操縱系統（包括操縱臺、深度指示器及傳動裝置和測速發電裝置）、礦山機械設備拖動、控制和自動保護系統（包括主電動機、電氣控制系統、自動保護系統和信號系統）以及輔助部分（包括機座、機架、護罩、導向輪裝置和車槽裝置）等。

本課題的研究對象為煤礦主礦井交流提升系統，項目來源于淮北礦業下屬的童亭煤礦的提升機系統改造，目標是通過對電動機、礦井提升機傳動控制系統和電源系統的優化改造，實現提高提升機的自動化控制水平以及各種安全保護的目的。從而使礦井提升機的效能得到提高，更加安全可靠。

1 礦井提升機對電氣控制系統的要求

為滿足有關規程規定對礦井提升機控制系統的要求，本文根據礦井提升機的工藝過程和特點，首先分析礦井提升機電控系統的動、靜態性能。

1.1 要求電機滿足四象限運行

提升機電氣調速系統給定速度V=f（t），根據動力學方程：

式中：

Te為電動機電動力矩（N×m）；

Tl為提升系統的靜阻轉矩（N×m）；

GD2為提升系統得飛輪轉矩kg×m2，GD2=4gJ（J為轉動慣量，g為重力加速度）；

Td為提升系統的動態轉矩（N×m）；；

根據給定速度的轉矩Te=f（t）的特性，可以得到提升機調速拖動系統所需要的力F=f（t）。

提升機滾筒承受的靜張力差取決于負載靜力Fl，靜力Fl在雙容器平衡提升系統就是提升物體的凈載重。當電動機不工作時，為了讓重的提升容器靜止，對滾筒必須施加機械閘。

加速轉矩Td決定了電動力FD，當提升機能夠根據給定速度運行時，FD可能為正，也可能為負。這表明，電動機不僅會工作在電動狀態，也會工作在制動狀態。根據提升機不同的負載。也會產生不同的運行階段，致使電動機的運行狀態也會有所不同。

綜上所述，為了使提升機能夠按給定速度運行，電氣傳動系統必須可以根據負載變化而自動調整相應的電動或制動工作狀態，也就是要求電氣傳動系統能夠滿足四象限運行。

1.2 調速平滑和精度要求

主礦井提升機對調速系統得平滑調速和調速精度有很高的要求。在提升機運行過程中，電氣傳動系統必須滿足諸如運送物料（達到額定速度）、運送人員（低于額定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和檢查運行（0.3～1.0 m/s）等各種要求，因此，平滑調速是提升機電氣系統必須具有的性能。

提升機對調速精度的要求源于其靜差率應比較小了，這是為了在不同負載下提升系統能夠盡量縮短減速段距離。這樣提升機在運行過程中爬行距離就可以盡可能短，于是爬行階段的運行時間就可以大大降低，可以使提升系統得提升周期縮短，從而在保證準確和安全的前提下，提高系統運行效率。

1.3 速度給定裝置

超速故障是提升機故障中經常發生的故障。超速往往是系統失控的開始，意味著電氣系統發生故障，當系統檢測到提升機超速時，會發出報警，此時司機應制動、減速停車，避免事故的發生。由于提升容器在全速運行時運動慣量的巨大，如果緊急制動，會對提升系統帶來強烈的沖擊，使設備加速磨損、減少設備的使用壽命，甚至機軸、提升繩斷裂，造成人員傷亡的嚴重后果。因此要求提升系統加減速平穩，要對加減速度的導數A加以限制，使系統按S形速度曲線實現加速和減速。

2 礦井提升控制系統優化方案的設計

2.1 更換老舊電動機

童亭主井的提升機原有的電動機為YR800-12/1430繞線式異步電動機，功率因子為0.85，而且電動機老化已經逐漸無法滿足生產的需要，將使用新的同步電動機TDBS 2000-20，其額定功率為2000 kW，功率因子為0.97，可以提高提升機的工作

