一、引言
在礦井的各動力設備中，提升機系統是最為重要、耗能最大的設備。提升機運行的可靠性直接影響礦井的產能和人員、設備升降井速度，直接關系到礦井的安全生產水平；同時提升機的調速方式也是對噸煤電耗水平影響最大的因素。
長期以來，礦用提升機普遍使用繞線式異步電機轉子串電阻的方法進行調速控制。該方法成本較低，但轉矩脈動大，電機電流大，能耗高，且轉子串電阻調速控制電路復雜，接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞，影響企業安全生產水平。隨著電力電子與電機控制技術的發展，采用變頻調速的方法可以從根本上解決上述問題。
二、繞線式異步電機轉子串電阻調速方式的運行特性分析
此方式通過切換交流接觸器或者可控硅，在電機的轉子回路串入不同阻值的電阻，起到調速運行的作用。根據實際工況不同，一般電阻分成4-8級，每級設有短接開關，如圖1所示（圖中為4級電阻調速系統）。
圖1：異步電機轉子串電阻調速系統電路圖
在電機啟動之初，所有短接開關處于分斷位置，所有電阻串聯入電機的轉子回路。當電機加速至一定轉速時，閉合最靠中性點側的短接開關（圖1中最下端開關），電機轉子所串電阻減少，隨著電機進一步加速，絞車司機依次閉合另外幾組短接開關，直至所有電阻被短接，電機運行至最高速。
電機減速時，先斷開靠近電機繞組的短接開關，而后隨著轉速的降低依次斷開另外幾組開關，直至所有電阻被串入轉子回路，進入爬行階段，絞車到位后啟動抱閘，同時斷開定子側高壓斷路器。
根據電機學原理，異步電機在轉子串聯不同數量的電阻情況下的輸出轉矩（即電磁轉矩）與轉速的關系曲線如圖2所示，圖中縱軸為電機的轉速與額定轉速之比，橫軸為電機的輸出轉矩與額定轉矩之比，圖2中的5條曲線由上至下依次是串聯0至4級電阻時電機的轉矩-轉速特性曲線。串聯的電阻越多，低速下的輸出轉矩越大，高速下的輸出轉矩越小。
電機在串聯不同電阻時的定子電流與轉速的關系曲線如圖3所示，電機從電網吸收的有功功率隨轉速的變化曲線如圖4所示。
圖2：轉子串不同電阻時電機輸出轉矩與轉速關系曲線
圖3：轉子串不同電阻時電機定子電流與轉速的關系曲線
圖4：轉子串不同電阻時電機功率與轉速的關系曲線
在加速過程中，一般采用轉矩最優的控制方式，即在轉矩-轉速特性中串不同電阻曲線的交叉點處切換短接開關，此方式下，電機在加速過程中能獲得最大的輸出轉矩，且開關動作前后電機的輸出轉矩連續變化。這一控制一般由絞車司機人工實現，也有系統用PLC自動控制完成。此控制方式下電機的轉矩-轉速曲線如圖5中黑色粗線所示，圖5中彩色細線與圖2相同；圖6為電機定子電流與轉速關系曲線，黑色粗線為上述開關切換控制方式下的實際曲線，彩色細線與圖3相同；圖7為電機從電網吸收的有功功率與轉速關系曲線，黑色粗線為上述開關切換控制方式下的實際曲線，彩色細線與圖4相同。
圖中不難看出，在上述控制方式下，電機的加速過程近似為恒轉矩加速過程，電機輸出轉矩為1.8-2.1倍額定轉矩；在加速過程中，提升機系統消耗的有功功率在2-2.2倍額定功率間變化，即使在低速時，由于串入電阻耗能巨大，電機雖然輸出功率不大，但其從電網吸收的有功功率仍為額定功率的2-2.2倍；圖9中，黑色粗線與圖8相同，為電機從電網吸收的有功功率隨轉速變化的曲線，藍色細線為電機輸出的軸功率與定轉子繞組損耗之和，二者之差為串聯電阻所消耗的功率。圖中不難看出，在高速段，由于串入的電阻較少，因此電阻上損耗所占比例不大，但在低速段，如電機的爬行階段和加速起步階段，電網提供的絕大部分功率被電阻所消耗，浪費了大量的能源。
圖5：轉矩最優控制方式下，轉子串電阻調速轉矩-轉速特性曲線
圖7：轉矩最優控制方式下，轉子串電阻調速功率-轉速特性曲線
圖8：轉矩最優控制方式下，電機從電網吸收功率與必要功率隨轉速變化曲線
上述控制方式下，雖然電機能夠輸出最大的加速轉矩，但在加速過程中電機電流較大，約為2-3倍額定電流。因此在負載較輕時，有時為了降低加速時的電機電流，絞車司機會適當提高各開關動作時的電機轉速，在電流降至額定電流時切換短接開關，此時電機的輸出轉矩、定子電流和從電網吸收的有功功率隨速度變化的曲線如圖9-12所示。
圖中可以看出，這種控制方式下，中速以上加速過程電機電流有所減小，約為1-1.7倍額定電流，電機的輸出轉矩也有所降低，約為1-1.7倍額定轉矩，且脈動增加，開關動作前后輸出轉矩有大幅跳躍，電機消耗的功率有所下降，但由于加速轉矩較低，加速時間較長，實際加速過程所耗電能并未減少。由于加速轉矩較低，因而此控制方法不適用于重載提升場合。
與轉矩最優控制方式類似，在低速爬行階段和加速的初始階段，電網提供的電能的大部分由電阻消耗，電能浪費嚴重。
圖9：額定電流切換控制方式下，轉子串電阻調速轉矩-轉速特性曲線 圖10：額定電流切換控制方式下，轉子串電阻調速定子電流-轉速特性曲線
圖11：額定電流切換控制方式下，轉子串電阻調速功率-轉速特性曲線
圖12：額定電流切換控制方式下，電機從電網吸收功率與必要功率隨轉速變化曲線
三、變頻調速方式的運行特性分析
變頻調速的運行方式是指將電機的轉子繞組短接，通過變頻器內的電力電子器件將工頻電網50Hz<
