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[摘 要]随着最近几年电力电子和现代控制技术的发展，交流电机越来越多的被用到现在工业当中，大有取代直流电机的趋势。变频调速系统应运而生，并逐渐成为现代工业的宠儿。现在国内有些煤矿已经开始应用变频技术来控制提升机并取得了很好的效果。
[关键词]矿井；提升机；系统；种类
中图分类号：P273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0276-02
1 绪论
1.1 矿井提升机系统的概述
矿井提升机是矿山大型固定设备之一，是井下与地面的主要运输工具。矿井提升机主要担负一个矿井所有的矿物（煤，矿石）提升，升降人员，运输设备，下放材料等，根据提升机的工作种类或工作原理的不同，提升机有不同的分类：
提升机按工作种类可分为：
（l）主井提升机：担负矿井生产矿物提升的主提升机。
（2）副井提升机：担负矿井人员、材料、设备等升降任务的提升机。
按驱动方式可分为：
（1）直流提升机；
（2）交流提升机；
直流提升机又分为：
（l）发电机组控制提升机；
（2）晶闸管调速提升机；
交流提升机分为：
（1）TDK系列串电阻柜调速提升机；
（2）串极调速提升机；
（3）变极调速提升机；
（4）变频调速提升机；
各类提升机的工作原理和构造虽然差别很大，但它们都有一些共同的不可缺少的部分组成。
目前国内矿用提升机一般都还是采用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒减速控制，经常会造成过卷和过放事故，提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，转子串电阻调速控制电路复杂，接触器，电阻器，线绕电机电刷等容易损坏，影响生产效益。
随着最近几年电力电子和现代控制技术的发展，交流电机越来越多的被用到现在工业当中，大有取代直流电机的趋势。变频调速系统应运而生，并逐渐成为现代工业的宠儿。现在国内有些煤矿已经开始应用变频技术来控制提升机并取得了很好的效果。随着现代数字电子的发展计算机控制已经成为一种很成熟的控制技术它以它的节能和使用方便等诸多优点成为了一种主流控制方式。于是以数字技术为基础的变频调速也必将成为交流电机调速的一种趋势。
现在我国也已经开始进行了数控化的开发研制，并逐渐应用到了提升机里面。国内如大中专院校、企业院所正在做数字化提升机电控系统的集成开发尝试。考虑当今数控技术的发展，紧密结合提升机控制工艺的要求，我们认为当今先进的数字化提升机应具有以下特点：
在驱动控制上，矿井提升机与直流拖动与交流拖动相比，调速性能好，不需要附加其他拖动装置，随着驱动控制产品的成熟，完全能够实现全数字化控制，大大提高了系统的可靠性与控制精度。
在整个系统的配置上，应采用现在比较成熟的网络化设计，增加系统的可靠性，减少了现场的工作量，减低的系统的整体成本。
1.2 矿用高压变频器的发展
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高频率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外认为最有前途的调速方式。
以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。
1.2.1 国产高压变频器的发展现状
目前，在国内有大量的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的中小功率产品，而在高压大功率变频器方面，却为数不多。能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业。
国内仅有少部分的中、高压电机进行了变频调速改造，且普通采用v/f控制方式。高压变频器的品种和性能还处于发展阶段，每年市场仍需大量进口。
1.2.2 国外商压变颇器的发展现状
国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。
1.2.3 高压变频器的未来发展态势
交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展。
2 矿用提升机拖动方案选择
实现工业自动化控制可以用多种方式来实现，总体方案设计中选择何种控制系统是关键的一环。它直接关系到投资成本、耗能、可靠性、安全性和应用效果。本系统的总体方案选型主要包括监控系统的选型和拖动系统的选型，其中监控系统选型又包括操作站系统的选型和主控制系统的选型。这里仅对主控系统的拖动方案选择。
2.1 拖动控制系统选型比较
2.1.1 交流传动系统