能力。

2.2 改進電動機調速系統

由上述可知，工頻控制系統由于交流電機本身的物理特性和電路控制手段的特點，造成了運行中的控制難度與弊端，為了解決這樣的問題，只有從根本上改變工頻的控制模式。

圖1 優化后的系統結構圖

20世紀90年代，針對三電平中壓交流電機工頻控制系統的現狀，研究人員在低壓變頻器變壓變頻調速系統的控制理論基礎上，又提出了四象限矢量控制理論。

矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，分別設計兩者的調節器，以實現對交流電機的高性能調速。這樣就可以將一臺三相同步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。而且其位置-速度-力矩三環死循環控制系統，可以實現給定速度運行。使調速系統嚴格按照給定S型曲線自動調節電壓頻率，使電機穩定安全運行在各個速度階段的預期狀態。并且矢量控制實現了無級調速和多速度等級運行，舍棄高低壓切換的繁瑣步驟，使速度精確控制，減輕加速度對機械設備的沖擊。因此將矢量控制來優化原有的電機調速系統

2.3 對提升機系統電源進行優化

電容補償是提升機系統不能切入電網的主要原因，側重點為諧波污染情況。所測試的提升機系統中主要的諧波源為整流變頻單元，這類設備或多或少的會向系統中注入諧波電流，從而匯入上級配電系統導致老式電容補償類設備無法投入。針對上述情況，使用諧波治理設備抑制諧波產生。

優化后的系統結構圖如圖1。

3 結束語

本文簡單闡述了提升機系統構成，對礦井提升機對電氣控制系統的要求進行了細致的說明，針對實際情況，提出了可行的控制系統優化方案，并且給出了系統結構圖。

參考文獻

[1]陳偉，李光.HIVERT-YVF變頻調速系統在礦井提升機中的應用[J].機電產品市場，2006（10）.

[2]祝龍記，過希文.礦井提升機三電平IGCT變頻調速驅動系統[J].煤炭科學技術，2008（05）.

[3]沈潛，姜琴，左繼錄，孟繁剛.基于ACS6000中壓變頻器的穿孔機主傳動系統設計[J].變頻器世界，2012（11）.

[4]劉廣周，聶書奎，劉子成.高壓變頻器在礦井提升機電控系統上的應用[J].煤礦自動化與信息化，2009（05）.endprint

摘 要 文章在分析礦井提升機對電氣控制系統的要求的基礎上，提出了基于淮北礦業下屬的童亭煤礦的提升機控制系統的幾點優化設計方案，并且給出了系統結構圖。

關鍵詞 提升機；優化；矢量控制

中圖分類號：TD53 文獻標識碼：A 文章編號：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

礦井提升機作為一個大型的機械-電氣機組，以多繩摩擦式提升機為例，提升機的主要組成有：工作機構（包括主軸裝置及主軸承）、制動系統（包括制動器和制動器控制裝置）、機械傳動裝置（包括減速器、離合器和聯軸器）、潤滑系統（包括潤滑油泵站和管路）、檢測及操縱系統（包括操縱臺、深度指示器及傳動裝置和測速發電裝置）、礦山機械設備拖動、控制和自動保護系統（包括主電動機、電氣控制系統、自動保護系統和信號系統）以及輔助部分（包括機座、機架、護罩、導向輪裝置和車槽裝置）等。

本課題的研究對象為煤礦主礦井交流提升系統，項目來源于淮北礦業下屬的童亭煤礦的提升機系統改造，目標是通過對電動機、礦井提升機傳動控制系統和電源系統的優化改造，實現提高提升機的自動化控制水平以及各種安全保護的目的。從而使礦井提升機的效能得到提高，更加安全可靠。

