矿井提升机双PWM交直交变频调速系统

交直交变频系统在矿井提升机中应用的前景摘要：矿井提升机是一种在重而复杂的条件下工作的装置，因此矿井提升机的驱动装置必须适应频繁的起动、停车、调速和变速，以实现更大的起动。

本文分析了传统直流调速系统、交流调速系统和交流变频调速系统的不足，论述了交流变频调速系统的原理和优点，介绍了交-直-交变频调速系统改造后的试验结果。

关键词：煤矿；变频技术；特点；提升机；应用1 变频调速技术简介通过改变工作频率间接调速技术，我们称之为变频调速技术。

为了满足传动速度和扭矩的刚性要求，保证系统在动、静态条件下的稳定运行，需要大量的外围控制电路。

降低逆变器对其他设备的影响，扩大逆变器在许多领域的应用是逆变器的研究方向之一。

一般来说，变频技术综合了电力电子、电气控制理论、传输自动化、计算机控制等许多先进技术。

从目前的市场发展趋势来看，变频调速技术已经成为调速领域的主体，有逐渐拓展市场的趋势。

2 交流变频调速特性①调速时平滑性好，效率高。

低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。

②调速范围较大，精度高。

③起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。

④变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。

⑤易于实现过程自动化。

⑥在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。

3 调速控制系统方案的设计良好的控制性能为了选择不同的提升机调速控制系统能够取得，应根据具体要求不同类型的负载的控制方案，使用性能的关键所在是控制方式来决定提升机。

所以常用的控制方式主要有：转子回路串电阻调速、在以达到经济、实用为准选用调速控制系统时结合矿井的生产规模要按负载的特性要求模糊控制等。

4 变频技术原理及发展交流变频调速技术是计算机技术、电子技术、传输技术等各种高新技术的综合应用。

其本质特征是半导体对器件具有开关效应，将工频电源转换为另一工频电源控制器件。

它的基本原理是通过转换一系列直流电来驱动和控制电机。

也就是说，整流桥将使工频-直流电压-交流电压在频率和电压上可调。

浅析矿用提升机变频调速系统矿用提升机在煤矿生产中具有重要地位，是矿井安全生产的关键设备。

在传统提升机控制系统中主要采用转子调控的方式，这种控制方式操作比较复杂，而且可靠性比较差。

在信息技术和自动化控制技术的快速发展下，变频调速控制系统在提升机中得到了广泛的应用，因此应当加强其应用研究。

标签：提升机；变频调速；控制矿用提升机在可靠性、调速性能以及安全性方面的要求比较高，变频调速作为一种比较新的自动化控制技术，具有调控效率高、可靠性好等优点，能够实现无极差调控，使交流电动机在比较大的范围内实现无极平滑调速。

在变频调速系统中，基本都采用了微机控制的方式，这种控制方式手段灵活，而且运算比较快，还能够实现监督、自我诊断等功能。

变频调速在提升机的调速控制中具有比较高的可靠性和经济效益，因此逐渐得到了广泛的应用。

1 矿用提升机调速控制系统简介1.1 提升机的工作原理矿用提升机一般都是利用电机将装满矿物的列车从斜井中拖上来，在矿物卸载完成之后再将空车利用电机拖动沿着斜井放下去。

在矿物开采中，矿物车厢和火车的运货车厢比较类似，但是在体积以及高度等方面比较小。

在矿井井口用绞车提升机利用电机带动卷筒旋转，钢丝绳缠绕在卷筒上，然后挂上一列车厢进行提升。

在矿井提升的过程中可以分为五个不同的阶段，分别是加速、等速、减速、爬行以及停车抱闸阶段，其中加速阶段是提升机从静止中起动并且加速到最高速度的阶段，在等速阶段提升机以最高速度稳定运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是箕斗定位以及准备停车阶段。

1.2 提升机的工作特点在煤矿生产中，矿井提升机发挥了重要作用，它也是矿山能够安全生产的关键。

提升机的工作性能直接影响到了矿山的安全以及工作的效率。

在提升机的工作过程中，箕斗按照一定的速度在矿井中以比较高的速度进行上升和下降的往复运动。

因此为了保证提升机安全工作，就必须采取相应的电气控制设备以及完善的保护装置。

1.3 提升机的调速控制方式提升机按照其使用技术不同，可以分为两大类，直流发电机调速系统和交流发电机调速系统。

矿井提升机变频调速控制系统设计基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计摘要矿井提升机是采矿等行业的重要设备，矿物的运输和人员的运输等都离不开提升机。

