本文是一篇电气自动化论文，本文以开滦股份范各庄矿业分公司、江苏国传电气有限责任公司和中国矿业大学联合立项攻关的“范矿公司新副井基于PWM直流调速技术的副井智能化控制系统研究应用”项目为依托，对PWM直流调速技术和矿井提升机智能化控制系统进行了研究。
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.1.1 选题背景
随着煤矿开采技术的不断发展，矿井提升机作为煤矿生产中的关键设备，其安全性和智能化水平受到广泛关注。PWM直流调速技术以其高精度、高效率、高可靠性等优点，在电机调速领域得到了广泛应用，因此将PWM直流调速技术应用于矿井提升机控制系统，同时提高矿井提升系统智能化水平，对于实现煤矿安全生产具有重要意义。
开滦股份范各庄矿业分公司（以下简称范矿公司）隶属于开滦能源化工股份有限公司，始建于1958年，1964年建成投产，是新中国第一座自行勘探、自行设计、自行建造的大型机械化矿井，被誉为“新中国第一矿”，核定生产能力480万吨/年[1]。其新副井始建于1976年，1984年建成投产，为JKM-2.8/6Ⅲ型塔式摩擦提升机，提升高度520.5m，配备ZJD250/72-12型直流电动机，电动机功率1800kW，滚筒直径2.8m，导向轮直径2.55m，采用液压盘式制动器，最大提升速度8m/s。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 PWM直流调速技术研究现状
直流电动机因其具有快速制动、稳态精度高、调速平滑，调速范围大、过载能力强等诸多优点，是最早出现的电动机，也是最早实现调速的电动机，被广泛应用于电力拖动领域中。随着计算机技术、电力电子技术的飞速发展，控制技术的日益成熟，依托功率元器件对直流电动机进行脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的PWM调速技术已成为电动机控制领域的重要技术之一[2-8] 。PWM控制方式作为当前直流调速系统中最主要的控制方式，近年来在国内外均取得了显著的研究进展和应用效果。其技术原理是，通过改变脉冲信号的占空比来调整电动机两端的平均电压，进而控制电动机的转速[9]。该技术具有调速精度高、调速范围广、控制简单等优点，在要求调速性能较高的场合中得到广泛应用[10,11]。随着微电子技术、电力电子技术及自动控制技术的不断发展，PWM直流调速技术也在不断进步和完善[12]。
1.2.1.1 直流调速系统发展历程
随着科技的不断进步，直流调速技术也发生了重大变革。从20世纪50年代风靡一时的发电机—电动机组（Ward-Leonard，G-M），到20世纪60年代的晶闸管—电动机调速系统（静止的Ward-Leonard，V-M），再到采用脉宽调制的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统，以及近年已经发展成熟的全数字直流调速系统[2,3,13]，使得直流调速技术发生了质的飞跃。
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2 兆瓦级四象限PWM直流调速系统设计与先进控制
2.1 引言
通过现场采集，范各庄矿新副井提升机工况如表2-1所示，具备提升高度大、最大提升速度要求高的特点，所采用的直流电机额定功率达到1.8MW，电枢额定电流达到了2620A。传统的兆瓦级PWM调速系统多采用具有高电压、大电流应力特点的晶闸管构造变流系统。由于晶闸管属于半控型器件，其开关特性使得基于晶闸管调速系统面临着网侧功率因数低、网侧电流谐波大、电机转矩脉动大等问题。
采用全控型器件，即绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）取代晶闸管可以解决上述问题，在中、小功率场合得到了广泛的应用。然而，当功率增加到兆瓦级以上，受限于单个IGBT的电流应力、开关应力、损耗特性等，四象限PWM直流调速系统的应用还存在一系列的难题亟待解决，在当前提升机应用领域还未见推广。
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2.2 兆瓦级四象限PWM直流调速系统的主回路参数计算与设计方法
