矿井提升机控制系统的现状与理论基础

矿井提升机控制系统徐志鸥一月矿井提升机控制系统的现状与理论基础第1页目录一、矿井提升机控制系统现实状况二、矿井大功率传动设备发展与趋势三、矿井提升机控制系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第2页一、概述矿井提升机作为矿山企业关键机电设备，对矿山高效、安全生产与经济营运含有极其主要作用，它不但装机容量大，是矿山主要耗电大户，而且它作为一个经典位势力矩负载，要求其拖动电动机在其机械特征四个象限内频繁周期性地进行开启、制动和反向运行。反应其运行状态速度图和力图是依据设计提升能力和安全规程确定，对其在运行过程中加速度、减速度以及各运行阶段行程和最终停车位置都有准确要求和严格限制。所以，提升机一直是电力拖动与控制经典应用装置和研究对象，正确处理好矿井提升机拖动系统极矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第3页其自动化问题，对确保矿井生产、安全和效益含有主要意义。矿井提升机有交流拖动和直流拖动两种，早期交流拖动采取“异步电机+转子串电阻加速+高压接触器换向+动力制动（或低频拖动）+继电器控制”方式；直流拖动在20世纪70年代以前普通采取“发电机-电动机机组+继电器控制”方式，在80年代后普遍采取“可控硅整流+电动机+模拟调整+继电器控制”方式。进入20世纪90年代，伴随计算机控制技术和电力电子技术飞速发展，在提升机拖动系统中，采取“电动机+可控硅整流+全数字调整+PLC控制+上位机监控”控制方式，下面就详细说明这些控制方式。矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第4页二、矿井提升机速度图和力图提升机分为罐笼（副井）提升和箕斗（主井）提升两种，其速度图和力图有一定差异，因为箕斗提升有曲轨行程，所以加速时需要有两段加速，第一段加速到出曲轨再进行第二段主加速，而罐笼提升没有这个问题。不论是单绳提升还是多绳提升，其速度图和力图都是一样，速度图有三阶段或是多阶段，比较实用是主井采取六阶段，副井采取五阶段，下面给出一个六阶段速度图和力图详细说明。矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第5页矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第6页图中：1、V1为初加速终了速度，亦是箕斗出曲轨速度，Vmax最大速度，V2为爬行速度。2、t1为初加速时间，t2为主加速时间，t3为等速段时间，t4为减速段时间，t5为爬行段时间，t6为机械抱闸时间。3、力图实线是不带尾绳情况，虚线是带尾绳情况。但这种速度图有一定拐点，会对提升机机械系统造成冲击，所以速度图可做成平滑“S”曲线，以下列图所示：矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第7页矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第8页三、交流拖动1、金属电阻调速方式这种方式也叫TKD方式，在我国矿井提升占很大百分比，超出80%。它指是在饶线异步电动机转子回路接入金属电阻，用控制器或磁力站逐步切除电阻方法进行调速。下列图给出一个TKD控制方式。换向靠高压真空开关改变进线高压相序，在减速段投入动力制动或是低频制动，下列图给出一个TKD控制方式示意图。这种控制方式优点是结构简单，但缺点是显而易见，主要表现在以下几个方面。（1）调速性能差，起动和减速运行特征出现阶梯式跳跃。示意图矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第9页返回矿井提升机控制系统的现状与理论基础第10页（2）能耗尤其大，消耗在电阻上电能尤其客观。（3）速度不能平滑调整，因而对机械系统冲击非常，缩短设备寿命。（4）速度不易人为控制，存在着安全隐患。即使最近对这种方式做了改进，用PLC代替传统继电器控制，用可控硅代替接触器切换电阻，在故障率和维护方面得到了不少改进，但本质控制方式没有发生改变，所以以上所阐述缺点还是存在。2、异步串级调速方式在矿井提升控制系统，还有少数一部分采取串级调速矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第11页方式，这种方式占份额极少，它原理是在电动机转子回路内引入一个附加电势，改变电势大小即可改变转子电流，从而改变电动机转矩和转速。这种控制方式含有效率高，调速平滑，爬行段不需要附加其它设备和控制性能好等优点，但它功率原因低，最大力矩降低约17%，且线路较复杂，投资高，所以它利用并不多，逐步被淘汰。四、直流拖动1、F-D机组拖动方式这种拖动方式中电动机电压由专用直流发电机供给，发电机由同时电动机拖动。电动机励磁线圈由固矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第12页定直流电源供电，接成他励式。