矿山提升机速度保护装置的设计与应用.doc

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1、矿山提升机速度保护装置的设计与应用摘要根据受控电动机类型的不同，矿山提升机可分为直流驱动提升机以及交流驱动提升机两大类。随着电力电子器件、电动机、驱动控制技术以及控制手段的不断发展，以及生产过程对驱动控制各项性能指标要求的不断提高，近几十年来，交、直流驱动提升机系统得到了快速发展。矿山提升机工作必须确定合理的提升速度以及加速度。如果提升速度以及加速度过大，将导致严重的提升事故；如果提升速度以及加速度过小，则直接影响提升系统的提升能力，降低生产率。因而，提升机司机必须严格按照提升系统速度图的规定进行操作，合理地控制提升机的速度以及加速度。本文依靠分析新生煤矿提升机的工作原理，了解掌握提升机后备保

2、护装置的特点，依靠霍尔传感器检测滚筒或者电机轴转角，换算成提升容器在井筒中的位置。采用频率测速法，先累计单位时间的脉冲数，然后把它换算成速度即实际运行速度。用单片机对提升容器相关数据的采集、分析比较、换算等。研究速度保护装置的组成原理以及功能设计。以湖南省新生煤矿五家冲副井一台型号为XKT231.5B-20的矿山提升机为对象，基于单片机控制安全回路，当速度连续超过安全值0.5s则自动切断电源，编写程序并进行调试，能在现场有效地运行。具体的组织结构如下：第一部分，绪论，包括问题的提出，矿山提升机的发展状况，本课题研究的意义及主要内容。第二部分矿山提升机及其电气控制系统，首先分析矿山提升机的主要组

3、成部分及其作用，在此基础上分析矿山提升机电气控制系统及速度图。第三部分，变频调速系统硬件设计方案。第四部分，单片机变频器构成的调速系统，主要有速度闭环结构、电流闭环结构、变频器设计。第五部分，工业应用。重点分析矿山提升机调速系统实现及其运行结果。第六部分，总结与展望。关键词：矿山，提升机，变频器，调速Analysis on the design and application of mine hoist speed protection deviceABSTRACTAccording to different types of controlled motor, mine hoist can

4、be divided into dc drive elevator and ac drives hoist two kinds big. Along with the power electronic devices, motor, drive control technology and control of the means of development, and production process on the drive control various performance indicators asks is ceaseless rise, in recent decades,

5、 ac, dc drive hoist system has been developed rapidly. Mine hoist work must determine reasonable speed and acceleration of ascension. If improve speed and acceleration spend, will cause severe ascension accident; If improve speed and acceleration through small, is directly influence the ascension of

6、 hoisting system capacity, reduce productivity. Therefore, hoist the driver shall be in strict accordance with the upgrade system speed map the rules of the operation, the reasonable control of the hoist speed and acceleration. Through analysis of new coal mine hoist principle of work, understand ho

7、ist backup protection device features, through the hall sensor test roller or motor shaft corner, convert to ascend in the position of the well bore container. The frequency speed measuring method, first accumulative total the number of pulses per unit of time, and then put it into a conversion spee

8、d at the actual speed. Use single ascending vessel to the relevant data collection, analysis and comparison, conversion, etc. Research the speed of research protection device of the principle and function design. Hunan coal mine in new five rushed auxiliary shaft a model for XKT2 3 x 1.5 B-20 of min

9、e hoist for object, based on single chip microcomputer control security circuit, when speed continuous more than 0.5 s will automatically secure value cut off power supply, write programs and debugging, can in the scene to run effectively. The organizational structure of the specific as follows: the

10、 first part, the introduction, including the problem put forward, mine hoist, the development situation of the significance of the subject and the main content. The second part of the mine hoist and electric control system analyzes the mine hoist first the main component and function, based on the a

11、nalysis of mine gas control system and improve mechanical and electronic speed diagram. The third part is variable frequency speed regulation system hardware design. The fourth part, microcontroller-a speed control system frequency converter, mainly have the speed closed loop, current loop structure

12、, structure design frequency converter. The fifth part is industrial application. Focuses on analyzing the mine hoist speed regulation system implementation and operation results. Part 6 is sums up and prospect. Keywords: mine, hoist, frequency converter, speed目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1问题的提出11.2矿山