交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统，一般地说，交流传动比较简单，设备和安装费用低，建筑占地面积小，但电气调速性能差，减速和爬行阶段需要附加拖动装置。 1.串级调速在绕线转子异步电动机转子回路中引入外加电动势，以改变电动机运行转差率而获得不同转速。根据产生附加电势的方法不同，异步串级拖动可分为直流电机串级、离子串级以及可控硅直流串级。目前广泛采用的是后者，该拖动方式具有效率较高，调速平滑，爬行段不需附加其它设备和控制性能好等特点。它的缺点是功率因数低、颠覆力矩降低约17%，线路较复杂，投资较高等。
2.变频调速大型提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限，设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变异步电动机的频率进行调速的方法，它有以下显著的优点：
（l）输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级调速。
（2）功率因数高，利用效率高，节能效果显著。
l）有发无功功率的能力，不消耗电网上的无功。
2）稳压性能好。如设备在额定功率下运行，能保证电动机在额定电压下
运行，从而避免了因电压高（低）对电机所造成的危害。
3）在电动机的负荷低于额定功率时，它可以根据给定值来调整电动机的输出功率。
（3）对电网电压波动有很大的适应能力，并能大大减少系统对电网的污染。
（4）可调范围（频率可在0Hz～400Hz之间进行调节）宽，可以实现大范围调速，并能保证很硬的输出特性，并且动态响应特性好，调速精度高。适用于各种压力、温度、速度、流量的控制。
（5）启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲击，使电动机能够平稳地加速或减速，从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害，大大延长了电动机及整套机组的使用寿命。
除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。
2.1.2 直流传动系统
1.直流发电机一电动机传动方式控制直流发电机的励磁实现电动机变电枢电压调速，均匀地调节励磁电流和极性，可方便地实现转速无级调速和四象限运行。其缺点是设备和安装费用高、建筑占地面积大、发电机组维护工作量大。
2.晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置组成的可逆系统是一种可实现四象限运行、性能好的调速系统且效率高、可节能、维护工作量小。在该系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双环调节系统。可逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑无环流控制两种控制方式。
2.2 提升机电控系统选型
在保证系统的可靠、安全和经济性的前提下，综合考虑上述各种方案的优缺点，本系统各模块的选型方案如下：
拖动控制系统：采用三相交流异步电动变频调速系统，以实现节能、稳定运行。
另外，本系统的上位机系统：采用触摸式显示屏，以模拟画面形式显示出绞车运行的各种状态、各种参数及各种控制元件工作状况；主控制系统：采用完全独立的两套PLC系统进行过程实时监控实现安全回路的双线制。在这，由于时间原因就不过多介绍此部分。
3 变频器原理及选型
3.1.1 变频器原理
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。
3.1.2 模糊PID变频器系统原理
前面我们已经提到由于变频器的设计涉及到很多运算，同时它又对系统的实时性要求比较严格，基于这些原因一般采用由DSP为核心的变频系统。基于DSP的矢量控制调试系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。功率电路由电压型的交—直—交变压变频结构、驱动电路和交流电机组成。控制系统由DSP芯片为核心及其外围辅助电路组成，用来完成矢量控制核心算法、SVPWM产生、转矩推算、相关电压电流的检测处理等功能。为了扩大使用范围，该系统设计时考虑了有速度传感器的情况。辅助电路由辅助开关电源、光电编码器、滤波放大器和电流互感器组成，以实现给系统提供多路直流电源、电机转速检测及放大等功能。
3.1.3 控制系统模型
控制系统采用转子磁场定向间接矢量控制方案，速度估算采用基于电压和电流模型的模型参考自适应方法。整个系统采用双闭环控制，转矩环和磁通环为内环，转速环为外环。为了增强系统的鲁棒性，提高系统的静动态性能，减小系统开发、调试所需的时间，构造了模糊PID自适应控制器，取代传统PI控制器。磁通的闭环控制可实现转子磁通的恒定。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q轴分量成正比，通过控制定子电流的q轴分量可以控制电磁转矩。则可由定子电流d轴分量控制转子磁通，q轴分量控制转矩，实现了系统的完全解藕控制。
[关键词]矿井；提升机；系统；种类