发电机励磁电压可进行调整和控制，调整发电机励磁大小，就能够改变供给直流电动机电压，从而到达调速目标。改变发电机磁场极性就能够控制提升电动机结构。下列图即为它结构。F-D拖动装置优点是调速平滑和稳定，且调速范围较宽。但它缺点是设备投资多，占地面积大，建筑和基础费用大，而且功耗较大，经济效益不好。示意图矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第13页返回矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第14页2、可控硅整流器-电动机拖动装置这种拖动装置利用可控硅整流器直流电压向提升电动机供电，电动机电枢和磁场均可它来供电，因为直流电压可经过控制角均匀调整，电动机转速便能够得到均匀改变而到达无级调速。电动机换向可分为电枢换向和磁场换向两种方式，前者是用两组大容量可控硅整流器对电枢进行供电，磁场用一组小容量整流器供电；后者只用一组大容量整流器对电枢供电，磁场用两组小容量整流器。三相整流桥以下列图所表示。可控硅供电装置优点是动作速度快，维护工作量小，比F-D机组运行效率高，体积小，重量轻和占地面积小。但它缺点是对电网无功冲击大，高次谐波会影响电网电压示意图矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第15页返回矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第16页波形，在必要时要采取“次序控制”，还能够采取谐波治理来改进功率因数。可控硅整流方式在20实际90年代以前大多采取模拟调整，因为其分立元件多、参数分散性大，存在着可靠性低、维护困难，控制性能差等缺点。90年代以后，伴随计算机控制技术发展，数字调整得到了广泛应用，它含有以下优点：（1）硬件结构简单，故障点少，可靠性高。（2）可控精度高，工作稳定性好。（3）故障自诊疗能力强，大大降低了使用维护成本。（4）含有较高可构置性，扩展方便，运行灵活性高。矿井提升机控制系统现实状况矿井提升机控制系统的现状与理论基础第17页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第18页（5）可与其它系统联网，实现当代化管理。基于数字调整以上很多优点，在我国矿井已逐步代替模拟调整，成为主流产品。下列图给出一个矿井提升机全数字直流调速示意图矿井大功率传动设备现实状况返回矿井提升机控制系统的现状与理论基础第19页矿井大功率传动设备发展趋势一、变频技术在矿井大型设备中应用（一）、概述伴随电力电子技术发展以及全控型半导体器件诞生，变频技术已经越来越成熟，已经逐步应用在矿井大功率传动设备上，详细应用在以下几个方面：（1）矿井提升机电力拖动（2）矿井通风机电力拖动（3）井下水泵电力拖动（4）井下防爆绞车电力拖动矿井提升机控制系统的现状与理论基础第20页（二）电力电子概述1、定义电力电子技术（powerelectronics）：是应用于电力领域电子技术，指使用电力电子器件对电能进行变换和控制技术。2、应用电力电子装置广泛用于高压直流输电、静止无功赔偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流电源等电力系统和电气工程中。矿井大功率传动设备发展趋势矿井提升机控制系统的现状与理论基础第21页3.电力变换类型：常见电力变换种类矿井大功率传动设备发展趋势矿井提升机控制系统的现状与理论基础第22页4、电力电子发展史史前期（1957年以前）：使用水银整流器（汞整流器），其性能和晶闸管类似。这段时间，各种整流、逆变、周波变流电路和理论已经成熟并广泛应用。晶闸管时代（1958～70年代）：全控型器件时代（70年代后期）：复合器件时代（80年代后期）：矿井大功率传动设备发展趋势矿井提升机控制系统的现状与理论基础第23页（三）、变频技术介绍变频分为两种，一个是交-交变频，另外一个是交-直-交变频。1、交-交变频交-交变频普通采取半控型半导体器件即普通晶闸管（可控硅），多适合用于大功率和超大功率场所。它控制思想当前有两种，一个为矢量控制，一个为直接转矩控制。它主结构图和输出波形图以下所表示。交-交变频缺点就是谐波较大，会对电网造成冲击。矿井大功率传动设备发展趋势矿井提升机控制系统的现状与理论基础第24页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第25页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第26页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第27页2、交-直-交变频交-直-交变频普通采取全控型半导体器件，如GTO、IGBT、IGCT等。相对与交-交变频来说，它含有结构简单，可靠性高，频率可调范围宽，功率因数高，高次谐波少等优点。以前因为受半导体器件功率影响，容量一直做不大，伴随大功率全控性器件出现，这种方式有着非常好前景。