我国传统的矿井提升机主要采用继电器—接触器进行控制，并通过在电动机转子回路中串接附加电阻来实现启动和调速。

这种控制系统存在可靠性差、故障率高、操作复杂、电能浪费大、效率低等缺点。

针对传统提升机的问题，本设计采用可编程控制器控制系统，并且与变频器结合实现提升机速度控制。

通过对提升机系统的深入研究，完成提升机控制系统设计，选择硬件设备型号，并且完成硬件系统设计，其中包括检测模块、控制模块、保护模块和抗干扰模块的设计，最后进行系统集成和调试。

根据硬件系统要求画出外部接线图，并且编写控制系统程序。

通过可编程控制器控制变频器，实现提升机启动、加速、等速、减速、爬行和停车操作，并且对过载、超速、过卷等故障进行监控。

可编程控制器采用PLC，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，配合一些装用电子模块组成的提升机控制设备，为提升机的安全运行提空环境。

同时能够时时检测矿井提升机的安全性能，反馈给控制设备。

减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，提高了形同的稳定性和可靠性。

变频调速是利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速。

采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。

应用可编程控制器—变频器对矿井提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。

关键词：矿井提升机可编程控制器PLC 变频器控制系统Systematic Design on frequency control of Shaft Hoist on Basis of PLC ControlABSTRACTShaft hoist is an important equipment in mining industries, which is inseparable in the transportation of mineral and personnel. Chinese traditional shaft hoist use relay - contactor to control mainly, and achieve startup and speed governing by the motor rotor circuit in series with additional resistances. This control system has many disadvantages, such as lower reliability, higher failure rate, more complex operation, more power waste, and lower efficiency.As for the problems of traditional shaft hoist, this design achieves hoist speed control by using programmable logic controller system, which combined with frequency converters. Through my intensive study in hoist system, I have completed hoist control system design, the size choice of the hardware device, and finish hardware system design, including the design of detection module, control module, protection module, and anti-jamming module. Finally, I carry on the system integration and debugging. Depending on the hardware system requirements, I draw external wiring diagram and write control system program. Through the programmable logic controller, mine hoist can realize its start, acceleration, constant speed, deceleration, crawling and parking operations, and monitor stoppages such as overload, overspeed, and volume.Programmable logic controller uses PLC, and it is hardware simplicity, strong software flexibility, easy commissioning, little maintenance. It can provide the shaft hoist safe operation with favorable environment, combined with some control equipment equipped with electronic modules hoist. At the same time, it can test the safety performance of shaft hoist, and feedback to the control device. In this way, the intermediate links of traditional relay-contact control system are reduced, hardware and control lines are reduced, the stability and reliability of tantamount are improved. Frequency control successfully realizes that Ac motor is in a wide range of stepless smooth speed regulation, by taking advantage of changing the power frequency of the controlled object.With this control system, the hoist is reliable, easy to use, and it has the function of dynamic display, as well as its energy-saving effect is obvious. It will become the inevitable trend of history to transform mine hoist control system by applying Programmable Controllers – Drive.Keywords: shaft hoist; programmable logic controller; PLC; frequency converters;control system目录1 引言 (1)1.1 国内外矿井提升机发展现状 (1)1.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状 (1)1.1.2 国外提升机电气控制系统的现状 (1)1.2 存在的问题及最新发展 (2)1.3 本文承担的任务 (3)2 矿井提升机系统的控制要求 (4)2.1 矿井提升机结构介绍 (4)2.2 矿井提升机速度和受力分析 (4)2.2.1 提升机的速度分析 (4)2.2.2 提升机的受力情况 (5)2.3 矿井提升机的调速控制方案分析 (7)2.3.1 传统转子回路串电阻调速系统 (7)2.3.2 模糊控制调速系统 (7)2.3.3 直接转矩控制系统 (8)2.3.4 变频器调速控制系统 (8)2.3.5 矿井提升机调速系统的确定 (9)3 提升机调速控制系统硬件设计 (10)3.1 提升机变频控制部分设计 (11)3.1.1变频器简介 (11)3.1.2 变频调速基本原理 (12)3.1.3 提升机变频器的选择 (13)3.1.4变频器的调试 (14)3.2 提升机系统变频器外部电路设计 (16)3.2.1 提升机调速系统的声光报警回路 (17)3.2.2 提升机调速系统的制动控制回路 (17)3.2.3 编码器反馈回路 (19)3.3 提升机调速系统的PLC 控制部分设计 (20)3.3.1 PLC简介 (20)3.3.2 PLC的选型 (20)3.3.3 提升机调速系统的PLC的I/O端口 (21)3.3.4 提升机调速系统的PLC外部电路设计 (22)3.3.5 提升机调速系统各部分的PLC控制 (23)4 系统抗干扰措施 (25)4.1 PLC的抗干扰 (25)4.1.1 PLC的干扰来源 (25)4.1.2抗干扰的主要措施 (25)4.2 变频器的抗干扰及其防止 (26)4.2.1变频器干扰来源 (26)4.2.2 干扰信号的传播方式 (27)4.2.3抗干扰措施 (27)5 提升机调速控制系统软件设计和调试 (28)5.1 提升机调速系统的控制程序流程 (28)5.1.1 提升机调速系统的中断子程序功能 (28)5.1.2 提升机调速系统的故障处理子程序功能 (28)5.2 提升机调速系统的程序调试 (30)6 结论 (32)谢辞 (34)参考文献 (35)1 引言1.1 国内外矿井提升机发展现状矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。

