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改造后通過壓變頻控制電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停機(jī)，無需換向柜等開關(guān)設(shè)備即可根據(jù)電控指令，自動(dòng)按照理想的提升機(jī)速度曲線圖實(shí)現(xiàn)平滑的啟、停、調(diào)速和換向，通過能量回饋實(shí)現(xiàn)電子制動(dòng)，無需通過施閘減速制動(dòng)實(shí)現(xiàn)

一、概述

九龍礦副井提升電控系統(tǒng)于2001年改造后投入使用至今已接近十年，提升機(jī)電機(jī)傳動(dòng)控制采用轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)調(diào)速控制，調(diào)速精度低；通過真空開關(guān)切換、換向需要留有足夠的操作時(shí)間，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，尤其處于低速爬行時(shí)段操作難度較大，整個(gè)提升周期不能進(jìn)一步縮短，降低了提升機(jī)的使用效率；設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、維護(hù)工作量大、檢修時(shí)間長，同時(shí)傳動(dòng)系統(tǒng)效率低、能耗浪費(fèi)較大；已經(jīng)處于加速淘汰的趨勢。

由于電子技術(shù)的速發(fā)展，許多設(shè)備及其采用的技術(shù)已經(jīng)面臨更新改造甚至全面淘汰的狀態(tài)，尤其是近年壓變頻技術(shù)的成熟和壓變頻產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)技術(shù)性能和整體運(yùn)行、控制方式的改進(jìn)起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用。

改造后通過壓變頻控制電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停機(jī)，無需換向柜等開關(guān)設(shè)備即可根據(jù)電控指令，自動(dòng)按照理想的提升機(jī)速度曲線圖實(shí)現(xiàn)平滑的啟、停、調(diào)速和換向，通過能量回饋實(shí)現(xiàn)電子制動(dòng)，無需通過施閘減速制動(dòng)實(shí)現(xiàn)定位,極大提了自動(dòng)化程度,降低了操作、維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升機(jī)的使用效率、系統(tǒng)的傳動(dòng)效率均大幅提，在提提升產(chǎn)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

二、 基礎(chǔ)參數(shù)與運(yùn)行工況

九龍礦副井使用洛陽礦山機(jī)械廠jkm3.25/4型多繩摩擦式提升機(jī)，滾筒直徑3.25m，提升度717m，提升容器為一噸礦車雙層四車罐籠，提升速度8.7m/s，采用630kw雙電機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)型號(hào)：yr118-10，定子電壓6000v、定子電流81a、轉(zhuǎn)子電壓745v、轉(zhuǎn)子電流516a。

副井提升運(yùn)行工況比較復(fù)雜，每勾提升重量都有差異，且正、負(fù)力提升頻繁，調(diào)速方式為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速屬有級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時(shí)，需要?jiǎng)恿χ苿?dòng)與轉(zhuǎn)子串電阻及制動(dòng)閘配合操作，司機(jī)不易控制，安全性能差。在減速時(shí)和下放重物時(shí)，投入動(dòng)力制動(dòng)，不僅消耗外加直流電能，而且還將電動(dòng)機(jī)上的再生電能消耗在轉(zhuǎn)子串接的電阻上，浪費(fèi)了大量的電能，且運(yùn)行維護(hù)量大、維護(hù)費(fèi)用、勞動(dòng)強(qiáng)度大。

三、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與變頻調(diào)速的運(yùn)行特性

1、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的運(yùn)行特性

此方式通過可控硅切換，在電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻，起到調(diào)速運(yùn)行的作用。

在電機(jī)啟動(dòng)之初，所有短接開關(guān)處于分?jǐn)辔恢茫�所有電阻串�?lián)接入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路。當(dāng)電機(jī)加速至一定轉(zhuǎn)速時(shí)，閉合靠中性點(diǎn)側(cè)的短接開關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)子所串電阻減少，隨著電機(jī)進(jìn)一步加速，絞車司機(jī)通過操作主令手柄依次閉合另外幾組短接開關(guān)，直至所有電阻被短接，電機(jī)運(yùn)行至速。