在主回路结构上，它可采取两电平或多电平方式，下面给出一个三电平结构示意图以及一个多电平电压输出波形图：矿井大功率传动设备发展趋势矿井提升机控制系统的现状与理论基础第28页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第29页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第30页矿井大功率传动设备发展趋势二、自动化技术在大型传动设备中应用当代大容量矿井对矿井安全和自动化程度越来越高，所以监控监测系统及全矿井自动化联网就显得尤为主要。对于大功率传动设备来说，因为其复杂性和主要性，监控监测系统要求非常全方面，它主要有以下几个优点：1、能实时反应设备运行情况，使操作者对整个运行状况一目了然。2、能及时反应故障，加上教授分析系统，能够在第一时间内排除故障，大大节约了维护费用，确保设备不间断运转。矿井提升机控制系统的现状与理论基础第31页矿井大功率传动设备发展趋势3、整个矿井自动化能够帮助管理人员管理，大大提高了工作效率和经济效益。返回矿井提升机控制系统的现状与理论基础第32页直流调速系统理论基础一、主回路原理在各种变流电路中，三相全控桥是最基本同时也是应用最广泛一个主接线形式，围绕它控制电路在整个研究领域中是开展最广泛。不论是在交流或是直流传动系统中，三相全控桥都是最基本且应用最多。双桥并联或串联能够实现十二脉动整流，反并联可组成直流电机电枢或磁场反接可逆线路。三相全控桥有六个桥臂，每个桥臂中最少有一只可控硅元件（能够依据需要在每个桥臂中串、并联多只元件）。可控硅元件作共阴极连接三个桥臂组成共阴极换相组；可控硅元件作共阳极连接三个桥臂组成共阳极换相组。在任何瞬间，必须保持共阴极和共阳极两组中各有一个桥臂可控硅元件被触发导通，电路才能正常工作。矿井提升机控制系统的现状与理论基础第33页在可控硅变流电路中，经过改变可控硅元件触发脉冲相位而改变直流输出电压平均值调压方式叫做相位控制。三相全控桥式变流电路能够取得在电源电压一个周期内含有六个脉动波形直流输出电压。故脉波数p=6。每个桥臂最大导通角为120°,其导电次序为：共阴极组T1T1→T3T3→T5T5→T1…..共阳极组T6→T2T2→T4T4→T6T6…..三相全控桥输出电压瞬时，是同时导通两相间交流线电压瞬时值，该瞬时值随导通期间相位改变而改变。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第34页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第35页同时电压与脉冲相位关系直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第36页直流调速系统理论基础阻性负载时=30º电压电流输出波形矿井提升机控制系统的现状与理论基础第37页直流调速系统理论基础阻性负载时=60º电压电流输出波形矿井提升机控制系统的现状与理论基础第38页直流调速系统理论基础阻感负载时=30º电压电流输出波形矿井提升机控制系统的现状与理论基础第39页直流调速系统理论基础阻感负载时=60º电压电流输出波形矿井提升机控制系统的现状与理论基础第40页直流调速系统理论基础12脉动变流器电路图矿井提升机控制系统的现状与理论基础第41页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第42页直流调速系统理论基础二、双闭环控制原理1、调整器基本结构和工作原理调整器是由直流运算放大器、输入、网络组成以下列图所表示， 调整器能对输入信号完成三中最基本运算：百分比、积分、微分，从而取得一定调整规律改变输出信号。调整器中最基本类型是百分比调整器(P)、积分调整器(I)、微分调整器(D)三种调整器和惯性步骤(T)。组合它们功效有百分比积分调整器(PI)；百分比微分调整器(PD)；百分比积分微分调整器(PID)；百分比积分惯性调整器(PIT)；百分比微分惯性调整器(PDT)；百分比积分微分惯性调整器(PIDT)等。矿井提升机控制系统的现状与理论基础第43页直流调速系统理论基础调整器基本结构图矿井提升机控制系统的现状与理论基础第44页直流调速系统理论基础2、百分比积分调整器(PI)工程实用原理线路之一以下所表示。式中Kpi=R1/ßR0称为百分比放大系数；Ti=R0C1称为积分时间常数，秒。矿井提升机控制系统的现状与理论基础第45页注意点：●PI调整器不一样于P调整器特点。百分比步骤输出量总是正比于其输入量，而PI调整器则不然，其输出量稳态值与输入无关，而是由它后面步骤需要决定。后面需要PI调整器提供多么大输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。●限副作用饱和——输出到达限幅值当调整器饱和时，输出为恒值，输入量改变不再影响输出，除非有反向输入信号使调整器退出饱和；换句话说，饱和调整器暂时隔断了输入和输出间联络，相当于使该调整环开环。不饱和——输出未到达限幅值当调整器不饱和时，PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第46页(1)直流调速系统双闭环控制稳态结构框图为了分析双闭环调速系统静特征，必须先绘出它稳态结构图，以下列图。