矿井提升机调速系统的分析

摘 要：本文主要介绍了矿井提升机调速技术的发展现状，并对串电阻调速系统、V-M系统、交-交变频调速系统、交-直-交变频调速系统四种提升机提速系统做了比较分析，总结出交-直-交变频调速系统的优势，具有重要的现实意义。

关键词：交直交变频调速；矿井；提升系统；V-M

中图分类号：TD853.1 文献标识码：A

提升机作为矿井建设的关键设备，担负着矿井有益矿物、材料、人员和设备的运输工作，对矿井的安全生产起着至关重要的作用。因此，提升机必须具备安全可靠的控制系统，提升机控制系统的技术性能不仅直接影响矿井生产的效率及安全，而且代表着矿井提升机发展的整体水平。同时，提升机的耗电一般占据了矿山总耗电量的30%-40%，因此，实现提升机运行过程中的节能降耗也成为中小功率提升机电控系统研究的重要内容。

目前，国内提升机的调速系统主要有串电阻调速、V-M直流调速系统、交-交变频调速系统和交-直-交变频调速系统。各个系统都有着自身的优缺点。

1 交流绕线式异步电机转子回路串电阻调速系统

这种方案的电动机转速调节是通过改变转子回路串联的附加电阻来实现的。调速时能耗很大，属转子功率消耗型调速方案。在加速阶段和低速运行时，大部分能量(转差能量)以热能的形式消耗掉了，因此驱动系统的运行效率较低。这种调速方案是在低同步状态下产生制动转矩，需采用直流能耗制动方案(即动力制动)，或采用低频制动。用这种方法调速时，由于电机的极对数与施加在其定子侧的电压频率均不变，所以电机的同步转速或理想空载转速也不变，调速时机械特性随着转子回路电阻的增大而变软，从而大大降低了电气传动的稳态调速精度。在实际应用中，由于串入电机转子回路的附加电阻级数受限，无法实现平滑的调速。

综上所述，这种调速方案存在着调速性能差，运行效率低、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点。从节能和安全考虑仅适用于小功率且控制要求不高的提升系统。但目前在我国的各种矿山中，这种方案使用得相当普遍，以后将面临着技术改造的问题。

2 V-M直流调速技术

“晶闸管变流器-电动机”（简称V-M）直流调速技术为了实现四象限调速，常采用两种电气控制方案：一种是电枢可逆调速方案；另一种是磁场可逆调速方案。

在电枢可逆调速技术中，直流电机励磁电流的大小和方向恒定，通过改变电机电枢供电电压的方向来实现可逆调速。但由于晶闸管的单相导电性，常采用正、反两组晶闸管整流装置，来提供正反向电枢电压。此种方法正、反转切换速度快，动态响应好，但由于采用正、反两组晶闸管整流装置，随着容量增大，造价也变得较高。

在磁场可逆调速系统中，电机电枢电压不变，通过改变励磁电流if的方向实现可逆调速。所以电机电枢用一组整流装置供电，而励磁侧采用正、反两组晶闸管整流装置交替工作来改变励磁电流if的方向，从而使磁通方向改变，达到可逆调速。虽然此种方法也需要两组整流装置，但由于励磁功率通常较小，故造价比上种方法低。由于电机励磁回路电感量较大，励磁电流的反向过程较长，所以快速性能不高，只适应于正、反转不太频繁的大容量可逆传动系统中。

当采用V-M直流调速系统时，要根据现场情况选取控制方案。这种调速方案运行效率高（可达0.95左右），调速性能好，但由于其整流侧采用的是晶闸管相控整流，所以功率因数低，谐波电流大，对电网污染严重。

3 交-交变频调速技术

交-交变频调速技术是在上世纪70年代被提出，在80年代开始应用到矿井提升机调速系统中。交-交变频是在输入的交流电上通过斩波或相控方式将其变换为另一种交流电，所以也称为直接变化法。首先出现的是西门子交-交变频同步机调速系统，之后又出现日本的交-交变频笼型异步机调速系统，随着电力电子新技术的不断发展已经实现全数字化控制。

交-交变频器由三组可逆桥式整流器组成，其控制方式可以是常规方式，也可以是矢量控制方式。通过控制可以使变频器输出为频率和幅值都可变的三相交流电压，从而实现变频调速，主电路下图所示：

交-交变频调速技术系统框图

交-交变频调速系技术具有良好的控制性能，效率高，调速性能好，特别适用于低速大功率矿井提升系统。但该调速系统也存在功率因数低、谐波大，对电网污染严重，通常在使用时要另外安装功率补偿装置和谐波吸收装置，增加了投资费用。

4 交-直-交变频调速技术

随着电力电子技术、计算机控制技术和大规模集成电路的发展，特别是交流传动技术的发展如矢量控制技术和直接转矩控制技术的出现，变频调速技术也随之发生了很大的进步，形成了和直流调速技术同样优良的交流调速技术。交流调速技术可以分为：交-交变频调速技术和交-直-交变频调速技术。

与交-交变频相比，交-直-交变频先把交流电整流为直流电，之后再把直流电逆变为交流电，在能量变换过程中存在直流环节，所以也被称为间接变化法，结构图见上图。从图中可以看到，交-直-交变频在整流和逆变侧均采用全控型器件，效率高、谐波量小，同时采用PWM控制方式可使功率因数接近为1，电流波形为正弦波，在控制性能上比交-交变频具有绝对优势。由于受到全控型器件耐压、耐流的问题，现多应用于中小功率场合，随着新一代全控型器件（IGCT）的发展，双PWM交-直-交变频调速系统已经进入到大功率场合。

结论

变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速或恒减速控制，消除了传统的串电阻调速造成的消耗，具有很明显的节能效果，交-直-交变频调速系统具有调速精度高、四象限运行、工作频率低、功率因数高，动态响应快等一系列优点，同时，该套系统有准确的定位和制动功能，可靠性好，使得其在矿山行业得到了应用。由于国内在该方面的起步比较晚，随然发展迅速，但是还没有形成完善可靠的产品，因此，对该项技术的研究具有良好的实际意义。

参考文献

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