2022年矿井提升系统节能控制措施的研究

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1、1 / 32 矿井提升系统节能控制方案的研究摘要矿产资源是国家自然资源的重要组成部分，是国民经济的基础，而矿井提升机是矿山生产的关键设备。提升机的电控装置性能怎样，将直接影响矿山生产的安全与效率。本课题设计了新型提升机控制系统，介绍了矿井提升机的产生与发展过程。分析了传统的转子串级调速方法功耗情况和优缺点，以及采用变频调速的控制方法电机的功耗情况，在此基础上分析了传统绕线式电机调速控制系统的特点以及变频调速系统的特点。论文研究了矿井提升机的提升控制及速度控制、实现了节能、安全性的要求，着重研究了系统的变频调速方案、研究了变频调速系统的工作原理，并对转子变频调速进行了建模。分析了提升机控制系统的

2、组成以及开车方式的控制。设计了提升机自动控制系统的监控系统；通过给定参数的计算和具体数据的比较，证明了这种控制方式的优越性和实用性。最后，研究了 PROFIBUS 现场总线在提升机控制系统中的作用，设计了提升机的控制系统网络以及通讯参数的设置，研究了提升机控制系统的节能效果以及其他方面的优点。关键词 矿井/ 提升机/ 节能/ 变频调速 / 速度控制精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 32 页2 / 32 RESEARCH THECONTROLOFMINEHOIST SYSTEM ENERGY PROGRAM ABSTRACT

3、 The mineral resource is an important part of the natural resource, it is the foundation of the national economy, and the mine hoist is the key equipment in the mine production.The function of the hoists electronic device will directly determine the safety and efficiency of the production in mines.T

4、he paper designs the hoist control system,which using the computer software and hardware technology 、fieldbus technology 、 frequency conversion technology and PLC technology,in order to make the hoist achieve safe, energy-saving purposes. The paper discusses the development of the mine hoist ,then a

5、nalysis the advantages and disadvantages of traditional winding motor speed control system and the frequency speed regulation system. Through researching the mine hoist control 、the speed control、the requirements and characteristics of the energy saving and safety ,then analysis and design the rotor

6、 frequency control system theory and program, S-shaped given speed curve and double PLC control system. Discusses the composition of the hoist control system and the style of driving control. Design the monitoring system of the control system, analysis the characteristics of the hoist control system

7、 and the importance of production in the coal mine.It fully indicates the superiority and practicability of this control method. Finally, it discusses the importance of the PROFIBUS field bus in control system , analysis the elevator control system network,sets the communication 精选学习资料 - - - - - - -

8、 - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 32 页3 / 32 parameters,analysis the energy saving of the hoist control system and other aspects of advantages. KEY WORDS mine，hoist，energy-saving。，frequency speed ，speed control 目录：1. 绪论1.1课题来源与研究背景1.2课题研究的意义1.3课题在国内的研究简况、水平和发展趋势2. 提升机控制系统的基本简况 2.1 矿井提升机的简况 2.2 矿井提升机控

9、制的系统工作方式3. 提升机变频调速系统 3.1 转子变频调速控制系统的特点 3.2 转子变频调速原理与方案 3.3 转子变频调速系统的工作原理和建模 3.4 逆变器的控制 3.5 变频器节能分析4结合矿井提升机的具体的参数分析方案的节能情况 4.1 矿井系统的参数的计算 4.2 计算并比较具体的节能情况。结束语致谢参考文献1 绪论矿产资源是国家自然资源的重要组成部分，在国民经济中占有重要地位，而矿井提升机是矿山生产的关键设备，提升机的电控装置性能如何，将直接影响矿山生产的安全与效率。目前，我国在煤炭、冶金、电力等场合已大量使用高压交流绕线式电机拖动的大型设备，但其调速控制多采用转子串联电阻调

10、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 32 页4 / 32 速、转子串级调速、高压软启动等调速方式，调速性能比较差，能源浪费严重。目前也有部分调速设备使用高压变频调速，调速控制效果好、节能效果明显。但是一般的电机变频调速控制都是针对定子回路的，而高压绕线电机的定子电压一般都在6KV 或者 10KV。采用 6KV 或 10KV 的高压变频器，需要解决元件的耐压性问题、矢量控制问题，进而造成技术难度的增加，造成的可靠性降低、制造成本大幅提高。所以，目前国内外很少有调速设备使用6KV 或者 10KV 的矢量控制变频器进行变频调速，而

11、且国内国外多家公司的高压变频技术方案也各不相同，设备通用性差，对于高压电机恒转矩运转的工况，没有完善的矢量控制方案可供选择，大多数高压变频器只能可靠地应用在风机水泵等设备，对于大转矩负载启动还不是很可靠。所以，给煤矿设计一个安全、高效、节能的提升机控制系统迫在眉睫。其主要原因可以概括如下: 1）煤矿工业等重工业属于能耗比较大的产业，能耗在各个行业中名列前茅。据有关资料统计：冶金系统年耗电量约占全国总发电容量的10% 左右，其中要求调速的设备占总容量的90%左右，在国家大力提倡节能减排的大背景下，对其进行相关方面研究，具有重要的经济性能和很强的指导意义。2）煤矿工业产量大、经济效益高，同时要求不