1 礦井提升機對電氣控制系統的要求

為滿足有關規程規定對礦井提升機控制系統的要求，本文根據礦井提升機的工藝過程和特點，首先分析礦井提升機電控系統的動、靜態性能。

1.1 要求電機滿足四象限運行

提升機電氣調速系統給定速度V=f（t），根據動力學方程：

式中：

Te為電動機電動力矩（N×m）；

Tl為提升系統的靜阻轉矩（N×m）；

GD2為提升系統得飛輪轉矩kg×m2，GD2=4gJ（J為轉動慣量，g為重力加速度）；

Td為提升系統的動態轉矩（N×m）；；

根據給定速度的轉矩Te=f（t）的特性，可以得到提升機調速拖動系統所需要的力F=f（t）。

提升機滾筒承受的靜張力差取決于負載靜力Fl，靜力Fl在雙容器平衡提升系統就是提升物體的凈載重。當電動機不工作時，為了讓重的提升容器靜止，對滾筒必須施加機械閘。

加速轉矩Td決定了電動力FD，當提升機能夠根據給定速度運行時，FD可能為正，也可能為負。這表明，電動機不僅會工作在電動狀態，也會工作在制動狀態。根據提升機不同的負載。也會產生不同的運行階段，致使電動機的運行狀態也會有所不同。

綜上所述，為了使提升機能夠按給定速度運行，電氣傳動系統必須可以根據負載變化而自動調整相應的電動或制動工作狀態，也就是要求電氣傳動系統能夠滿足四象限運行。

1.2 調速平滑和精度要求

主礦井提升機對調速系統得平滑調速和調速精度有很高的要求。在提升機運行過程中，電氣傳動系統必須滿足諸如運送物料（達到額定速度）、運送人員（低于額定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和檢查運行（0.3～1.0 m/s）等各種要求，因此，平滑調速是提升機電氣系統必須具有的性能。

提升機對調速精度的要求源于其靜差率應比較小了，這是為了在不同負載下提升系統能夠盡量縮短減速段距離。這樣提升機在運行過程中爬行距離就可以盡可能短，于是爬行階段的運行時間就可以大大降低，可以使提升系統得提升周期縮短，從而在保證準確和安全的前提下，提高系統運行效率。

1.3 速度給定裝置

超速故障是提升機故障中經常發生的故障。超速往往是系統失控的開始，意味著電氣系統發生故障，當系統檢測到提升機超速時，會發出報警，此時司機應制動、減速停車，避免事故的發生。由于提升容器在全速運行時運動慣量的巨大，如果緊急制動，會對提升系統帶來強烈的沖擊，使設備加速磨損、減少設備的使用壽命，甚至機軸、提升繩斷裂，造成人員傷亡的嚴重后果。因此要求提升系統加減速平穩，要對加減速度的導數A加以限制，使系統按S形速度曲線實現加速和減速。

2 礦井提升控制系統優化方案的設計

2.1 更換老舊電動機

童亭主井的提升機原有的電動機為YR800-12/1430繞線式異步電動機，功率因子為0.85，而且電動機老化已經逐漸無法滿足生產的需要，將使用新的同步電動機TDBS 2000-20，其額定功率為2000 kW，功率因子為0.97，可以提高提升機的工作

能力。

2.2 改進電動機調速系統

由上述可知，工頻控制系統由于交流電機本身的物理特性和電路控制手段的特點，造成了運行中的控制難度與弊端，為了解決這樣的問題，只有從根本上改變工頻的控制模式。

圖1 優化后的系統結構圖

20世紀90年代，針對三電平中壓交流電機工頻控制系統的現狀，研究人員在低壓變頻器變壓變頻調速系統的控制理論基礎上，又提出了四象限矢量控制理論。

矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，分別設計兩者的調節器，以實現對交流電機的高性能調速。這樣就可以將一臺三相同步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。而且其位置-速度-力矩三環死循環控制系統，可以實現給定速度運行。使調速系統嚴格按照給定S型曲線自動調節電壓頻率，使電機穩定安全運行在各個速度階段的預期狀態。并且矢量控制實現了無級調速和多速度等級運行，舍棄高低壓切換的繁瑣步驟，使速度精確控制，減輕加速度對機械設備的沖擊。因此將矢量控制來優化原有的電機調速系統

2.3 對提升機系統電源進行優化

電容補償是提升機系統不能切入電網的主要原因，側重點為諧波污染情況。所測試的提升機系統中主要的諧波源為整流變頻單元，這類設備或多或少的會向系統中注入諧波電流，從而匯入上級配電系統導致老式電容補償類設備無法投入。針對上述情況，使用諧波治理設備抑制諧波產生。

優化后的系統結構圖如圖1。

3 結束語

本文簡單闡述了提升機系統構成，對礦井提升機對電氣控制系統的要求進行了細致的說明，針對實際情況，提出了可行的控制系統優化方案，并且給出了系統結構圖。

參考文獻

[1]陳偉，李光.HIVERT-YVF變頻調速系統在礦井提升機中的應用[J].機電產品市場，2006（10）.