安徽理工大学科技成果——矿井提升机交-直-交可逆
调速系统
项目简介
为克服交-交变频调速系统功率因数低，谐波电流大的缺点，很多煤矿使用了矿井提升机ACS6000交-直-交可逆调速系统。

这种系统使用了先进的电力电子技术和计算机控制技术，其技术难度大，专业性强，且提供的技术资料均为外文，使现场工程技术人员在使用、维护、管理该设备造成很多困难和诸多不便。

针对上述问题，本课题对矿井提升机ACS6000交-直-交可逆调速系统进行了大量的研究，在消化、吸收、测试、实验的基础上提供技术服务，编写ACS6000完整的中文技术资料，并对现场工程人员进行技术培养。

技术特点
1、PWM可逆整流器的控制技术的研究，含直流电压、功率因数控制方法；
2、PWM可逆整流器的并网技术研究；
3、大功率集成门极晶闸管IGCT性能研究；
4、直流母线预充电技术研究；
5、主电路参数选择研究；
6、同步电动机直接转矩控制变频器的控制技术的研究；
7、三电平逆变器控制策略的研究；
8、提升机电控系统的数字仿真；
9、系统性能测试，测试一个提升循环的速度、转矩、定子电流、励磁电流、功率因数、定子电压等。

10、故障诊断和维护的分析。

成果适用范围及效益分析
随着矿井提升机ACS6000交-直-交可逆调速系统应用的增多，该项成果可为使用单位提供技术培训，帮助用户掌握系统参数测试及维护调试方法，对系统显示的各种诊断和维护代码进行分析，帮助现场技术人员熟悉设备维护途径。

矿井提升机驱动系统双 PWM 变频器的应用研究孙晓磊;张全柱;邓永红【摘要】Through the analysis of the insufficiency of the traditional mine hoist drive system performance, combined with the actual production in coal mine,this paper introduces the dual PWMconverter’s application in upgrading variable frequency drive system of the mine hoist.The excellent performance of the PWMrectifier is analyzed emphatically in the power factor control,electric energy feedback,harmonic suppression,the su-periority of the dual PWMconverter applied in mine hoist drive system is put forward on the basis of the proto-type experiment verification,and the super capacitors’application in PWMrectifier DC bus’energy -storage and filtering is presented innovatively.%通过分析传统矿井提升机驱动系统性能上的不足，结合煤矿生产实际，介绍了双 PWM变频器在矿井提升机变频驱动系统升级改造中的应用。

着重分析了其中 PWM整流器在功率因数控制，电能回馈，谐波抑制等方面的优良性能，提出了双 PWM变频器在矿井提升机驱动系统上应用的优越性，在样机的基础上进行了实验分析，并创新性地提出了超级电容在PWM整流器直流侧母线的储能滤波应用。

提升机变频调速系统(一)提升机变频调速系统(一)1绪论1.1国内外提升机研究现状矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。

传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。

这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。

因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。

近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。

起初的提升机都是电动机通过减速机传动卷筒的系统，后来先后出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。

七十年代西门子发明矢量控制的交一交变频原理后，标志着可以用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。

1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世, 1988年9月由MAN GHH与西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Rom berg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。