只要注意用带限幅输出特征表示PI调整器就能够了。分析静特征关键是掌握这么PI调整器稳态特征。（2）两个调整器作用双闭环调速系统静特征在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主要调整作用。当负载电流到达Idm后，转速调整器饱和，电流调整器起主要调整作用，系统表现为电流无静差，得到过电流自动保护。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第47页双闭环直流调速系统稳态结构框图—转速反馈系数—电流反馈系数Ks1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-IdRRACR-UiUPE直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第48页上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压U*n决定ASR输出量U*i是由负载电流IdL决定控制电压Uc大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取决于U*n和IdL。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第49页（3）双闭环直流调速系统起动过程因为在起动过程中转速调整器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明I、II、III三个阶段。以下列图所表示：直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第50页图2-7双闭环直流调速系统起动时转速和电流波形nOOttIdmIdLIdn*IIIIIIt4t3t2t1矿井提升机控制系统的现状与理论基础第51页●第I阶段电流上升阶段（0~t1）突加给定电压U*n后，Id上升，当Id小于负载电流IdL时，电机还不能转动。当Id≥IdL后，电机开始起动，因为机电惯性作用，转速不会很快增加，因而转速调整器ASR输入偏差电压数值仍较大，其输出电压保持限幅值U*im，强迫电流Id快速上升。直到，Id=Idm，Ui=U*im电流调整器很快就压制Id了增加，标志着这一阶段结束。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR普通不饱和。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第52页●第II阶段恒流升速阶段（t1~t2）在这个阶段中，ASR一直是饱和，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im给定下电流调整系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统加速度恒定，转速呈线性增加。●第Ⅲ阶段转速调整阶段（t2以后）当转速上升到给定值时，转速调整器ASR输入偏差降低到零，但其输出却因为积分作用还维持在限幅值U*im，所以电机仍在加速，使转速超调。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第53页转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U*i和Id很快下降。不过，只要Id仍大于负载电流IdL，转速就继续上升。直到Id=IdL时，转矩Te=TL，则dn/dt=0，转速n才抵达峰值（t=t3时）。今后，电动机开始在负载阻力下减速，与此对应，在一小段时间内（t3~t4），Id<IdL，直到稳定。直流调速系统理论基础矿井提升机控制系统的现状与理论基础第54页矿井大功率传动设备安全性设计一、提升机安全性设计提升机在矿井不但负担提煤，提矸任务，还负担着上下人重担，所以安全就显得至关主要。所以一套提升系统特征好坏，不但取决于调速性能优劣，还要看其保护功效是否齐全，保护功效是否安全可靠。保护就是宁可多保护，多动作，也不能带着隐患运行。对于一些重事故信号，如高压跳闸、快速开关跳闸、传动回路故障、提升容器过卷、超速等必须采取双线制安全回路，即PLC安全回路和继电器安全回路相结合，在PLC使用方面也要采取双CPU，即使说现在PLC可靠性尤其高，但不能确保必定不出问题。详细结合方式以下列图所表示：矿井提升机控制系统的现状与理论基础第55页矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第56页不论是PLC安全回路或是继电器安全回路，其输出普通都是靠继电器或是接触器，在设计时也必须采取双线，以预防某个继电器或是接触器触点失效而造成事故，山东和安徽发生几次事故，以后经分析，都是因为上面所说原因造成。结合煤炭安全规程，再依据多年来经验，我认为一个完整提升机保护系统应具备以下保护功效。