13、提升机的发展状况21.3本课题研究的意义31.4研究的主要内容4第2章 矿山提升机及其电气控制系统52.1矿山提升机主要组成部分及其作用52.1.1矿山提升机的组成52.1.2矿山提升机各部分的作用52.2矿山提升机电气控制系统72.2.1提升机控制系统分析72.2.2提升机交流调速方式82.3矿山提升机速度图102.4小结11第3章 变频调速系统硬件设计方案123.1123.2143.3173.4183.519 3.6.20 3.7.21第4章 单片机变频器构成的调速系统204.1调速系统的构成以及体系架构204.2速度闭环控制结构214.3电流闭环结构224.4小结25第5章 工业应用26

14、5.1矿山提升机调速系统实现265.2运行结果分析285.3小结29第6章 总结与展望306.1总结306.2展望30参考文献31致 谢35第1章 绪论1.1问题的提出矿井提升机是矿山生产中至关重要的大型设备，对矿井的生产安全起着非常重要的作用，因而，有着重要的国民经济意义。提升机电力传动系统运行过程复杂，提升机的电动机又经常正反向切换运行，频繁的处于电动以及制动两个状态不断转换以及超负荷的状态。对于提升机来说，提升运行过程中的安全性以及可靠性是至关重要的，特别是用于搭载乘务人员的副井，如果发生故障往往会导致机毁人亡的严重后果，因而，为了保证提升机能够安全可靠的运行，使得提升机的安全性以及可靠

15、性变成研究以及制造时必须首先考虑的至关重要的问题。随着国内矿井生产量的飞速的提高，提高提升机的安全性、可靠性，提高生产效率以及整机的自动化水平，降低操作维护人员的劳动强度，提高处理设备故障的速度等，就变成了非常迫切的要求。因而本文以研究以及设计提升机控制系统为目的，仔细地研究以及分析了提升机系统内部的各个组成部分及其之间的联系，期望更近一步地了解提升机系统，更好地为矿山单位服务，为国民经济的发展提供更好的条件。矿山提升机发展的关键因素是电气控制系统的快速发展。提升机电控系统经历了由继电器控制、分离元件控制、模拟电路控制到微电子(计算机)控制的发展历程。目前已广泛应用的提升机数字控制系统(计算机

16、控制)使矿山提升机的电控系统得到了质的飞跃。采用数控技术后，提升机电控系统具有结构简单、控制精度高、不存在零漂等模拟装置的缺陷、系统功能开发简单等优点；特别是其具有的智能化的信息采集、故障诊断以及在线检测等功能，极大地提高了系统的可靠性，缩短了查找以及排除故障的时间，降低了维护成本。矿井提升是矿井生产的重要环节，在矿井生产中占有十分重要的位置。2005年，依据湖南省煤炭安年全监察局的要求，煤矿在用提升机都必须装设完整的后备保护装置。湖南省新生煤矿五家冲副井的矿山提升机由于机器老化，年久失修，并且很多保护出厂时就没有设计，所以保护装置并不完善。为了保证提升机能够安全的运行，必须配备一套完整的提升

17、机后备保护装置。本课题针对矿山提升机后备保护装置中的防止过速保护装置以及限速保护装置的工作原理进行分析，特别是对提升机速度的监控以防止提升容器超速行驶等问题进行系统地研究。1.2矿山提升机的发展状况当前国内提升机电控系统绝大多数还是转子回路串电阻分段控制的交流绕线式电机继电器接触器系统。该系统不但设备陈旧、技术落后，并且这存在着很多问题：l)转子回路串接电阻，消耗电能，导致能源浪费。2)电阻分级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械的冲击。3)继电器、接触器的频繁动作，电弧烧蚀触点，严重影响接触器的使用寿命，且维修成本较高。4)交流绕线异步电动机上的滑环存在接触不良的问题，很容易

18、引起设备事故。5)电动机依靠转子电阻来获得的低速，其运行特性较软。6)提升容器依靠给定的减速点时，由于负载的不同，将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，容易导致停车位置不准，从而不能正常装卸载。上述问题使得提升机运行的可靠性以及安全性难以得到有效的保障。因而，需要研制更加安全以及可靠的控制系统，提高提升机运行过程中的的可靠性以及安全性。在提升机控制系统中运用计算机控制技术以及变频调速技术，可以对原有的提升机控制系统进行升级换代。从计算机技术在工业现场应用情况来看，可编程控制器(PLC)是目前作为工业控制最理想的机型。它是采用计算机技术、按照事先编好并且储存在计算机内部的一段程序来完成设备