根据现场实际工况及预期控制目标，采用“直流电动机+PWM直流调速技术+全数字DSP调制+多PLC网络控制+智能化控制系统+系统自诊断与远程监控+工业以太网信息互联”的控制模式，整个控制系统由高、低压配电设备，变压器，电抗器，IGBT直流整流器，PLC控制柜，操作显示台，上位机监控系统及其他附属设备组织。整体结构如图2-1所示。
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3 矿井直流提升机智能控制系统研究 ...................................... 47
3.1 矿井直流提升机智能控制系统核心层设计 ................................ 47
3.2 基于物联网技术的检测监控系统研究 ........................................ 53
3.3 基于光纤侦听技术的井筒设施在线监测预警系统的研究 ........ 59
4 现场应用及效果分析 .......................... 81
4.1 安装调试 .................................. 81
4.2 应用效果 ......................................... 86
4.3 结论 ............................. 88
5 总结与展望........................... 89
5.1 总结 ........................... 89
5.2 展望 ...................... 90
4 现场应用及效果分析
4.1 安装调试
4.1.1 概述
在完成出厂调试，并经检测系统各组成部分合格，出具出厂合格报告后，运输至范矿公司，进行现场安装调试工作。同时，为实现范矿公司新副井双电控系统运行，在安装新系统的同时，对新老系统进行兼并兼容改造。
4.1.2 现场安装
（1）安装变流柜、控制柜、调节柜、变压器等较大型设备。 （2）安装变流柜专用编码器及其他外围设备。 （3）安装智能控制系统。 （4）进行铺设电缆，包括控制电缆与高压电缆。 （5）进行系统接线。
4.1.3 通电前的检查
（1）检查电抗器、变压器、变流柜、电动机等主回路相互之间接线是否正确。 （2）检查PLC控制柜、操作台、调节柜等控制回路接线是否正确。 （3）检查信号系统、操作系统、电动机润滑系统、液压制动系统等外围附属设备设施接线是否正确。同时确认上述系统与主控制系统关联闭锁关系是否投入。 （4）检查PLC控制柜、变流柜、调节柜、操作台等各类柜体内的接线端子是否松动，各元器件是否在运输途中被损坏等情况。 （5）检查各智能化监测监控系统安装接线情况，以及对原系统进行详细检查。 （6）在确保上述检查无问题后，对系统进行绝缘测试，在绝缘测试时，要选择电压等级符合标准的摇表或万用表等仪器仪表，特别注意在进行绝缘测试时，切勿因仪器仪表选用不当，造成系统元器件损坏或击穿。绝缘不符合要求时，必须查找到具体原因，不得盲目送电试验。
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5 总结与展望
5.1 总结
本文以开滦股份范各庄矿业分公司、江苏国传电气有限责任公司和中国矿业大学联合立项攻关的“范矿公司新副井基于PWM直流调速技术的副井智能化控制系统研究应用”项目为依托，对PWM直流调速技术和矿井提升机智能化控制系统进行了研究，主要工作内容如下：
（1）对范矿公司新副井提升机各类参数进行了收集，查阅了该提升机历史资料，对现场工况进行了勘测，对各类技术参数进行了核对。同时，查阅了矿井提升机控制系统设计研发相关的法律法规和行业标准，系统学习了煤矿智能化建设相关标准及国家政策，为系统研发做了一定前期准备。
（2）查阅了一定量的PWM直流调速技术和矿井提升机智能化建设方面的文献资料，对国内外研究现状进行了初步了解，了解了PWM直流调速最新技术以及矿井智能化建设方面所取得的成果。特别是对近三年的科技文献资料进行了认真学习，为系统研发方案制定奠定了一定的理论基础。
（3）针对范矿公司新副井提升机现场实际工况，以及老系统已连续使用17年的客观实际情况，结合矿井智能化建设的迫切需要，在参考当前国内外研究和发展现状的基础上，充分发挥江苏国传电气有限责任公司在提升机电控系统研发方面的经验和中国矿业大学学科优势，制定了“直流电动机+PWM直流调速技术+全数字DSP调制+多PLC网络控制+智能化控制系统+系统自诊断与远程监控+网络通信技术”的研发方案和技术思路。
参考文献（略）