12、间断作业率相对较高。过去，由于特定的技术和生产要求，直流电机由于其独特的结构特点，一直占据主导地位，随着生产技术的发展和控制理论的成熟，直流电机的弊端越来越得以显现：如：日常的维护量相对增加；对安装环境的要求相对苛刻等。逐渐的，交流调速由于其良好的经济性能和调速性能大有取代直流电机之势。特别是近十几年来随着电力电子技术、控制理论、微电子技术的发展以及计算机控制的应用，使交流调速迅速发展, 其调速特性与直流调速性能几乎完全一样甚至更优, 具有了完全代替直流电动机的可行性和可操作性。3）变频调速经济效益好。交流调速有许多种方法，例如：异步电机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、变频调速等，但主流

13、还是变频调速。变频调速的变频电源又分为旋转变频机组和静止变频装置两种，由于旋转变频机组设备庞大且一般较为复杂，故已被静止变频装置所代替。现在所指的变频调速绝大部分是指静止变频调速装置即变频器逆变器） ，据统计 , 使用静止变频调速以后, 系统节电性能明显提高，最少节电为1%3%。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 32 页5 / 32 目前，大多数中小型矿井所用提升机的控制系统普遍采用交流绕线式电机转子串电阻的调速方式。控制系统在调速过程中有以下缺点：交流接触器动作频繁，电器元件使用寿命低，回路接点数量较多，设备故障率较高，

14、安全性较差；转子外电路所串的电阻产生相当大的能量损耗；该调速系统属于开环串级调速，调速的平滑性差，调速和换挡过程中电流冲击大，低速时机械特性较软，静差率较大，对设备产生较大的冲击，进而影响提升系统的运行质量。随着变频技术以及PLC 技术的迅速发展，使得矿井交流提升机控制系统的变频改造成为现实。在本系统中设计了提升机节能控制系统。将高压绕线电机的定子短封，利用变压器的输出电压与变频器的输出电压以及交流绕线电机的转子电压相匹配，通过目前成熟的低压通用型矢量控制变频器技术，可以实现高压交流绕线电机的变频调速，因为高压绕线电机的转子电压较低，转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可，这样可以使用

15、低压变频器解决高压电机的变频调速问题。与高压定子变频调速控制相比，设备简单、通用性强、可靠性高，价格低廉。利用变频技术与 PLC 应用技术以及计算机监控系统相结合，已成为设计控制系统的主导。其可以从部件、单机和系统多层次保证高可靠性要求，同时兼顾经济性、实用性。本控制系统硬件、软件采用模块化、结构化的设计，以便于硬件设备的扩充，又能适应功能的增加和系统规模的扩展。该系统还具有开放、标准的现场总线接口能力，实时性好、抗干扰能力强、人机接口功能强，操作简单、方便、灵活，并在保证系统的实时性和可靠性等技术指标的同时，使系统的可维护性好。2 矿井提升机及其电控系统的发展状况2.1 矿井提升机的发展状况

16、国外的矿井提升机发展较早，目前已有200 多年的历史，大致分为两个阶段，第一阶段：蒸汽机拖动矿井提升机。伴随着蒸汽机应用到煤矿领域，彻底改变了生产状况，蒸汽机的使用让煤炭生产有了飞速的发展。第二阶段：电力拖动提升机。电机、电气技术的发展使得矿井提升机的拖动及控制技术有了质的飞跃，使得整个矿井提升系统实现了自动运行。我国矿井提升机的制造起步较晚，新中国建立后，经过三年的经济恢复才精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 32 页6 / 32 陆续开始。一五计划初年，抚顺中型机械厂制造了我国第一台单绳缠绕式双滚简筒提升机： 1958

17、年，原洛阳矿山机械厂在仿制苏联型矿井提升机的基础上自行设计和制造了我过第一台DJ2型多绳摩擦式提升机，改革开放后制造了JK 系列单绳缠绕式提升机，此系列提升机结构新颖、技术先进，提升能力平均提高 25%。1992 年直连式多绳摩擦提升机的出现为我国继续加深开采和加大生产量提供了良好的设备支持。到现在为止，我国提升机及其配套设备从设计、制造、自动控制等各个方面有较大提高，己跻身世界先进行列1。我国目前使用的提升机按类型分为缠绕式、摩擦式和内装式。其中，缠绕式又分为单绳和双绳缠绕式，摩擦式又飞为单绳和多绳摩擦式。某矿副井提升机即是单绳缠绕式提升机。如图1 所示，。这类提升机在我国矿井中应用广泛，可

18、以用在立井斜井和开凿井提升中。其工作原理简单，将钢丝绳的一端固定在提升机滚筒上，钢丝绳缠绕滚筒后，另一端绕过井架的天伦连接在提升机容器上，通过滚筒的正、反转完成重物的提升和下放。图 2-1 单绳缠绕式提升机摩擦式提升机依靠钢丝绳与主导轮上的衬垫之间的摩擦力，使提升钢丝绳与主导轮一起运动，从而带动钢丝绳下部悬挂的提升容器提升或下放。摩擦式提升机适用于深井，并且采用尾绳平衡减小张力差来保证系统可靠性。内装式提升机是把电机装在摩擦轮内部，使得电机转子与摩擦轮成为一体。空心的主轴作为冷却风道，从而达到使内部电机降温的目的。世界上第一台内装式提升机 1988年在德国豪斯 -阿登矿投入运行。目前国际上提升