19、的操作控制。采用了PLC控制，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小。PLC技术现已广泛应用于各种提升机的控制，配合一些提升机专用的电子模块组成的提升机控制设备，可以供控制高压带动力制动或者低频制动，单、双机拖动等。操作、监控以及安全保护系统选用了可编程控制器。主控计算机应用软件可以完成提升机自动、半自动、手动、检修以及低速爬行等运动方式的控制要求，在PLC电控系统的基础上配合变频调速装置，运用当下先进的矢量控制技术，不仅适合提升机运行工艺的要求，并且将解决整套提升机系统的电力拖动方面存在的一系列问题。用变频装置取代复杂的串联电阻切换装置，对提升机运行速度曲线、转矩大小的要求都由变频器来完

20、成，也可以简化控制操作流程，提高控制精度。1.3本课题研究的意义 在调研中发现，目前山西省的各大煤矿矿井提升机系统的调速方案大都采用继电器接触器控制的转子串电阻调速。此方案耗能大，占地面积大，已经不能适应现代矿业发展的需要。因而有必要对其调速方案进行改造。在对现行的变频调速方案进行广泛考察后，本文提升机系统控制单元采用了目前工控适用的可编程控制器来控制，具备编程简单以及控制可靠性高的优点;在电力拖动系统中，选用先进的变频传动装置，同时运用先进的矢量控制技术，打到了优化调速系统性能的目的，这一控制方法目前仍是现代交流调速的重要研究方向之一。运用先进的工业计算机、现场总线以及工业自动化技术，严格按

21、照结构标准化、产品系列化、性能现代化、体积小型化的原则，研制以及生产适合矿井提升机电控设备是进行技术改造以及新建矿井设备选型的理想选择。采用上位机监控系统，运用组态模式，实现良好的人机对话;实时地监控提升机的运行状态，上位机动态模拟显示及故障闭锁;可进行故障报警、数据查询、报表打印;记录提升钩数以及每班、每日、每月、每年的提升量累计;故障声光指示、记忆及部分传感器上位机的紧急处理。为了保证提升设备无事故，在提升设备可能出现故障的各个重要环节上，设置双回路系统，并且在系统的各个环节上设置各种检测、控制、自诊断以及记录以及保护装置(如负载、速度、加减速、产量、运行时间等记录)。1.4研究的主要内容

22、本文依靠分析新生煤矿提升机的工作原理，了解以及掌握提升机后备保护装置的特点，并且依靠霍尔传感器检测滚筒或者电机轴转角，换算成提升容器在井筒中的位置。采用频率测速法，首先累计单位时间的脉冲数，然后再把它换算成速度即实际运行速度。用单片机对提升容器相关数据的采集、分析比较以及换算等。研究速度保护装置的组成原理以及功能设计。以湖南省新生煤矿五家冲副井一台型号为XKT231.5B-20的矿山提升机为对象，基于单片机控制安全回路，当速度连续超过安全值0.5s则自动切断电源，编写程序并进行调试，能在现场有效地运行。第2章 矿山提升机及其电气控制系统2.1矿山提升机主要组成部分及其作用2.1.1矿山提升机的

23、组成矿山提升机作为一个大型的机械电气机组，它的主要组成有：工作机构(包括主轴装置及主轴承)；制动系统(包括制动器以及制动器控制装置)；机械传动装置(包括减速器、离合器以及联轴器)；润滑系统(包括润滑油泵站以及管路)；检测及操纵系统(包括操纵台、深度指示器及传动装置以及测速发电装置)；拖动、控制以及自动保护系统(包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统以及信号系统)以及辅助部分(包括机座、机架、护罩、导向轮装置以及车槽装置)等。图2.1 矿山提升机机械传动系统示意图矿山提升机原系统的工作过程是，操作工人手握操纵杆，操纵杆前后各三档控制电动机的正转三段速度、反转三段速度。不管电动机正转还是反转，都

