矿井提升机电控系统的发展

矿井提升机电控系统的发展

张　娟

(中国矿业大学信电学院,江苏徐州221008)

[摘　要]根据矿井提升机电力拖动技术的发展过程,介绍和分析了绕线型异步电动机交流拖动、发电机-电动机直流拖动、晶闸管整流装置供电的直流拖动和交-交变频器供电的交流拖动等四种拖动方式。

[关键词]矿井提升机;交流拖动;直流拖动

0　引言

矿井提升机是矿山企业的关键机电设备,对矿井的生产及安全起着非常重要的作用。由于提升机的生产工艺要求比较高,所以它的电气传动及控制一直是各国电气传动界的一个重要研究领域。本文根据矿井提升机电力拖动技术发展的过程,对各种拖动方式进行介绍和分析。

1　交流绕线型异步电动机拖动[1]

是矿井提升机电力拖动发展的第一阶段,大体在20世纪50年代至60年代初,采用的是“异步电机+转子串电阻加速+高压接触器换向+动力制动(或低频拖动减速)+继电器控制”方式。由于鼠笼型异步电动机很难满足提升机起动和调速性能的要求,因此,在这一阶段,矿井提升机多采用绕线型异步电动机进行拖动。绕线型异步电动机转子回路串电阻后能限制起动电流和提高起动转矩,并能在一定范围内调速。具有结构简单,坚固耐用,建筑面积小,维护方便,价格低廉,安装调试方便等优点。缺点是启动阶段电能损耗较大,当用于要求频繁启动或不同运行速度的多水平提升机时,问题就更为突出,但用于单水平深井提升时,提升效率与用发电机组供电的直流拖动系统相当。此外,由于靠切除转子回路电阻进行调速,所以系统的调速性能不好,调速范围小且为有级调速。如果选用了动力制动、低频制动、可调机械闸、负荷测量、计量装载等辅助装置后,运行性能将会大有改进。目前,在我国中小型矿山或中等深度以下的矿井中,还有一定的市场。受交流开关容量的限制,单台交流拖动的电动机容量一般不大于1000kW,当功率超过1000kW而又选用这种拖动方式时,可利用2台绕线型异步电动机组成双机拖动系统。与单机拖动系统相比,双机拖动系统有以下几个特点:

(1)如果生产条件允许,2台电动机可分期安装。例如先安装一台,按照生产发展需要时再安装另一台,可大大提高系统效率。

(2)利用2台电动机转子电阻的交替切除,可使平均启动转矩大为增加。

(3)利用2台电动机不同的工作方式,例如减速阶段一台处于制动状态,另一台处于电动状态,可得到合成的低速爬行硬特性。

(4)在故障情况下,可以降低负荷单机运行,使2台电动机达到互为备用的目的。

以上是双机拖动系统的有利之处,不利之处是控制设备较单机拖动系统复杂,安装调试不便。2　发电机-电动机直流拖动

发电机-电动机直流拖动与绕线型异步电动机交流拖动同属第一发展阶段。一般采用“发电机-电动机机组+继电器控制”的方式。由于绕线型异步电动机的调速性能不够理想,所以在20世纪50年代和60年代初,人们便开始采用这种拖动方式。直流电动机的机械特性为直线,较之交流电动机而言,调速性能更好,工作更加可靠。系统的主提升电动机为他励式直流电动机,由同步电动机驱动的直流发电机对其直接供电,通过改变直流发电机的励磁大小来改变直流电动机电枢两端的电压,从而改变电动机的转速,达到了提升机的调速目的。一般情况下,系统采用磁放大器

[收稿日期]2006202228

[作者简介]张　娟(19782),女,江苏徐州人,硕士研究生,研究方向为电力电子与电力拖动。

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和电机放大机两级放大的速度闭环调速方式。给定部分送来的信号,加到双拍磁放大器的给定绕组,经放大后供给电机放大机的给定绕组,经再次放大后接发电机的励磁绕组。磁放大器和电机放大机的反馈绕组按负反馈接法分别接到各自的输出端,磁放大器构成外反馈环节,电机放大机构成电压负反馈环节,使磁放大器和电机放大机具有较理想的特性。通过与提升机硬轴连接的测速发电机获得测速反馈信号,加到磁放大器速度反馈绕组和给定信号进行综合比较,构成速度负反馈环节。在较小容量的提升机中,只有电机放大机环节而没有磁放大器;在更大容量的提升机中,由于电机放大机的容量有限,往往增加中间励磁机。系统的特点是过载能力强,所需设备均为常规定型产品,供货容易,运行可靠,技术要求不高对系统以外的电网不会造成有害的影响。缺点是效率低,平均只有75%左右;调速范围由于剩磁影响不能过大;设备复杂、庞大、占地面积大等。目前,这种系统已较少采用。