19、机提升速度已到达20M/秒，一次有效提升量超过60 吨，电机容量达到15000KW，滚筒直径达到9M ，多绳摩擦最多绳数为10，罐笼一精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 32 页7 / 32 次乘人数达到 300 人。2.2 矿井提升机电控系统发展现状目前，我国矿井提升机90%以上是采用单机容量在1000KW 以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串电阻调速，由继电器和接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机 -发电机组 F-D 机组）供电，采用晶闸管整流传动SCR-D）的只占一部分。传统交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，

20、调速时能量大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的停车位置。目前多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速。爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一个原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，相互影响1986年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了深度指示器、自动减

21、速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有了改善2-4。随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展，目前国内外生产的提升机，其控制、监视及保护措施已由原来的继电器或半导体逻辑单元的技术水准发展到多 PLC、智能仪表的数字控制以及上位工控机监控的网络控制技术水准5-6。提升机电控系统的特点如下：1）四象限运行矿井提升机在提升和下放的不同阶段有正力，也有负力：有正转，也有反转：有电动，也有制动，所以提升机运行必须满足四象限运行要求。2）速度准确、可靠提升机是位置控制系统，对在提升和下放过程中有什么位置加速，等速、减速、爬行有严格要

22、求。3）直观显示行程精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 32 页8 / 32 提升机的操作人员在控制提升机上提和下放的过程中，需要明确提升容器的实时位置。现在配合电控系统装有立式深度指示器、圆盘式深度指示器或数字深度指示器。2.5倍一分钟：d低频运转时，有自动转矩提升功能，能保证100%的额定转矩：e 变频器设有过电压，欠压，过流，过载，功率元件过热和电机缺相等保护功能，设有故障记忆功能。2、主要技术原理 a.变频器在低频运转时，也保证有100%的额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的 2.5倍。 b. 绞车在减速段或重物下放操

23、作时系统能自动转入发电回馈状态，使制动更平稳，操作更平稳，操作更简单，提高了安全可靠性能。 c. 操作简单可靠，司机可通过主令手把控制绞车无极调速运行，实现绞车的启动、等速、减速、爬行功能。2.3.2 提升机控制系统的连锁保护PLC 内部由程序设置一条安全回路、外部有一跳安全回路，与监控系统一起在完成煤矿安全规程规定的各种保护和系统本身所必须的保护。关键环节如减速点、超速、过卷等采用三重保护，各安全回路之间互相冗余。重故障精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 32 页9 / 32 具有声、光报警功能，轻故障采用预报警方式。1、

24、矿井提升机的控制功能根据提升机起动、等速运行、减速、停车、验绳、换向以及安全保护的设计要求，改变相应电控系统的工作状态，实现必要的电气联锁和保护功能。2、提升机控制系统的保护及连锁功能（1） 安全制动时，配合液压站安全阀使提升机实现一级或二级制动：同时变频器进入回馈制动状态，工作闸继电器及动油泵等控制回路断电，使制动油压降为零。（2） 任何情况下，只有司机接到开车信号后，才能使提升机运行。（3） 当提升过程中发生润滑油压力过高、过低，润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温过高时，上位机上有相应的故障信息显示，点亮相应信息灯，告知司机可以完成本次提升工作，当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。

25、（4） 当提升机因发生故障在中途停车，而且提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车：若提升容器不在减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车：若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车信号，允许司机高速开车。（5） 全矿停电时，由plc 保证提升机能实现二级制动，并做好提升机的后备保护。（6） 盘式制动器的工作制动力矩可调，紧急制动安全制动）能产生二级制动，避免机械冲击。（7） 其他连锁保护：工作闸处于全制动位置时，2JC以上接触器不能上电：动作制动开车时， 5JC以上接触器不吸合：转子电阻接触器任意辅助触点卡死，换向

26、器接触柜不工作，电机不能启动：换向柜柜门闭合不紧高压柜断路器不闭合：旋转“过卷恢复”转换开关，左侧或右侧屏蔽上过卷或下过卷时只精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 32 页10 / 32 能向相反方向开车，零位时才能两个方向开车。3 提升机变频调速系统以及行程控制系统的设计3.1 提升机转子变频调速的控制方案我国普遍存在着工业生产能耗高，能源浪费严重的现象，其中提升机和水泵以及风机类是应用最广耗电量大的机械，用电阻制动、阀门、挡板调节流量造成电能严重浪费，节能是急待解决的问题。采用高效先进的调速手段正是行之有效的解决途径之一。

