簡議電動機在礦井提升運輸中的使用

石永君

摘 要：礦井提升是指沿礦井井筒運出礦石、煤、廢石或矸石，以及升降人員、設備和器材等。礦井提升方式的分類見表，其中以鋼絲繩提升應用最廣泛，使用的鋼絲繩品種有磷化涂層鋼絲繩、鍍鋅鋼絲繩和光面鋼絲繩，隨著電力電子技術的發展，電動機的控制也得到了空前的發展，原來以直流電機為主要控制對象的時代已經被取代。取而代之的是交流電機，交流電機與直流電機相比有其天然的優勢即：成本低、過載能力強、操作簡單、易于控制等。

關鍵詞：煤礦；電子技術；電動機

1.礦用高壓變頻器的發展

隨著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發展，促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速，計算機數字控制取代模擬控制已成為發展趨勢。交流電機變頻調速是當今節約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高頻率，高功率因數，以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被國內外認為最有前途的調速方式。

以前的高壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構成，缺點很多，諧波大，對電網和電機都有影響。近年來，發展起來的一些新型器件將改變這一現狀，如IGBT、IGCT、SGCT等。由它們構成的高壓變頻器，性能優異，可以實現PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數也有很大程度的提高。

2.礦用提升機拖動方案選擇

實現工業自動化控制可以用多種方式來實現，總體方案設計中選擇何種控制系統是關鍵的一環。它直接關系到投資成本、耗能、可靠性、安全性和應用效果。本系統的總體方案選型主要包括監控系統的選型和拖動系統的選型，其中監控系統選型又包括操作站系統的選型和主控制系統的選型。這里僅對主控系統的拖動方案選擇。

3.交流傳動系統

交流傳動系統泛指以各種交流電動機為控制對象的傳動系統，一般地說，交流傳動比較簡單，設備和安裝費用低，建筑占地面積小，但電氣調速性能差，減速和爬行階段需要附加拖動裝置。

⑴串級調速在繞線轉子異步電動機轉子回路中引入外加電動勢，以改變電動機運行轉差率而獲得不同轉速。根據產生附加電勢的方法不同，異步串級拖動可分為直流電機串級、離子串級以及可控硅直流串級。目前廣泛采用的是后者，該拖動方式具有效率較高，調速平滑，爬行段不需附加其它設備和控制性能好等特點。它的缺點是功率因數低、顛覆力矩降低約17%，線路較復雜，投資較高等。

⑵變頻調速大型提升機采用變頻調速取代傳統的直流傳動是近年來的發展趨勢，它克服了大功率直流電動機換向器的換向能力受限，設計制造及維護困難和電動機體積龐大等問題。變頻調速是利用異步電動機的同步轉速隨頻率變化的特性，通過改變異步電動機的頻率進行調速的方法，它有以下顯著的優點：

①輸出功率可以連續調節，可以實現電動機無級調速。

②功率因數高，利用效率高，節能效果顯著。

l）有發無功功率的能力，不消耗電網上的無功。

2）穩壓性能好。如設備在額定功率下運行，能保證電動機在額定電壓下

運行，從而避免了因電壓高（低）對電機所造成的危害。

3）在電動機的負荷低于額定功率時，它可以根據給定值來調整電動機的輸出功率。

③對電網電壓波動有很大的適應能力，并能大大減少系統對電網的污染。

④可調范圍（頻率可在0Hz～400Hz之間進行調節）寬，可以實現大范圍調速，并能保證很硬的輸出特性，并且動態響應特性好，調速精度高。適用于各種壓力、溫度、速度、流量的控制。

⑤啟動、停止平穩，極大地緩和了對電動機的沖擊，使電動機能夠平穩地加速或減速，從而避免了驟然啟動或驟然停止所造成的損害，大大延長了電動機及整套機組的使用壽命。

除此之外，更兼其體積小、重量輕、通用性強的特點，因此，變頻調速技術越來越廣泛的應用于工業生產領域。這將極大地提高工業生產領域的自動化水平，從而可以實現增產節能的目的。

4.直流傳動系統

1.直流發電機一電動機傳動方式控制直流發電機的勵磁實現電動機變電樞電壓調速，均勻地調節勵磁電流和極性，可方便地實現轉速無級調速和四象限運行。其缺點是設備和安裝費用高、建筑占地面積大、發電機組維護工作量大。

2.晶閘管變流裝置供電方式利用晶閘管變流裝置組成的可逆系統是一種可實現四象限運行、性能好的調速系統且效率高、可節能、維護工作量小。在該系統下一般均采用以電樞電流反饋為內環和測速反饋為外環的雙環調節系統。可逆系統基本上采用有環流控制和無準備切換邏輯無環流控制兩種控制方式。

5.提升機電控系統選型

在保證系統的可靠、安全和經濟性的前提下，綜合考慮上述各種方案的優缺點，本系統各模塊的選型方案如下：

拖動控制系統：采用三相交流異步電動變頻調速系統，以實現節能、穩定運行。

另外，本系統的上位機系統：采用觸摸式顯示屏，以模擬畫面形式顯示出絞車運行的各種狀態、各種參數及各種控制元件工作狀況；主控制系統：采用完全獨立的兩套PLC系統進行過程實時監控實現安全回路的雙線制。在這，由于時間原因就不過多介紹此部分。

6.變頗器原理

變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的。變頻器的工作原理是把市電（380V、50Hz）通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件（GTO、GTR或IGBT）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電，由于采用微處理器編程的正弦脈寬調制（SPWM）方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅動異步電機，實現無級調速。可見通用變頻器由功率主電路和控制電路及操作顯示三部分組成，主電路包括整流器、直流中間電路、逆變器及檢測部分的傳感器。直流中間電路包括限流電路、濾波電路和制動電路以及電源再生電路等。控制電路主要由主控電路信號檢測電路、保護電路控制電源和操作顯示接口電路等組成。高性能矢量型通用變頻器由于采用了矢量控制方式，在進行矢量控制時需要進行大量的運算，其運算電路中往往還有一個以數字信號處理器DSP為主的轉矩計算用CPU及相應的磁通檢測和調節電路。

7.模糊PID變頻器系統原理

前面我們已經提到由于變頻器的設計涉及到很多運算，同時它又對系統的實時性要求比較嚴格，基于這些原因一般采用由DSP為核心的變頻系統。基于DSP的矢量控制調試系統由功率電路、控制系統及輔助電路組成。功率電路由電壓型的交—直—交變壓變頻結構、驅動電路和交流電機組成。控制系統由DSP芯片為核心及其外圍輔助電路組成，用來完成矢量控制核心算法、SVPWM產生、轉矩推算、相關電壓電流的檢測處理等功能。為了擴大使用范圍，該系統設計時考慮了有速度傳感器的情況。輔助電路由輔助開關電源、光電編碼器、濾波放大器和電流互感器組成，以實現給系統提供多路直流電源、電機轉速檢測及放大等功能。

參考文獻：

[1]陳學才.機電設備管理在煤礦生產中的運用[J].經營管理，2010（10）：147.

[2]莫畏、黃興華.高壓變頻器的發展趨勢.電氣時代.2003， NO.2