24、是从矿井中将煤拖到地面上来，电动机工作在正转以及反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动。2.1.2矿山提升机各部分的作用（1）工作机构1)缠绕或者搭放提升钢丝绳。2)承受各种正常载荷(包括固定静载荷以及工作载荷)，并将此载荷经过轴承传给基础。3)承受在各种紧急制动情况下所导致的非常载荷，且在非常载荷作用下，主轴装置的各部分不应有残余变形。4)当更换提升水平时，能调节钢丝绳的长度(仅限于单绳缠绕式双滚筒提升机)。（2）制动系统 1)制动器：在提升机停止工作时，能可靠地闸住滚筒。在减速阶段及下放重物时，参与提升机的控制。紧急制动情况时，能使提升机安全制动，迅速停车。在调节双滚筒提

25、升机钢丝绳的长度时，能制动住提升机的游动滚筒。 2)制动器控制装置：调节制动力矩。在任何事故状态下进行紧急制动(即安全制动)。 3)为单绳双滚筒提升机调绳装置的调绳离合器油缸提供所需的压力油。 （3）机械传动系统 1)减速器。减速器的作用是减速以及传递动力。根据提升速度的要求，提升机主轴的转速一般在2060r/min之间，而拖动提升机的电动机转速通常在480960r/min的范围内，因而，除采用低速直流电机拖动外，不能把电动机与主轴直接连接，必须经过减速器减速。 2)联轴器。主要用来连接提升机的旋转部分，并起传递动力的作用。 （4）润滑系统 在提升机工作时不间断地向主轴承、减速器轴承以及啮合齿

26、面压送润滑油，以保证轴承以及齿轮能良好地工作。润滑系统必须以及自动保护系统与主电动机连锁，当润滑系统失灵时(如润滑油压力过高或者过低，轴承温升过高等)，主电动机断电，由提升机进行安全制动。在启动主电动机之前，必须先开动润滑油泵，来确保提升机在充分润滑的前提下工作。 （5）检测及操纵系统 1)操纵台。操纵台上装有各种手把以及开关，是操纵提升机完成提升、下放等各种动作的操纵装置。操纵台七装有各种仪表，向司机反映提升机的运行状况及设备的工作情况。 2)深度指示器。指示提升容器的运行位置。容器接近井口卸载位置以及井底停车场时，发出减速信号。当提升机超速以及过卷的时候进行限速以及过速保护。 对多绳摩擦式

27、提升机，深度指示器还能自动调零，来消除由于钢丝绳在主导轮摩擦衬垫上的滑动、蠕动以及自然伸长等导致的指示误差。 3)测速发电装置。依靠设在操纵台上的电压表来向司机指示提升机的实际运行速度。参与等速运行以及减速阶段中的超速保护。 （6）拖动、控制以及自动保护系统 拖动、控制以及自动保护系统包括主电动机、电气控制系统、自动保护系统以及信号系统。2.2矿山提升机电气控制系统2.2.1系统主要特点所有的带式输送机均为双传动滚筒，用联动齿轮传动，工作时 1 用 1 备，即双驱单用结构，解决了由于电动机或减速机出现故障而使整个系统停产的问题，大大提高了运行的可靠性。各带式输送机均配备软启动器，实现了平滑无冲

28、击起动；所有的开关及综合保护装置型号统一，减少了配件种类，降低了设备维护与维修费用。所有的电器设备等均具有防爆性能。带式输送机用彩钢瓦密封，机头、机身、机尾用不同颜色，并在上、下调心托辊处作标记，方便调偏及日常维护。该运输系统已于 2009 年在石壕煤矿安装调试完毕，设备运转正常。石壕矿年产量由 80 万 t 提高到了 200 万 t。转弯运输系统比较好地满足了长距离、巷道转弯较多且转角较大的井下运输使用要求，经济显著。矿井提升机电气控制系统中的应用目前矿井提升机电控系统大量运用各种现路总线以及网络，以提高系统的自动化程度，方便监控以及管理。对工业网络来说，通信质量非常重要，通信的稳定性直接关