中图分类号：P273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）17-0276-02
1 绪论
1.1 矿井提升机系统的概述
矿井提升机是矿山大型固定设备之一，是井下与地面的主要运输工具。矿井提升机主要担负一个矿井所有的矿物（煤，矿石）提升，升降人员，运输设备，下放材料等，根据提升机的工作种类或工作原理的不同，提升机有不同的分类：
提升机按工作种类可分为：
（l）主井提升机：担负矿井生产矿物提升的主提升机。
（2）副井提升机：担负矿井人员、材料、设备等升降任务的提升机。
按驱动方式可分为：
（1）直流提升机；
（2）交流提升机；
直流提升机又分为：
（l）发电机组控制提升机；
（2）晶闸管调速提升机；
交流提升机分为：
（1）TDK系列串电阻柜调速提升机；
（2）串极调速提升机；
（3）变极调速提升机；
（4）变频调速提升机；
各类提升机的工作原理和构造虽然差别很大，但它们都有一些共同的不可缺少的部分组成。
目前国内矿用提升机一般都还是采用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统。提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒减速控制，经常会造成过卷和过放事故，提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，转子串电阻调速控制电路复杂，接触器，电阻器，线绕电机电刷等容易损坏，影响生产效益。
随着最近几年电力电子和现代控制技术的发展，交流电机越来越多的被用到现在工业当中，大有取代直流电机的趋势。变频调速系统应运而生，并逐渐成为现代工业的宠儿。现在国内有些煤矿已经开始应用变频技术来控制提升机并取得了很好的效果。随着现代数字电子的发展计算机控制已经成为一种很成熟的控制技术它以它的节能和使用方便等诸多优点成为了一种主流控制方式。于是以数字技术为基础的变频调速也必将成为交流电机调速的一种趋势。
现在我国也已经开始进行了数控化的开发研制，并逐渐应用到了提升机里面。国内如大中专院校、企业院所正在做数字化提升机电控系统的集成开发尝试。考虑当今数控技术的发展，紧密结合提升机控制工艺的要求，我们认为当今先进的数字化提升机应具有以下特点：
在驱动控制上，矿井提升机与直流拖动与交流拖动相比，调速性能好，不需要附加其他拖动装置，随着驱动控制产品的成熟，完全能够实现全数字化控制，大大提高了系统的可靠性与控制精度。
在整个系统的配置上，应采用现在比较成熟的网络化设计，增加系统的可靠性，减少了现场的工作量，减低的系统的整体成本。
1.2 矿用高压变频器的发展
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高频率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外认为最有前途的调速方式。
以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。
1.2.1 国产高压变频器的发展现状
目前，在国内有大量的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的中小功率产品，而在高压大功率变频器方面，却为数不多。能够研制、生产、并提供服务的高压变频器厂商，仅有少数的具备科研能力或资金实力的个别企业。
国内仅有少部分的中、高压电机进行了变频调速改造，且普通采用v/f控制方式。高压变频器的品种和性能还处于发展阶段，每年市场仍需大量进口。
1.2.2 国外商压变颇器的发展现状
国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。
1.2.3 高压变频器的未来发展态势
交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展。
2 矿用提升机拖动方案选择
实现工业自动化控制可以用多种方式来实现，总体方案设计中选择何种控制系统是关键的一环。它直接关系到投资成本、耗能、可靠性、安全性和应用效果。本系统的总体方案选型主要包括监控系统的选型和拖动系统的选型，其中监控系统选型又包括操作站系统的选型和主控制系统的选型。这里仅对主控系统的拖动方案选择。
2.1 拖动控制系统选型比较
2.1.1 交流传动系统
交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统，一般地说，交流传动比较简单，设备和安装费用低，建筑占地面积小，但电气调速性能差，减速和爬行阶段需要附加拖动装置。 1.串级调速在绕线转子异步电动机转子回路中引入外加电动势，以改变电动机运行转差率而获得不同转速。根据产生附加电势的方法不同，异步串级拖动可分为直流电机串级、离子串级以及可控硅直流串级。目前广泛采用的是后者，该拖动方式具有效率较高，调速平滑，爬行段不需附加其它设备和控制性能好等特点。它的缺点是功率因数低、颠覆力矩降低约17%，线路较复杂，投资较高等。