27、应用于提升机、风机、水泵类的中高压电机改造，主要为三相异步电动机，包括鼠笼型和绕线型。使用异步电动机，将变频调速基本原理应用于转子侧，因为转子侧使用低电压，所以技术复杂度降低、体积大为缩小、可靠性高、价格也适中。矿井提升机的主要控制任务主要有三个：其一是重物或空载提升，此时电动机的正向转矩作用：其二是空载或轻载下降，电动机的转速和转矩都是负的：其三是重物下放。即提升机钩在运行中不但具有动能，而且还具有重力势能，其经常处在正反转、反复起停、制动过程中，速度变化大。根据这些因素本传动系统调速单元采用转子变频调速，以提高传动系统的运行效率和效能，节约电能。3.1.1 转子变频调速控制系统的特点变频调

28、速能够应用在大部分的电机拖动场合，由于它能提供精确的速度控制，因此可以方便地控制机械传动的上升、下降和变速运行。变频应用可以大大提高工艺的高效性 变速不依赖于机械部分），同时可以比原来的定速运行电机更加节能。变频调速的主要特点如下：1）控制电机的启动电流，当电机通过工频直接启动时，它将会产生7 到 8 倍的电机额定电流。这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压启动当然可以适当加转矩提升）。一旦频率和和电压的关系建立，变频就可以按照V/F 或矢量控制方式带动负载进行工作。使变频调速能充分降低启动电流，提高绕组承受力，用户最直接的好处就是电机

29、的维护成本将进一步降低，电机的寿命则相应增加。2）降低电力线路电压波动，在电机工频启动时，电流剧增的同时，电压也会大幅精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 32 页11 / 32 度波动，电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量。电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常，如PC机、传感器、接近开关和接触器等均会动作出错。而采用变频调速后，由于能在零频零压时逐步启动，则能最大程度上消除电压下降：3）启动时需要的功率低，电机功率与电流和电压的乘积成正比，那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大

30、大高于变频启动所需要的功率。在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限，其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响，从而将受到电网运行商的警告，甚至罚款。如果采用变频器进行电机起停，就不会产生类似的问题。4）可控的加速功能，变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速，而且其加速曲线也可以选择直线加速、S 形加速或者自动加速）。而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动。这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗，降低机械部件和电机的寿命。另外，变频启动还能应用在类似灌装线上，以防止瓶子倒翻或损坏。 5）可调的运行速度，运用变频调速还能优化工艺过程，并

31、能根据工艺过程迅速改变，还能通过远控PLC 或其他控制器来实现速度变化。受控的停止方式：如同可控的加速一样，在变频调速中，停止方式可以受控，并且有不同的停止方式可以选择减速停车、自由停车、减速停车+直流制动），同样它能减少对机械部件和电机的冲击，从而使整个系统更加可靠，寿命也会相应增加。8）节能：离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗，这在十几年的工程经验中已经得到体现。由于最终的能耗是与电机的转速成立方比，所以采用变频后投资回报就更快，厂家也乐意接受。9）可以运行控制：在变频控制中，要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置，只需要改变输出电压的相序即可，这样就能降低维护成本和节省安装

32、空间。10）减少机械传动部件：由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出，从而节省齿轮箱等机械传动部件，最终构成直接变频传动控精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 32 页12 / 32 制系统。从而就能降低成本和空间，提高稳定性。目前，我国早煤炭，冶金、电力等场合已大量使用高压交流绕线电机拖动的大型设备，但其调速控制多采用转子电阻调速、转子串级调速、高压软启动等控制方式，调速性能较差，能源浪费严重。目前也有部分设备使用高压变频调速控制，调速控制效果、节能效果好，但是通常的电机变频调速控制都是针对定子回路的，而

33、高压绕线电机的定子电压一般都在6KV 或者 10KV 。采用6KV 或者 10KV 的高压变频器，需要解决元件耐压问题、矢量控制问题，技术难度的增加，造成可靠性降低、制造成本大幅提高。所以，目前国内外很少使用 6KV 或者 10KV 的矢量控制变频器进行变频调速的设备运行，而国内外多家公司的高压变频技术方案也各不相同，设备通用性差，对于高压电机恒转矩运转的工况，没有完善的矢量控制方案可供选择，大多数高压变频技术只能可靠应用在风机水泵等设备，对于大转矩负载启动还不是很可靠30。将高压绕线电机的定子短封，利用变频器的输出电压与变频器的输出电压以及交流绕线电机的转子电压相匹配。通过目前成熟的低压通用

34、型矢量控制技术，可以实现高压交流绕线电机的变频调速，因为高压绕线电机的转子电压较低，转子变频的电压等级只要与电机转子电压匹配即可，这样可以使用低压变频器解决高压电机的变频调速问题，与高压定子变频调速控制相比，设备简单、通用性强、可靠性高，价格低廉。在设计本电控系统时，从本电控系统的特点和实际调速需要选用西门子公司 6SE70 系列逆变器 +整流回馈装置，其具有调速范围广，调速精度高，调速性能好的特点，当提升机运行于负力状态时，变频器自动向供电电网补偿供电，使电机处于发电回馈制动状态工作，运行平稳，而且节省了大量的电能，从而提高经济效益，也对电网和电机起到有力的保护作用。同时，该装置还有以下优点