29、系到生产安全以及效率，因而对信号。信号传输可以分为有线传输以及无线传输，有线传输又可分为电气介质 (普通电缆) 传输以及物理介质 (塑料光纤，玻璃光纤等) 传输。在现场总线级网络中普遍使用的是屏蔽电缆传输。电缆由于线材本身特性的问题，传输速率较低，传输距离受到限制，在充斥着电磁波的使用环境中，电磁波的干扰更使普通电缆传输的效率降低，甚至出现通信故障。提升机电控系统一般安装在提升机机房，环境比较好，如果安装规范，使用屏蔽电缆通信成本较低，效果也比较好。若通信范围扩大到室外井筒，通信网络需要从机房延伸至井筒的底部，通信距离超过 1 000 m，加上井筒中环境潮湿，各种电缆集中敷设，网络通信易受干扰

30、，由此引起的维护工作量增大，而光缆受自然环境影响小，且不受电磁环境影响，可以很好地解决传输过程中的各种问题。2.2.2提升机的特点 (1)提升范围广 该类提升机对物料的种类，特性及块度的适用范围广。不仅能提升粉状以及块状普通物料，并且可提升磨琢性较强的物料. (2)输送能力大 该系列提升机具有NE15NE800多种规格。提升量范围为15800m3/h。 (3)驱动功率小 这类提升机采取流入式喂料，重力诱导式卸料，且采用密集型布置的大容量料斗输送，链速低提升量大。物料提升时，几乎无回料现象，因而驱动功率小，理论计算轴功率是环链提升机的25%45%。 (4)使用寿命长提升机的喂料采取流入式，材料之

31、间很少发生挤压以及碰撞现象，本机的设计保证物料在喂料、提升以及卸料中不会撒落，这就防止了磨粒磨损，输送链采用板链式高强度耐磨链条，延长了链条以及链斗的使用寿命。 (5)提升高度高该系列提升机链速低、运行平稳、且采用板链式高强度耐磨链条，因而可达较高的提升高度（高达40M）。 (6)运行可靠性好先进的设计原理，保证了整机运行的可靠性，无故障时间超过了3万小时。操作、维修方便，易损件少。 (7)结构尺寸小与同等提升量的其它各种提升机相比，这种提升机的结构尺寸较小。 (8)加工精度高2.2.3 风光提升机变频器网络化系统网络化操纵台，双plc双线制控制。操作系统、调速系统、监控系统之间依靠工业局域网

32、络进行系统通讯及信号交换，留有与信号系统进行联网的接口，具有远程监控传输功能。加、减速过程平滑调节。（1）操作以及安全保护系统选用两套不同配置的plc，互为冗余控制，对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等）均采用多线制保护，互为监视。（2）具有手动、半自动、检修及应急控制等各种控制方式。保证速度图为s曲线。（3）具有以下多种保护功能：防过卷保护；防过速保护；防过负荷保护、防欠电压保护；限速保护；深度指示器失效保护；闸瓦过磨损保护；松绳保护；信号方向闭锁等。（4）安全保护有三种状况（轻故障允许一次开车，严重故障，较严重故障），并实现不同的处理措施：轻故障允许一次开车，本次运

33、行结束后不维修好，不能再次开车。选用双套plc，双plc之间既有软件上的联锁，又有硬件上的联锁以及看门狗电路，对plc的运行进行监视，防止由于plc死机或者其他意外情况，导致plc故障时能及时监测并参与安全保护。操作台上装有19液晶触摸屏、指示灯、仪表、选择开关、按钮、音响设备等，能实现提升机运行的各种控制工艺的要求，实现静、动态参数及故障参数中文彩屏显示，故障自诊断及查询。较严重故障实现先减速到1m/s后实施安全制动（包括机械深度指示器失效、松绳保护、编码器位置偏差过大、制动油路故障、闸瓦磨损、主回路过压、接地或者欠压等）。严重故障实现立即启动安全回路实施安全制动（包括等速过速、限速过速、包

34、络线超速、爬行段超速、高低压电源故障、过流、变频器故障、错向、plc故障、过卷、急停操作、网络通讯故障、2只测速元件同时损坏、主回路失压、速度比较错误、残压高、电机温度过高等）。主控plc软件能完成提升机手动、半自动、自动、检修、慢动、紧急控制开车等运行方式的控制要求。控制与监视提升系统各路电源，满足其控制功能及各项安全保护。对调速系统行程速度给定的控制，自动减速保护，停车时自动抱闸停车。与信号系统、控制系统之间的提升信号闭锁，具有完善的保护功能及远程诊断功能。辅控plc具备电子数字监控器的功能，进行深度值、速度值、限速值等的指示，依靠与主控系统的联锁。实现过卷、定点限速、全速过速、减速过速、