在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。

早在七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。

八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。

计算机和PLC的应用使提升机的控制出现了崭新的面貌，其自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。

特别要强调的是，此时期在国外一些著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，如西门子的数字式提升机控制器( Digital Wider Controller ) 和ALSTHOM的提升机安全监控装置(MHE )，使安全保护性能又有了新的提高。

PWM整流技术在矿井提升机中的应用分析摘要：矿井提升机在整个矿井的运输过程中承处于相当重要的地位，PWM （Pulse Width Modulation）--脉冲宽度调制以其简单的结构，易于实现的成熟的技术等特点在矿井提升机中被普遍应用。

前言：如今，为了满足现代基础建设的要求，矿井、地下作业越来越普遍广泛，矿井提升机扮演着日益重要的角色。

矿井提升机的主要任务是运输，一般负担着煤炭、废石等从井下到井上的提升、材料以及各种设备的下放、包括升降工作人员等工作，所以，这就对提升机的拖动系统的运行性能提出了较高的要求，因此，电力拖动运行系统要具备可靠、安全、定位准确和高效率等性能。

提升机的研究与生产虽然已经取得了阶段性进步，但在很多方面仍然存在着技术问题，有待于进一步提高与完善，因此，进一步研究与设计以便研制出更加完善的提升机是我国提高矿井作业效率保证地下作业安全的一项重要目标，设计性能全面、操作稳便的提升机需要专业的设计与制造人员，只有全面地了解提升机的结构，熟悉提升机的性能参考数与技术特征的工作原理，才能较好的完成性能参数的测定，设计出较为完善的提升机。

由于传统的变频装置会带来两大不便的问题，即：一是使得网侧的电流波形形成较为严重的畸变从而使电网遭受谐波污染；二是电机的再生能量无法形成回馈传达到电网上，以致限制其动态性能的发展。

所以，创新的变频装置设计愈加刻不容缓。

而通过实践证明，PWM整流器经过调制后，能够消除变频器对电网所造成的谐波污染等问题，较好的完成设计目标。

改为双PWM变频器后，经过实际运行得出了提升机运行可靠，电流明显降低，冲击电流较小，启动制动都变得平稳安全，调速精度显著提高，另外，系统也具备了较好的动态性能，应用PWM整流技术，系统的可操作性得到提高，操作方便简单，维护工作量缩减，使得系统更加安全的运行。

一、PWM整流技术(一)PWM技术的定义PWM（Pulse Width Modulation）--脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

工业技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald75DOI：10.16660/ k i.1674-098X.2017.25.075提升机变频调速系统的电路设计①王立科（焦煤集团职工教育培训中心 河南焦作 454000）摘 要:矿井提升机运行的安全性与效率决定了矿井生产是否安全与效率的高低,在矿井生产中，保证提升机的正常运行显得极其重要。

变频调速系统是影响提升机运行效率的关键所在,变频器作为一种新型的自动调速装置,广泛应用于现代矿井生产中。

本文以双PWM四象限变频器作为核心,采用闭环矢量控制的方法,实现提升机高效、安全运行的目的,主要介绍了提升机的变频调速系统的主电路和控制电路的设计。

关键词:变频器 调速 设计中图分类号:TD53文献标识码:A文章编号:1674-098X(2017)09(a)-0075-02矿井提升机是现代化矿山生产的四大系统之一，是综合化现代大型机电运输设备。

作为地面与矿井的主要运输通道，在煤矿的安全生产中，提升机发挥着不可替代的作用[1]。

调速系统在矿井提升机系统中极其重要，是保证提升机安全、高效运行的关键所在。

因此，提高提升机变频调速系统的性能，保证提升机的正常运行，进而保证整个提升系统的正常运行显得尤为重要。

提升机变频调速系统采用双PWM四象限矢量变频器，控制方式采用闭环矢量控制，具有功率因数高、动态响应快、电能利用率高等优点，同时解决了谐波污染的问题。

1 变频器主电路元器件的设计变频器的主电路设计特别重要，主要由低压断路器、电源滤波器、上电缓冲电阻（R 0）和变频器输入侧电磁接触器(MC)等组成，如图1所示。

1.1 低压断路器根据所选择变频器的参数（额定电压380V、额定电流400A）确定低压断路器的参数。

选择的低压断路器额定电压与变频器一致为380V；为避开变频器启动时冲击电流峰值，电流容量应为变频器额定电流的1.5～2(即为600～800A），整定值为断路器额定值的3～4倍。