35、：1）变频系统甩掉了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。2）实现了低频低压的软启动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小。3）启动及加速过程冲击电流小，加速过程最大启动电流不超过1.3 倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无极地升至高速，避免大的波动电流，大精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 32 页13 / 32 大地减小了对电网的冲击。4）转矩补偿达到规范要求，重车启动正常。5）节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到20%左右。采用回馈制动，节能效果越显著。6）

36、采用变频控制后，原绕线式电机定子短接时，处于变频控制。原绕线式电机定子断开时，处于交流切电阻控制。两套系统互为备用。在电机维护方面，避免了转子碳刷的烧损及维护。7）机内带有回馈单元，回馈能量可直接输给电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显，系统可以实现四象限运行。式中： n为同步转速，单位r/min：f 为定子频率，单位Hz：p为极对数。而异步电动机的轴转速为： n=60 (3-2式中， s为异步电动机的转差率。由此可见，改变异步电动机的频率，就可以改变异步电动机的转速。当极对数和转差率确定后，电动机的转速与电源频率成正比，所以改变电机的电源频率就可以改变其转速，从而实现变频

37、调速。变频器就是利用改变频率进行调速。在提升机电控系统中，变频器主要进行恒加速变频调速启动，恒减速变频调速停车及行程等变频调速。变频调速是通过改变电机输入电源的频率来来调节电机转速的，因此其调速范围很宽，一般的变频器频率宽度基本上都能达到060Hz，频率调节精度一般为0.01Hz，可以很好的满足提升机的恒加速和恒减精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 32 页14 / 32 速等无极调速的要求。所以，采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。变频器调速有别于转子串电阻调速，它降低了转差率，提高了电路的功率因数，

38、可以实现恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节能效果。另外变频器还可以通过软件，很方便地改变输出转矩即调整转矩补偿曲线）和加减时间、目标频率、上下限频率等。变频器还具有很强大的兼容功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置修改）和动态调速。变频器也可通过端子排控制，对行程进行多段速度控制。2、转子变频调速方案转子变频主电路如图3.1 所示。它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路 UR、升压斩波器BC、IGBT或晶闸管）逆变器PWM 等部件组成。斩波器 BC 根据电动机的设定转速n 进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网。定子线组直接接至 3-10kv 电网。转子绕组接 40

39、0-1000V 变频器。它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路 DR、PWM 斩波器 BC、IGBT式中， S 为异步电机的滑差，,为转子开路电压。风机和水泵一般要求，故，与之前相连的PWM 逆变器为低压逆变器。能量流的方向如图3.1所示方向，即转子整流，经过BC 斩波，最后通过 PWM 逆变器和升压变压器，回馈到电网。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 32 页15 / 32 图 3.1 转子变频主电路从图 3.2 中可以看出，由于采用了PWM 整流技术，输出电流非常接近正弦，使得系统的谐波较传统串调大大减小，功

40、率因数得到提高，可以满足大多数工况要求。此外采用了PWM 整流技术，可以克服传统串调在电网断电时出现的逆变颠覆问题。变频器带有一个电压源直流母线工作，为使电能损失尽可能小，逆变器将直流母线调制成方形加到电机绕组上，在电机中流过的电流几乎是正弦波的。其变频器的输出电压和电机电流的波形如图3-2 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 32 页16 / 32 图 3.2 变频器输出电压和电机电流波形3.1.3 转子变频调速系统的工作原理带有斩波环节的串调系统进行速度调节时是通过改变斩波器IGBT 的占空比来调节电机转速，而不

41、是像传统的串调那样改变后级晶闸管逆变器触发角来实现。图 3.3为斩波器降压的理想波形图图 3.3斩波器管压降波形图从图 3.3 的波形可以看出，在时间里，斩波开关IGBT 闭合，整流桥UR被短路，在 T-的时间里，斩波器开关断开。整流桥电压为：由串调原理和式 3-5）、式 式中：为电机转速，：为电机空载转速，。由式3-6）可见，改变斩波器开关闭合时间的大小就可以改变电机转速的大小。另外从上面的公式推导过程可以看出，斩波串调中的Boost 和传统Boost 不太一样，它是一个反向过程。传统Boost 一般看前端电压稳定，通过改变占空比来改变后端电压，因此输入/ 输出关系是非线性的，如图3-4 所

42、示，而斩波串调中的Boost 是固定后端电压，通过改变占空比来改变前端电压，从而调节转速。由于固定后端电压，通过改变占空比来改变转速，因此其输入/ 输出比是线性的，如图3.5所示。图 3.4 传统 Boost输出/ 输入关系图 3.5 斩波串调 Boost输入/ 输出关系根据上面对转子变频调速系统的工作原理的研究可以得出以下结论：1、调速系统能够靠改变斩波器开关闭合时间的大小就可以改变电机转速的大小，实现平滑无极调速：2、系统能把异步电动机的转差功率回馈给交流电网，从而使扣除装置后损耗的转差功率得到有效利用，大大提高了调速系统的效精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结