35、开车错向、断轴保护等另一套安全保护，并参与系统控制。主/辅控plc均安装在操作台台体内，并与监控系统进行网络通讯，各种信号线依靠通讯电缆完成，实现网络化控制。2.2.4 现场应用情况及运行效果大阳煤矿提升机变频设备改造工程调试一次成功，变频器已经平稳运行半年时间。使用变频器后有以下优点：（1）变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低。（2）调速方便，连续平滑调节。（3）实现了低频低压的软起动以及软停止，使运行更加平稳，机械冲击小，避免了掉道现象。（4）启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过1.3倍的额定电流，提升

36、机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，没有大电流出现，减小了对电网的冲击。（5）增加了交流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免了“溜沟”现象。（6）采用回馈制动技术，成功解决了位能负载再生发电能量处理问题，保证了变频器的安全运行。（7）节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到37%以上。（8）采用变频控制后，原绕线式电机可改为普通电机，这不但降低了成本，普通电机比绕线式电机可节约投资1/3，并且避免了转子炭刷的烧损及维护。2.2.5提升机控制系统分析我国提升机设备中，普遍采用继电器有触点的逻辑控制，以磁放大器为核心组成模拟量闭环调节。在继电器控制系统中，支配控制系统工作的“程

37、序”是由各分立元件（继电器、接触器、电子元件等）用导线连接起来加以实现的，这样的控制系统称为接线程序控制系统。在接线程序控制系统中，控制程序的修改必须依靠改变接线来实现。继电器控制系统如图 2.1所示。输入设备(按钮、行程开关、限位开关、传感器等)用以向系统送入控制信号。输出设备（接触器、电磁阀等执行元件）用以控制生产机械以及生产过程中的各种被控对象。图2.1 继电器控制系统框图(1)主提升机是矿井机电设备“四大件”之一，保护与控制系统相对复杂。(2)主提升机的运行可以划分为“加速等速减速”3个阶段，其中等速运行阶段的控制最为简单，加速与减速控制相对复杂，尤其是在减速阶段。(3)与其他设备电气

38、控制系统的一个显著区别在于：主提升机涉及的控制回路最多，控制系统内的继电器相应也很多(根据提升机的不同，大约在3050个之间)，各继电器的常开与常闭触点更多(大约在150200个之间)，并且各继电器之间，各触点之间存在了大量的串、并联关系，如与安全回路有关的就有20个触点，任何一个触点的动作都可能影响到安全继电器的吸合。由于触点多，很容易接错线，所以对线位号应很好的研究。(4)对提升机的控制大体可以分为电控与液控两大部分(电控主要操作主令手柄，液控主要操作制动手柄)，其中：电控主要依靠各类继电器与触点进行控制，它大体可以分为主回路、安全回路、调绳联锁回路、换向回路、调速回路、信号回路、过速保护

39、回路、过卷保护回路、深度指示仪回路、延时继电器回路等。液控的最终目标是完成对提升机的紧闸与松闸，其动力来自于液压泵站，但液压泵站油压的大小又与相关电气设备有关，这些电气元件主要有磁放大器、可调闸自整角机等。2.2.6提升机交流调速方式交流电动机包括异步电动机、同步电动机以及开关磁阻电动机。这类电动机结构简单、坚固耐用、造价较低、运行可靠，特别是笼型异步电动机以及永磁同步电动机更可免维护。在单机容量、速度极限、供电电压等方面均优于直流电动机，在国民经济各个领域获得了广泛应用。由于交流电动机是一个多变量、强耦合、非线性、时变的复杂系统，从原理上看其调速性能不如直流电动机，但随着电力电子技术、微电子

40、技术、微机控制技术以及电动机控制理论的发展，使交流电动机调速技术得到了飞速地发展并进入了工业实用。特别是矢量变换控制以及直接转矩控制技术等高性能交流调速技术的出现，使交流调速系统性能已能与直流调速相媲美，交流调速传动已变成电力传动的主流技术。四象限运行的核心是能量从负载向电源的回馈。交直交电压源型变频器采用大电容滤波，直流环节电压Ua极性不能改变；若负载电动机作发电运行，直流环节电流Id将改变流向，促使能量从负载泵人电容，引起Ud升高。此时必须采取能量消耗或者回馈电源的措施予以抑制。能耗制动。在直流母线上并接能耗电阻R0，及电子开关VT0，当Ud高于设定值时VT0导通，使回馈能量依靠R0泄放而