3　晶闸管整流装置供电的直流拖动

自20世纪60年代初到70年代,在近20年的时间里,伴随着电力电子技术的飞速发展,晶闸管整流装置供电的直流拖动系统得到迅速发展和普及。为获得可逆运行特性以实现四象限调速,系统通常采取两种电气控制方案:一种是电枢可逆自动调速方案,通过改变直流电动机的电枢电压的极性,改变提升机运行方向;另一种是磁场可逆自动调速方案,通过改变直流电动机励磁电流方向,来改变提升机的运行方向。不论采取哪种方案,调速方法一般以调压为主,调磁为辅。电枢可逆方案需改变电动机电枢回路电流的方向,由于电枢回路电感较小,时间常数小(约几十毫秒),反向过程进行快,因此适用于频繁启动、制动的多水平提升系统。但是,这种方案主回路需要两套容量较大的晶闸管变流装置,一次性投资较大,提升机容量越大,这个问题就越突出;磁场可逆方案,主回路只用一套晶闸管变流装置,励磁回路采用两套晶闸管变流装置。由于励磁功率较小,所以设备总容量比电枢可逆方案小得多,一次性投资较少。但是,由于励磁回路电感量比较大,时间常数大(约零点几秒到数秒),因此,这种系统反向过程较慢,在采用强迫励磁之后,其快速性可得到一定程度的补偿,但切换时间仍在几百毫秒以上。应当指出,磁场可逆系统在电动机反转过程中,当励磁电流改变方向时,应使电动机的电枢电压为零,以防止电动机在切换过程中由于失励磁而“飞车”,这不仅增大了反向过程的死区,也增加了控制系统的复杂性。矿井提升机一般容量较大,且对快速性要求不高,因此,磁场可逆方案采用更为普遍。与发电机-电动机直流拖动系统相比,晶闸管整流装置供电的直流拖动系统具有如下优点:

(1)功率放大倍数高　发电机-电动机直流拖动系统为101左右;晶闸管整流装置供电的直流拖动系统可高达104,高出三个数量级。

(2)快速响应性好　发电机-电动机直流拖动系统为秒级;晶闸管整流装置供电的直流拖动系统为毫秒级,因而动态品质较佳。

(3)功耗小,效率高　发电机-电动机直流拖动系统平均效率为75%,晶闸管整流装置供电的直流拖动系统为85%以上。

(4)调速范围大　发电机-电动机直流拖动系统由于剩磁影响低速受到限制;晶闸管整流装置供电的直流拖动系统则无此限制。

(5)运行可靠　直流发电机及其配套装置为转动设备;晶闸管整流装置为静止设备,因而运行更加稳定可靠。

(6)设备费用低　据统计,一次性投资发电机-电动机直流拖动系统要比晶闸管整流装置供电的直流拖动系统高出20%以上。当然,晶闸管整流装置供电的直流拖动系统存在元件过载能力差、功率因数低、有冲击性无功功率、元件参数分散性大等缺点。但是,如果采用“顺序控制”方法可以提高功率因数,特别是系统中配置无功补偿和谐波吸收装置后,将大大削弱晶闸管整流装置对交流电网的无功冲击和谐波污染。

目前,矿井提升机V2M直流调速系统有模拟控制方式和数字控制方式[1,2,4],此外还存在一种模拟数字混合控制方式。对于模拟数字混合控制,它是在模拟控制的基础上将易于实现数字化的改为数字控制,例如无环流逻辑切换、安全保护冗余控制、故障监视与自诊断、给定值与限幅值的设定、各种电源开关的状态控制等,这样就构成了模拟数字混合控制。模拟数字混合控制方案吸收了两种控制方案的优点,克服了各自的缺点,具有简单、经济、高性能、高可靠性和方便维护等一系

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列长处,不仅是一种改造已有模拟控制系统的可供选择的方案,而且是一种独立的具有竞争力的调速控制方案。决不能把它单纯看作是模拟式控制方案向全数字式控制方案发展的一种过渡方案,它本身在某些场合可以优于单独的模拟控制方案和全数字控制方案而成为优选方案。

全数字化调速系统与模拟系统相比,具有以下优点:

(1)提高了调速性能。由于测速采用数字化,能够在很宽的范围内高精度测速,所以扩大了调速范围,提高了速度控制的精度。另一方面,一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法,例如各种最优控制、自适应控制、复合控制等都变得十分容易了,从而使系统的控制性能得到提高。