43、- - - - - - -第 17 页，共 32 页18 / 32 率。3.1.4 逆变器的控制 IGBT绝缘栅极型功率管）逆变器，采用带矢量控制的PWM 和有源滤波技术。使用逆变器功率部分控制各个电机绕组的供电电源。脉冲形成逻辑电路以定向旋转磁场的方式驱动6 个 IGBT 功率晶体管。在每个晶体管臂上，为了电位隔离，在功率部分的控制逻辑电路和控制放大器之间，连接一根光耦器件/ 光导纤维电缆。由于逆变器的电子器件产生的旋转磁场的脉冲模式不能被取消没有启动命令存在），可采取一种安全方式阻止该脉冲模式对IGBT 的触发和控制输入。“安全停车”激活功能在电源和IGBT 逆变器传动电子器件之间起着电位

44、隔离中断）的作用，因此阻止了电机转动。“安全停车”功能通过一个外部的常开触点激活并且在“安全停车继电器”释放时起作用。在“安全停车”功能出现故障情况下，“安全停车”响应触点必须通过网侧接触器或急停电路把传动同电源断开。当“安全停车”功能被激活时，功率晶体管的无定向旋转磁场运行是可能的。3.2 提升机的行程控制3.2.1 理想的 S形给定曲线对矿井提升机运行的基本要求是安全性、可靠性和高效性。目前，我国矿井提升机的运行主要采用梯形图形速度曲线，它能够基本满足控制要求，但也存在缺点：一是对电网造成的冲击大，易行成尖峰负荷，进而影响整个电网系统的正常运行。二是对提升机机械部分系统产生动态冲击，如加大

45、钢丝绳的摆动，影响提升机的稳定运行。其主要原因是这种梯形折线型速度图的速度过渡不平滑，在速度变化转折处的加速度变化率过大而造成的。因此，为了解决折线型的速度曲线所带来的问题，实现速度的平滑过渡，我们可以采用计算机技术，由软件实现提升机运行速度曲线的平滑过渡，来产生S 形速度给定曲线。并且通过在软件中修改提升控制的有关参数，如在启动段，加速度以及减速制动段，都可以产生期望的速度给定曲线。采用S形速度曲线有以下几方面的优点。S 形速度曲线由于在加速阶段、减速阶段、和制动段的速度转折处的加速精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 3

46、2 页19 / 32 度和加速率都是连续变化的，所有相应的托动力也是连续的，从而减小了震动保护了机械设备。由于加速度和加速度率都是连续变化的，所以提升机在不同阶段之间的切换运行也是连续的，运行过程中的加减速都可以实现平滑过渡。对于调速系统来说，降低了由于反超调引起的震荡，从而使提升运行过程更加平稳： S 形速度图由于对电枢电流的变化率进行了限制，所以有利于加强对晶闸管整流元件的保护以及减小了提升机加速和减速结束时的无功和有功冲击。图 3.8 折线速度给定图传统的矿井提升机的速度运行曲线一般采用 5 阶段非对称速度图，如图3.8 所示：主要包括加速启动段、匀速段、减速段、匀速爬行段以及制动这五个

47、阶段构成了提升机一次完整的运行周期。如果提升机在匀速段时的速度能保持恒定，那么这时形成的速度曲线称为理想的S 形速度曲线。这时的速度图，加速度曲线图以及减速度变化率如图 3.9所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页，共 32 页20 / 32 图 3.9 理想的 S形速度给定曲线如图 3.9所示，一个提升周期中主要包括以下几个阶段：加速段： 0-。其中：为初加速：为恒加速；为加速结束段。匀速段：。减速段：。其中：为初减速：为减速结束段。爬行段：。制动段：。其中：为初制动：为恒制动：为制动结束阶段。图中：为最大速度，是爬行速度

48、，是加速度变化率。速度的计算主要是对加速度变化率对时间的双重积分得来的，因此它可以计算出每一计算周期内的实际给定值，从而得到提升机的速度运行曲线。为了在速度转折处实现平滑过渡，可以采用直线和曲线抛物线）综合形成速度给定曲线。具体形成方法如下节所示。3.2.2 行程控制算法的设计1 行程控制算法的分析上节建立的数学模型是在理想情况下建立的，但是由于在提升过程中会受到外界因素的干扰，例如其最大运行速度很难保持常数，像负载大小的变化，电网电压的随机波动都有可能造成的不稳定。另外，由于加速度变化率和减速度变化率的波动都有可能导致曲线的变化16。因此，提升机实际运行过程中生成 S 形速度曲线的时候，必须

49、综合考虑以上因素的影响，确保提升机安全稳定的运行。提升机的运行速度采用行程给定方式。其特点是提升容器在任何位置都对应一个由该行程位置产生的速度给定信号，与时间无关。而在加速阶段则采用时间给定方式。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页，共 32 页21 / 32 (3-8(3-9(3-10(3-11(3-12(3-13(3-14式中:,为加速段和减速段的最大加速度值；,为加速段两个加速度变化率；,为加速段两个加速度变化率；为运行周期，单位为；，参考点 5 的速度值；为参考点 6 的速度值，一般取 2.0-2.5；为爬行速度，一般取