2.变频调速大型提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来的发展趋势，它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限，设计制造及维护困难和电动机体积庞大等问题。变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变异步电动机的频率进行调速的方法，它有以下显著的优点：
（l）输出功率可以连续调节，可以实现电动机无级调速。
（2）功率因数高，利用效率高，节能效果显著。
l）有发无功功率的能力，不消耗电网上的无功。
2）稳压性能好。如设备在额定功率下运行，能保证电动机在额定电压下
运行，从而避免了因电压高（低）对电机所造成的危害。
3）在电动机的负荷低于额定功率时，它可以根据给定值来调整电动机的输出功率。
（3）对电网电压波动有很大的适应能力，并能大大减少系统对电网的污染。
（4）可调范围（频率可在0Hz～400Hz之间进行调节）宽，可以实现大范围调速，并能保证很硬的输出特性，并且动态响应特性好，调速精度高。适用于各种压力、温度、速度、流量的控制。
（5）启动、停止平稳，极大地缓和了对电动机的冲击，使电动机能够平稳地加速或减速，从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害，大大延长了电动机及整套机组的使用寿命。
除此之外，更兼其体积小、重量轻、通用性强的特点，因此，变频调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域。这将极大地提高工业生产领域的自动化水平，从而可以实现增产节能的目的。
2.1.2 直流传动系统
1.直流发电机一电动机传动方式控制直流发电机的励磁实现电动机变电枢电压调速，均匀地调节励磁电流和极性，可方便地实现转速无级调速和四象限运行。其缺点是设备和安装费用高、建筑占地面积大、发电机组维护工作量大。
2.晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置组成的可逆系统是一种可实现四象限运行、性能好的调速系统且效率高、可节能、维护工作量小。在该系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外环的双环调节系统。可逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑无环流控制两种控制方式。
2.2 提升机电控系统选型
在保证系统的可靠、安全和经济性的前提下，综合考虑上述各种方案的优缺点，本系统各模块的选型方案如下：
拖动控制系统：采用三相交流异步电动变频调速系统，以实现节能、稳定运行。
另外，本系统的上位机系统：采用触摸式显示屏，以模拟画面形式显示出绞车运行的各种状态、各种参数及各种控制元件工作状况；主控制系统：采用完全独立的两套PLC系统进行过程实时监控实现安全回路的双线制。在这，由于时间原因就不过多介绍此部分。
3 变频器原理及选型
3.1.1 变频器原理
变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。变频器的工作原理是把市电（380V、50Hz）通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电，由于采用微处理器编程的正弦脉宽调制（SPWM）方法，使输出波形近似正弦波，用于驱动异步电机，实现无级调速。
3.1.2 模糊PID变频器系统原理
前面我们已经提到由于变频器的设计涉及到很多运算，同时它又对系统的实时性要求比较严格，基于这些原因一般采用由DSP为核心的变频系统。基于DSP的矢量控制调试系统由功率电路、控制系统及辅助电路组成。功率电路由电压型的交—直—交变压变频结构、驱动电路和交流电机组成。控制系统由DSP芯片为核心及其外围辅助电路组成，用来完成矢量控制核心算法、SVPWM产生、转矩推算、相关电压电流的检测处理等功能。为了扩大使用范围，该系统设计时考虑了有速度传感器的情况。辅助电路由辅助开关电源、光电编码器、滤波放大器和电流互感器组成，以实现给系统提供多路直流电源、电机转速检测及放大等功能。
3.1.3 控制系统模型
控制系统采用转子磁场定向间接矢量控制方案，速度估算采用基于电压和电流模型的模型参考自适应方法。整个系统采用双闭环控制，转矩环和磁通环为内环，转速环为外环。为了增强系统的鲁棒性，提高系统的静动态性能，减小系统开发、调试所需的时间，构造了模糊PID自适应控制器，取代传统PI控制器。磁通的闭环控制可实现转子磁通的恒定。当转子磁通恒定时，电磁转矩与定子电流的q轴分量成正比，通过控制定子电流的q轴分量可以控制电磁转矩。则可由定子电流d轴分量控制转子磁通，q轴分量控制转矩，实现了系统的完全解藕控制。