(2)提高了运行的可靠性。由于硬件高度集成化,所以零部件数量和触点大大减少;很多功能都是由软件(即程序)来完成的,使硬件得以简化,所以故障率比模拟系统小。另外,数字电路的抗干扰能力强,不易受温度等外界条件变化的影响,没有工作点的温漂等问题,运行可靠性高。

(3)易于维修。由于计算机具有存储、显示、记录等功能,可以对系统的运行状态进行检测、诊断、显示和记录,并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和刻录,所以维修很方便,维修周期变短。

其不足之处是:

(1)存在采样和量化误差。尽管计算机内部的数字量非常精确,但是和外部打交道均通过数/模(D/A)、模/数(A/D)转换器。转换器的位数和计算机的字长是一定的,增加位数和字长及提高采样频率可以减少这一误差,但不可以无限制的增加。

(2)计算机处理信号是以串行的方式进行的,尽管微处理机的速度提高很快,但要完成很多任务仍需要较长的时间。此外,采样时间的延迟可能造成系统不稳定。

(3)软件人工成本较贵。微机数字控制的开发和调试是非常昂贵和费时的,因此,国外往往依靠大批量生产来降低成本。

(4)对软件实现的功能,不易使用仪器(如示波器、万用表)直接观测,也不容易像在模拟系统中方便地调节和改变参数(如放大倍数和限幅值等)。

由于电气传动控制系统的复杂性以及生产应用对其性能的要求越来越高,尽管控制技术具有动态响应快、容易调试和无量化误差的优点,但还是逐步让位于混合控制技术以及全数字化控制技术。

4　交-交变频器供电的交流拖动方式如前所述,晶闸管整流装置供电的直流拖动系统存在功率因数低的缺点。尽管采用了顺序控制技术,但功率因数仍然较低,需要由电网吸收大量的无功功率,对电网品质因数产生严重的影响。矿井提升机的容量越大,这个问题就越突出。另一方面,直流电动机电枢回路的整流子限制了提升机容量的进一步增加,随着深井开采的趋势不断扩大,提升机单机容量将不断加大,电动机的换向整流子就成了一个薄弱环节。面对上述两个问题,迫使人们又重新考虑发展交流拖动的矿井提升机,20世纪80年代初期,人们开始采用交-交变频器供电的交流拖动方式。1982年,世界上第1台交-交变频器供电的同步电动机拖动的矿井提升机在西德问世并投入使用,一举获得了巨大成功,从此,矿井提升机的电力拖动进入了交流变频拖动阶段。交-交变频器是将三相交流电源从固定的电压和频率直接变换成电压和频率可调的交流电源,不需设置中间耦合电路。主要优点是只进行一次能量变换,所以效率较高。像晶闸管整流装置一样,交-交变频器也是靠电源电压自然换流,不需设置强迫换流装置,从而简化了设备,提高了可靠性。缺点在于主回路所使用的晶闸管元件数量较多,一个单相交-交变频器如果采用三相桥式接线方式,需要12只晶闸管,那么三相交-交变频器就需要36只晶闸管,这比直流拖动中的晶闸管整流装置复杂得多。但由于当前大功率电子技术的迅速发展,其制造成本不断下降,使得交-交变频器的应用前景十分广阔。虽然交流拖动中的变频装置较直流拖动中的整流装置复杂,相应的投资费用也较高,但由于交流电动机本身较直流电动机制造简单,单位容量费用低,因此,总的说来,交-交变频器供电的交流拖动系统仍较晶闸管整流装置供电的直流拖动系统的一次性投资较便宜。与直流拖动系统相比,采用交-交变频器供电的交流拖动系统具有如下优点:

(1)功率因数可以显著提高。例如,同步电动机的功率因数可控制在019～110的范围内,极大

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地减少了电能损耗。

(2)电动机没有整流子和炭刷这一薄弱环节,使系统运行的可靠性大大增强。

(3)电动机容量几乎不受限制,最高可达10000

kW 。

(4)调速范围宽,动态品质好,丝毫不亚于直

流调速系统。

(5)启动转矩大,运行平稳。

缺点是低速时转矩产生脉动,主回路和控制回路较复杂等。

总之,任何一种拖动方式的采用,

均有其自身的实际情况和条件,因此,应根据实际情况,认真

研究,正确选用,真正做到技术上先进,经济上合理。

[参　考　文　献]

[1]王清灵,龚幼民.现代矿井提升机电控系统[M].北京:

机械工业出版社,1996,1472155.

[2]何凤有,谭国俊.矿井直流提升机计算机控制技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.16221.

[3]卢　燕.矿井提升机电力拖动与控制[M].北京:冶金

工业出版社,2001.628.

[4]刘　畅,吕海清.全数字直流调速装置在矿井提升机电

控系统中的应用[J ].有色矿山,2003.32(2):36242.

[编辑:张福兴]

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