50、0.3-0.5。 (3-16 ；(3-17(3-18 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 32 页22 / 32 图 3.10 S形速度给定值3）参考点 4、5、6、7 之间的行程距离计算在图 3.10 中，设置为减速点，为制动的起始点，和的位置和速度都是可变的，其具体大小由运行参数实时确定。3-19）3-20）3-21）2行程控制算法的设计提升机的运行速度采用行程给定方式，其特点是提升容器在任何位置都对应一个由该行程位置产生的速度给定信号，与时间无关。而在加速阶段则采用时间给定方式。1）启动加速时间给定方式式3-7）到3

51、-8）都是运行时间t 的函数，另外再考虑到启动阶段的要求以及特点，在该段应采用时间方式来产生速度给定信号。2）减速阶段速度的行程给定方式：为了实现提升机在减速阶段的平稳运行，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页，共 32 页23 / 32 精确停车，在减速运行过程中应采用行程给定方式产生速度信号。当时，由式 3-11）和3-13）可得到：3-22）3-23）式中： S 为以设定减速点位参考点的减速行程，可以有脉冲编码器计数得到，和事已知曲线中的给定值，是预先知道的。根据式 3-32）的 S 值，求对应的，需要进行三次的开方运算，

52、在此系统中我们采用西门 S7-300PLC直接计算出结果。当时，速度和减速距离有如下关系式：3-24）式中： S为匀减速阶段提升容器距的实际距离。当时，速度与行程关系可由 3-21）和3-25）得出：3-25）3-26）式中： S为提升容器的实际行程：为处的行程值。式3-14）和3-24）同样可由求根公式解出。3）速度给定程序设计的思想采用时间给定方式，当负载波动时，若系统的静差率较大时，其实际速度也是波动的，从而在加速和减速阶段的运行距离是变化的。由于在提升过程中易受到负载的变化等因素的影响，在实际运行过程中，可能使实际的最大运行速度值偏离其设定值，则此时应对减速运行时的有关参数进行校正，一

53、般采用的方法是：保持减速度值不变而将实际减速点后移。而当提升机在等速段运行时，根据检测到的实际运行最大速度值，进行校正，我们可以计算出，而制动段的，即为预设定值，一般精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 23 页，共 32 页24 / 32 可取 3-5M ，因此可由各段的实际减速行程值，再加上预设的制动行程，可得到实际的减速点：3-27）当发生变化时，可根据采参数校正后的实际减速点来进行减速，也就是说，当提升机运行到减速点后，并不立刻制动减速，而是等到提升容器到达校正后的实际减速点，才进入减速制动阶段。这样在最大速度较低时，可以缩短爬行

54、行程和运行的提升周期，从而大大提高了设备的运行效率。 S 形速度曲线的形成：在加速段采用加速度变化率对时间的双重积分给出，即时间方式给定，而在减速阶段则按行程原则给定。3.3 变频器节能分析3.1.1 变频器的节能原理变频器的节能主要分为 : 变频调速节能 , 提高功率因数节能以及软启动节能。1、变频调速节能当设备容量偏大，即负载大的时候，工频运行产生浪费即大马拉小车的情况下，利用变频调速，使设备降速运行而产生的节能效果是相当可观的。2、提高功率因数节能在不需要调速的场合，变频器的节能效果主要体现在提高功率因数，降低线路功率损耗上。 SPWM 正弦脉宽调制型变频器主电路由4 部分组成，整流单元

55、，中间平波环节，逆变单元以及能耗制动回路。整流器电网侧的功率因素分析如下：在三项桥式6 脉整流电路中交流侧输入电流波形为非正弦波，其中含有5次及以上奇次谐波。线路损耗分为有功损耗和无功损耗两部分，有功损耗的计算公式为：3-28）3-29）式中， P 为线路输送的有功功率 ；U 为线路电压kv）；R为线路电阻 ）；为功率因数。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 32 页25 / 32 可见，线路有功损耗随提高而降低，线路无功损耗随Q 减少而降低。由上述分析可知， SPWM 型变频器电网侧的功率因数接近1, 而普通电机的自然功

56、率因数一般为0.760.85。采用变频器作为电机的拖动电源后，电机功率因数提高到 0.950.98。电机从电网吸收的无功功率减少，从而降低了线路段的有功以及无功损耗，而这部分损耗是无法通过低压配电室的并联电容器来补偿的。3、软启动节能电机全压启动或采用Y/D，自耦变压器减压启动时，启动电流约等于46 倍额定电流。这样大的启动电流除增大电机自身的铜损外，还会加大线路功率损耗，引起线路电压波动，对机械设备和电网造成冲击。电机启动时在线路上产生的有功损耗为：3-30）电压为：3-31）式中，为启动相电流，R为线路电阻， Z为线路阻抗。由于很大，导致和增大。特别是大功率电机启动时由于很大，引起的电压波