[2]祝龍記，過希文.礦井提升機三電平IGCT變頻調速驅動系統[J].煤炭科學技術，2008（05）.

[3]沈潛，姜琴，左繼錄，孟繁剛.基于ACS6000中壓變頻器的穿孔機主傳動系統設計[J].變頻器世界，2012（11）.

[4]劉廣周，聶書奎，劉子成.高壓變頻器在礦井提升機電控系統上的應用[J].煤礦自動化與信息化，2009（05）.endprint

摘 要 文章在分析礦井提升機對電氣控制系統的要求的基礎上，提出了基于淮北礦業下屬的童亭煤礦的提升機控制系統的幾點優化設計方案，并且給出了系統結構圖。

關鍵詞 提升機；優化；矢量控制

中圖分類號：TD53 文獻標識碼：A 文章編號：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

礦井提升機作為一個大型的機械-電氣機組，以多繩摩擦式提升機為例，提升機的主要組成有：工作機構（包括主軸裝置及主軸承）、制動系統（包括制動器和制動器控制裝置）、機械傳動裝置（包括減速器、離合器和聯軸器）、潤滑系統（包括潤滑油泵站和管路）、檢測及操縱系統（包括操縱臺、深度指示器及傳動裝置和測速發電裝置）、礦山機械設備拖動、控制和自動保護系統（包括主電動機、電氣控制系統、自動保護系統和信號系統）以及輔助部分（包括機座、機架、護罩、導向輪裝置和車槽裝置）等。

本課題的研究對象為煤礦主礦井交流提升系統，項目來源于淮北礦業下屬的童亭煤礦的提升機系統改造，目標是通過對電動機、礦井提升機傳動控制系統和電源系統的優化改造，實現提高提升機的自動化控制水平以及各種安全保護的目的。從而使礦井提升機的效能得到提高，更加安全可靠。

1 礦井提升機對電氣控制系統的要求

為滿足有關規程規定對礦井提升機控制系統的要求，本文根據礦井提升機的工藝過程和特點，首先分析礦井提升機電控系統的動、靜態性能。

1.1 要求電機滿足四象限運行

提升機電氣調速系統給定速度V=f（t），根據動力學方程：

式中：

Te為電動機電動力矩（N×m）；

Tl為提升系統的靜阻轉矩（N×m）；

GD2為提升系統得飛輪轉矩kg×m2，GD2=4gJ（J為轉動慣量，g為重力加速度）；

Td為提升系統的動態轉矩（N×m）；；

根據給定速度的轉矩Te=f（t）的特性，可以得到提升機調速拖動系統所需要的力F=f（t）。

提升機滾筒承受的靜張力差取決于負載靜力Fl，靜力Fl在雙容器平衡提升系統就是提升物體的凈載重。當電動機不工作時，為了讓重的提升容器靜止，對滾筒必須施加機械閘。

加速轉矩Td決定了電動力FD，當提升機能夠根據給定速度運行時，FD可能為正，也可能為負。這表明，電動機不僅會工作在電動狀態，也會工作在制動狀態。根據提升機不同的負載。也會產生不同的運行階段，致使電動機的運行狀態也會有所不同。