41、使Ud下降，电动机产生制动转矩。由于受能耗电阻温升限制，该方法只能用于小功率及无需快速制动的场合。（1）变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对达到调速目的，绕组有多少种极对数，转速就有多少级。改变定子极对数的办法有：在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组；在同一套定子绕组，改变它的联结方法，得到不同的极对数；在定子槽里放上两套极对数不同的独立绕组，而每套独立绕组本身又可以依靠改变它的联结方法，得到不同的极对数。特点如下：具有较硬的机械特性，稳定性良好；无转差损耗，效率高；接线简单、控制方便、价格低；有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速方法可以与调

42、压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。（2）变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速时可以从基频往下调，也可往上调。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器以及交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；技术复杂，造价高，维护检修困难。3、改变转差率调速改变转差率的方法主要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速以及串级调速。下面分别介绍。a 定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，

43、可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因而最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱以及电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于 100KW 以下的生产机械。b、转子电路串电阻调速方法绕线式异步电动

44、机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。 绕线式异步电动机转子串电阻后能够限制启动电流以及提高启动转矩，用逐段切除电阻的方法，能在一定范围内进行调速。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。c、串级调速串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用装置，把吸收的转差功率返回电网或者转换为其它能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。应用中多

45、采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或者生产机械上，效率较高；装置容量与调速范围成正比，投资小，适用于调速范围在额定转速 7090的生产机械上；调速装置故障时可以切换 至全速运行，避免停产；晶闸管串级调速功率由于数偏低，谐波影响较大。综上所述， 直流调速的电枢以及励磁是分开的，能够精确控制；且直流调速转矩速率特性好并能在大范围内平滑地调速，因而在矿井提升系统中得到广泛应用。电刷是直流电动机的一个重要部件，但在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易导致电枢两极短路，危及整个系统的安全。但交流电机不存在电刷损坏的问题，因而也得到广

46、泛应用，但交流调速性能离直流电机优越的调速性能还有差距。随着电子科技技术的发展，运用现代控制理论，将直流调速原理应用于交流调速控制系统中，使交流调速在很大程度上得到发展。2.3矿山提升机速度图 提升机自动控制的要求是：严格按照规定的速度图控制提升容器的运行；在规定的位置上实现准确停车。速度图根据提升机以及容器的形式、任务、绳速以及井口装备等因素确定。提升机自动控制的关键是控制减速阶段的速度，一般依靠行程调节器实现。提升容器自动装卸载的关键是设备的可靠性。我国目前多采用定容斗的装载设备。自动信号以及保护系统包括水平选择、方向选择、深度指示、速度指示以及故障信号等，以及超速、限速、限位、闸瓦磨损、

47、松绳、压力监视、深度校正等保护环节。提升机速度图是反映在一个运行周期内提升容器运行速度随时间变化规律的图。依靠速度图可以了解初加速、主加速、等速、主减速、爬行及抱闸停车、停车休止等各个阶段的运行时间，以及提升容器作上下往返、周期性变化的规律。立井罐笼提升机速度图如下图所示：图2.2立井罐笼提升机速度图v(m/s)tO1)加速阶段t1 提升机刚启动，以加速度a1进行加速阶段运行，加速度不得超过0.75m/s2。 (2)等速运行阶段t。 罐笼以最大速度等速运行，加速度为零，此阶段的速度最大不得超过12m/s。 (3)减速阶段t3 提升机以减速度n。进行减速，以实现提升机平稳停车，减速度不得超过0.75m/ s2。 (4)爬行阶段t4 低速爬行阶段，使提升机在停车前有稳定的低速运行阶段，爬行速度一般取0.30.5ms。 (5)机械抱闸阶段t5 机械抱闸使提升机速度降为零。 (6)停车休止阶段口此时提升机停止运行，可以上下人员或者装卸矿车。2.4小结 本章主要分析矿山提升机及其电气控制系统，从矿山提升机主要组成部分及其作用，矿山提升机电气控制系