57、动会影响到线路中其他设备的正常工作。为了防止这种情况的发生，在供电系统设计时不得不加大变压器的容量，而在电机正常运行时又造成浪费7。此外，电机全压启动时造成的冲击，震动会缩短机械设备及其管网的寿命。大启动电流还会加速电机绝缘老化而缩短寿命。而采用变频器后，利用变频器的软启动功能使启动电流从0 开始逐渐上升至额定值，电流的上升速率由变频器的加速时间设定。由于不大于额定电流，所以软启动时产生的功率损耗和电压降小得多，从而实现了节能和减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备的寿命，节约了设备的维护费用。3.3.2 提升机节能的计算在本系统中，对于回馈能量的计算通常是采用计算制动转矩的方法，但

58、针对于起重变频器此方法显得太过复杂。国内外的变频器厂家也没有给出方便的计算精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 32 页26 / 32 方法！我们知道，提升机重荷下降时电动机作为发电机产生电能，而电动机的驱动是来自于重物的势能，根据能量守恒定律，产生的电能应等于重物势能的释放。故我们只需计算重物势能产生的功率便可知回馈功率。对于下降物体势能产生的功率很容易计算：3-32）3-33）为下降势能产生的功率，单位：瓦；回馈功率，单位：瓦；最大下降重量，单位：牛；下降速度，单位： M/秒；电机和变频器的内耗功率系数，一般为 20%

59、。如：某矿井为单钩运行，坡度为，矿车自重为 5 吨含钢丝绳重量），下降速度 3M/秒，则：牛顿M/秒矿井一般为 24 小时工作制，我们取一天中有10 小时的累计下降时间，回馈率按 80%考虑到有直流制动等因素）。则每年节电为：度若每度电按 0.5元计算，则年节约电费9.8784万元。至于采用变频器提高了工作效率，由此而带来的经济效益，更是不可限量！当坡度、矿车自重、下降速度改变时，每年所节约的电费:210-215 6 李臣矿井提升系统拖动与控制技术J.山东煤炭技术，2018(03 ）： 79-82 7 陈鸿翠 . 井下电梯控制系统的改造J.梅山科技， 2003(02:10-13 8 岳优杰，达

60、善荣，王雁桥副立井绞车电控系统的改造J.煤炭科学技术，200203:12-13 9 曹以龙，谢桂林采用交一交变频低频拖动方案改善交流提升系统性能J 山西矿业学院学报， 2002(02:22-27 10 黄勇关于选择变频调速器应注意的问题J.贵州化工， 201805）： 20-23 11 付连凤矿井提升机变频节能优势与节能分析J.变频器世界， 201807）： 91-100 12 王与卫 . 矿井提升直流调速拖动及其电控系统的研究与设计D ，太原理工大学硕士学位论文， 2007. 13 秦宏波 . 我国电机系统节能进展和对策J.电机与控制应用，201806）： 1-4 14 李自亮 . 矿井提升

61、机变频调速控制系统研究D, 吉林大学硕士学位论文，2005. 15 苏长胜 . 矿井提升机控制技术研究现状与发展J.工矿自动化， 2018: 61-70 17 R. Kannan, R. Bhuvaneswari, and S. Subramanian. Optimal Design of Three-PhaseInduction Motor Using Particle Swarm OptimizationJ,Iranian Journal of Electrical and Computer Engineering,2007,06(02:105-111 18 陈伯时 . 高性能交流调速系统

62、的发展与演变J.电力电子技术，2(1,2004:33-35 19 马小亮 . 对异步矢量控制和直接转矩控制的思考J.电力电子， 2004,2(1:10-15 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 31 页，共 32 页32 / 32 20 倪小敏 . 异步电动机空轻载运行的降压节能研究J.节能技术 , 2005,3:18-22 附 录变频器各项参数设定如下表：参数代号设定值功能说明参数代号设定值功能说明F001 0 主、辅给定设定频率F308 0.10 VR1 滤波时间常数F002 2 主给定信号 VR1 F310 0.10 VR2 滤波

63、时间常数F003 2 辅助给定信号 VR2 F403 5.0HZ 直流制动起始频率F004 1 运转给定方式：外控端子控制F404 24V 直流制动量F005 4 急停有效，故障复位 1 F405 5S 直流制动时间F006 0 FWD/REV 两线制 1 运转模式F410 350V 欠电压保护值F007 2 减速停车加直流制动F411 3 输入输出缺相保护都动作F008 50HZ 最高操作频率F413 1 S 曲线加减速F009 20S 加速时间F416 1 编码器输入相数为：双相F010 20S 减速时间F417 1000 编码器脉冲数F012 105% 电子热保护值F502 9 外部复位

64、输入 X3 功能）F013 3 PG 速度传感器矢量控制模式F503 10 外部点动输入 X4 功能）F200 1 电机参数自动测试F600 1.0HZ 起动频率F300 OV 主给定为 0 时的模拟量F601 0.5 起动频率持续时间F301 10V 主给定为 100% 的模拟量F602 0HZ 停止频率F302 0HZ 主给定为 0 时的频率F603 0 正反转死区时间F303 0V 辅助给定为负最大时的模拟量F607 50HZ 上限频率F304 10V 辅助给定为正最大时的模拟量F608 0.5HZ 下限频率F305 5V 辅助给定为 0 时的模拟量F306 1.0 辅助给定增益F307 1 辅助给定频率为负极性精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 32 页，共 32 页