綜上所述，為了使提升機能夠按給定速度運行，電氣傳動系統必須可以根據負載變化而自動調整相應的電動或制動工作狀態，也就是要求電氣傳動系統能夠滿足四象限運行。

1.2 調速平滑和精度要求

主礦井提升機對調速系統得平滑調速和調速精度有很高的要求。在提升機運行過程中，電氣傳動系統必須滿足諸如運送物料（達到額定速度）、運送人員（低于額定速度）、低速爬行（0.1～0.5 m/s）和檢查運行（0.3～1.0 m/s）等各種要求，因此，平滑調速是提升機電氣系統必須具有的性能。

提升機對調速精度的要求源于其靜差率應比較小了，這是為了在不同負載下提升系統能夠盡量縮短減速段距離。這樣提升機在運行過程中爬行距離就可以盡可能短，于是爬行階段的運行時間就可以大大降低，可以使提升系統得提升周期縮短，從而在保證準確和安全的前提下，提高系統運行效率。

1.3 速度給定裝置

超速故障是提升機故障中經常發生的故障。超速往往是系統失控的開始，意味著電氣系統發生故障，當系統檢測到提升機超速時，會發出報警，此時司機應制動、減速停車，避免事故的發生。由于提升容器在全速運行時運動慣量的巨大，如果緊急制動，會對提升系統帶來強烈的沖擊，使設備加速磨損、減少設備的使用壽命，甚至機軸、提升繩斷裂，造成人員傷亡的嚴重后果。因此要求提升系統加減速平穩，要對加減速度的導數A加以限制，使系統按S形速度曲線實現加速和減速。

2 礦井提升控制系統優化方案的設計

2.1 更換老舊電動機

童亭主井的提升機原有的電動機為YR800-12/1430繞線式異步電動機，功率因子為0.85，而且電動機老化已經逐漸無法滿足生產的需要，將使用新的同步電動機TDBS 2000-20，其額定功率為2000 kW，功率因子為0.97，可以提高提升機的工作

能力。

2.2 改進電動機調速系統

由上述可知，工頻控制系統由于交流電機本身的物理特性和電路控制手段的特點，造成了運行中的控制難度與弊端，為了解決這樣的問題，只有從根本上改變工頻的控制模式。

圖1 優化后的系統結構圖

20世紀90年代，針對三電平中壓交流電機工頻控制系統的現狀，研究人員在低壓變頻器變壓變頻調速系統的控制理論基礎上，又提出了四象限矢量控制理論。

矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，分別設計兩者的調節器，以實現對交流電機的高性能調速。這樣就可以將一臺三相同步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。而且其位置-速度-力矩三環死循環控制系統，可以實現給定速度運行。使調速系統嚴格按照給定S型曲線自動調節電壓頻率，使電機穩定安全運行在各個速度階段的預期狀態。并且矢量控制實現了無級調速和多速度等級運行，舍棄高低壓切換的繁瑣步驟，使速度精確控制，減輕加速度對機械設備的沖擊。因此將矢量控制來優化原有的電機調速系統

2.3 對提升機系統電源進行優化

電容補償是提升機系統不能切入電網的主要原因，側重點為諧波污染情況。所測試的提升機系統中主要的諧波源為整流變頻單元，這類設備或多或少的會向系統中注入諧波電流，從而匯入上級配電系統導致老式電容補償類設備無法投入。針對上述情況，使用諧波治理設備抑制諧波產生。

優化后的系統結構圖如圖1。

3 結束語

本文簡單闡述了提升機系統構成，對礦井提升機對電氣控制系統的要求進行了細致的說明，針對實際情況，提出了可行的控制系統優化方案，并且給出了系統結構圖。

參考文獻

[1]陳偉，李光.HIVERT-YVF變頻調速系統在礦井提升機中的應用[J].機電產品市場，2006（10）.

[2]祝龍記，過希文.礦井提升機三電平IGCT變頻調速驅動系統[J].煤炭科學技術，2008（05）.

[3]沈潛，姜琴，左繼錄，孟繁剛.基于ACS6000中壓變頻器的穿孔機主傳動系統設計[J].變頻器世界，2012（11）.

[4]劉廣周，聶書奎，劉子成.高壓變頻器在礦井提升機電控系統上的應用[J].煤礦自動化與信息化，2009（05）.endprint