矿井直流提升机调速系统设计目录1绪论 (1)2原理分析与模型建立 (1)2.1矿井提升机的工作原理 (1)2.2调速系统数学模型建立与仿真 (3)2.2.1调速系统数学模型建立 (3)2.2.2调速系统仿真 (6)3调速系统电路设计 (8)3.1控制方案对比 (8)3.2主电路结构设计分析 (8)3.2.1电路分析 (8)3.2.2参数设计 (9)3.3转速和电流检测 (13)3.3.1电流检测 (13)3.3.2转速检测 (14)4仿真与分析 (15)5存在的问题与展望 (16)6参考文献 (17)1绪论本文对矿井直流提升机调速系统进行了设计和分析。

首先，分析了矿井提升机的工作原理，建立了转速电流双闭环调速系统的数学模型，对各个环节的参数进行了设计，并对其性能进行了仿真分析。

接着，在调速系统电路设计中，第一部分对调速系统的不同控制方案进行了阐述；第二部分对桥式可逆PWM变换器-电动机系统主电路进行了分析，并对主电路器件参数和保护装置及其器件参数进行了计算和选择；第三部分对转速检测和电流检测的原理和电路进行了分析。

然后，将主电路在Matlab的Simulink环境下进行了搭建和仿真。

最后，分析了设计存在的问题并对调速方法进行了总结。

2原理分析与模型建立2.1矿井提升机的工作原理矿井提升机是指在采矿工程中，采矿工程中，联系井下与地面的主要运输设备。

矿井提升机是安装在地面，借助于钢丝绳带动提升容器沿井筒或斜坡道运行的提升机械。

它用于竖井和斜井提升煤炭、矿石、矸石以及升降人员、下放材料、工具和设备等。

根据工作原理的不同，矿井提升机可分为缠绕提升机和摩擦提升机，缠绕提升机可分为单绳缠绕和多绳缠绕，摩擦提升机可分为单绳摩擦和多绳摩擦。

我国常用的矿井提升机形式主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。

单绳缠绕式提升机的工作原理是：把钢丝绳的一端缠绕在提升机滚筒上，另一端绕过天轮悬挂提升容器，这样，利用滚筒转动方向的不同，矿山机械设备将钢丝绳缠紧或放松，就可以完成提升或下放提升容器的任务。

[摘要] 提升机是矿井的关键和重大安全设备之一，用于矿山的竖井、斜井的提升系统，用作提升矿物和物料及设备等，是矿井系统设备的咽喉。

在整个生产过程中，占有非常重要的地位，它不仅关系到矿井的正常安全生产和生产效率，而且直接影响上下井人员的生命财产安全。

矿用生产是24小时连续作业，即使短时间的停机维修也会给生产带来很大损失。

因此，设备的安全可靠运行就显的特别重要。

目前的电控系统存在着很多的不足，矿用提升机的技术改造要求迫在眉睫。

下面以彩霞山矿井提升机系统为改造对象试做探讨。

[关键字]提升机、提升机变频、变频、提升机变频调速一、原控制系统与改造后系统对比目前盛宝矿业彩霞山矿井提升机采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方案，用交流接触器进行速度段切换。

目前提升机电控系统存在的不足：（1）挡位调节，调速不连续，运行中机械振动大，矿车冲击大，制动不安全；（2）启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的2-3倍，有时会更大，如果加速快，甚至会引起总开关跳闸；（3）调速时大量的电能消耗在电阻上，不但浪费严重，也造成工作环境的恶劣，空间噪声大；（4）维修量大，不方便。

由于操作时交流接触器频繁动作，易造成触点及线圈的烧坏，转子更换碳刷频繁；（5）耽误生产。

矿井是连续24小时工作，生产量大，任务繁重，由于电控系统设计落后，制造工艺落后，即使是短时间的维修，也会给生产带来损失。

随着交流变频技术的发展和成熟，变频调速性能的优越性日益显现。

以变频器为核心的调速系统，在交流矿井提升机上也越来越多的被采用，彻底改变了沿袭几十年的交流绞车转子串电阻分级调速的模式，使提升机获得平稳、安全、可靠的运行状态。

避免严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。

采用变频控制的提升机，基本上可以获得与直流电机相同的调速和制动性能。

控制系统、提升机数字行程控制等系统采用PLC和触摸屏实现控制、监视及人机通讯。