在这里我们把故障类型分为四种，及马上施闸类故障，井口施闸类故障，电气减速类故障和报警。详细以下：●马上施闸类故障（发生以下故障时，系统能马上进行安全制动停车）：矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第57页——提升容器过卷——高、低压电源断电故障——速度等速段过速15%及减速段过速10%——提升容器抵达终端时速度超出2m/s——主电机失磁——操作台紧停——提升信号紧停——传动回路故障——制动系统故障——摇台动作——错向操作——直流快开跳闸——编码器故障——测速机故障——电枢和磁场长时间过流——钢丝绳打滑（磨擦式）矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第58页●井口施闸类故障（发生以下故障时，允许一次提升循环结束后再停车）——运行过程中风机故障——主电机轴瓦过热——定子、转子变流器发生局部故障——变压器温度偏高——井筒开关失效矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第59页●电气制动类故障（发生以下故障时，提升机自动减速到1m/s，再施闸停车）——液压制动系统油温高——液压制动系统油位低——闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳●报警类故障（发生以下故障时，仅发声光报警信号）——提升系统各部分如主电机、轴承、变压器等温度稍高——低压电源漏电——信号电源欠压矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第60页当然，以上所列举故障种类可能还不全方面，详细厂家可能还要依据详细情况做一些增加，但以上所说都应该是保护系统应该具备。矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第61页二、通风机安全性设计通风机是一个连续运转大型设备，同时又是耗能大户其安全、可靠、经济运行对矿井生产含有主要意义，在设计中应该保障它不间断运转，应注意以下几点：1、供电系统方面（1）风机和风门供电应全部采取双母联热备用，确保任何一台风机停机情况下，另一台风机在10分钟以内能正常开启。（2）高压柜需加综合保护装置，时刻监测风机电机和供电系统各项参数，预防风机运行过程中出现烧坏电机矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第62页故障。2、控制系统方面（1）采取采取数字技术和计算机技术作为主控单元，编制可靠性逻辑程序，增强反抗干扰抵制能力。（2）加装高精度温度、震动等传感器，对主电机运行参数进行实时监测，为电机安全运行提供保障。（3）当所以控制失效情况下，仍能够利用高压柜上分合闸开关来实现风机正常开启和正常切换。3、监控系统方面矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第63页（1）对全部风机系统参数提供远程监测，实时发觉风机运行中出现问题。（2）对全部系统数据进行软件监视，提供上下限保护并进行故障报警。（3）对数据通讯情况进行实时检测，组建可靠网络系统确保监测系统数据实时可靠。以下是一些风机检测画面，从中能够看出，全部风机相关参数都一目了然，便于管理者统一管理，大大提升了工作效率和系统安全性。矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第64页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第65页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第66页二、井下水泵安全性设计在设计井下水泵时候应注意以下几点：1、设计全自动防水门在主巷道设计水位监测装置，当巷道中水位到达预定值，泵房防水门应自动关闭，同时开启两台以上水泵进行排水，直到水位降到零位。2、对电机电流应进行监视当电流电流小于空载值时，应立刻停顿，并自动开启下一台，预防空载引发电机毁坏。3、对真空度和压力采取高精度检测矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第67页采取高精度负压和压力传感器，实时准确地监视数据，确保水泵开启和停顿安全性，从而防止因检测不准造成误动作，损坏设备。4、全部水泵运行参数都在监控系统实时准确反应，以供管理者宏观调控。下面是一些水泵监控画面矿井大功率传动设备安全性设计矿井提升机控制系统的现状与理论基础第68页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第69页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第70页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第71页矿井提升机控制系统的现状与理论基础第72页谢谢大家！矿井提升机控制系统的现状与理论基础第73页