在速段，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(jī)的爬行階段和加速起步階段，電網(wǎng)提供的大部分功率被電阻所消耗，浪費(fèi)了大量的電能。

2、變頻調(diào)速的運(yùn)行特性

變頻調(diào)速的運(yùn)行方式是指將電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組短接，通過變頻器內(nèi)的電力電子器件將工頻電網(wǎng)50hz的電壓轉(zhuǎn)換成其他頻率的電壓，加在電機(jī)的定子繞組上。通過調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機(jī)運(yùn)行在期望的轉(zhuǎn)速上。

變頻調(diào)速按照控制方法主要有vvvf控制、滑差頻率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過對(duì)電機(jī)的建模運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，具有優(yōu)的控制性能。本文所述安弗森系列壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應(yīng)礦井提升機(jī)負(fù)載的需要。

在矢量控制方式下，變頻器能夠根據(jù)測量到的電壓、電流信號(hào)以及事先測得的電機(jī)參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機(jī)模型，計(jì)算出電機(jī)的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對(duì)輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，如需要的輸出轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定的“大轉(zhuǎn)矩”，按照大轉(zhuǎn)矩輸出。

四、安弗森變頻器系統(tǒng)組成及功能

1、壓系統(tǒng)

采用真空壓開關(guān)柜，其中：2路壓電源進(jìn)線、2路壓饋電、1路壓聯(lián)絡(luò)柜、1路壓母聯(lián)開關(guān)柜，采用真空斷路器，配彈簧儲(chǔ)能電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。

2  壓變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置

（1) 變頻器與plc電控硬連接

變頻器和plc電控采用硬連接：電控把開關(guān)量正向起停、反向起停、緊急停機(jī)、模擬量頻率給定送給變頻器，可以控制變頻器運(yùn)行；變頻器把開關(guān)量運(yùn)行、故障、就緒、模擬量輸出電流、輸出頻率給電控系統(tǒng)，即可以正常工作。配合如下圖所示。

（2) 變頻器柜體介紹

變壓器柜：變壓器柜內(nèi)裝有為功率單元提供三相電源的移相變壓器。柜門上設(shè)有干式變壓器溫度控制儀，為變壓器提供溫度告警和過熱保護(hù)。柜前門內(nèi)側(cè)裝有行程開關(guān)，當(dāng)柜門打開時(shí)告警。柜后門裝有電磁鎖，當(dāng)壓電進(jìn)入柜內(nèi)，電磁鎖自動(dòng)鎖死，需用專用的電磁鎖鑰匙才能打開柜子的后門。

單元柜：單元柜內(nèi)安裝的功率單元和三相電抗器分成三組，每組排列成一排，每組串聯(lián)成一相，每相串聯(lián)6個(gè)功率單元和三相電抗器。串聯(lián)后a1、b1、c1三個(gè)功率單元y形短接，三相后三個(gè)單元a6、b6、c6輸出接壓輸出室的接線銅排上。在短接處的電纜上穿有霍爾電流傳感器，檢測輸出電流。

3、低壓配電柜

雙回路進(jìn)線，為電控系統(tǒng)的輔助設(shè)備供電，并實(shí)現(xiàn)雙電源切換。配有ups不間斷電源，以便在主電源故障情況下，能夠使皮帶機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠的安全制動(dòng)，為計(jì)算機(jī)提供電源，保證計(jì)算機(jī)的運(yùn)行和數(shù)據(jù)保持。

4、提升數(shù)控柜

安弗森的雙套不同配置的an1系列可編程控制器。雙plc之間既有軟件上的聯(lián)鎖，還有硬件上的聯(lián)鎖和看門狗電路，對(duì)plc的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視，防止因?yàn)閜lc死機(jī)或其他意外原因造成plc故障時(shí)能及時(shí)監(jiān)測并參與安全保護(hù)。

主控plc由主機(jī)架、電源板、cpu板、通訊板、速計(jì)數(shù)板、模擬量i/o板、數(shù)字量i/o 板、調(diào)制解調(diào)器等硬件組成，輸入輸出口留有一定的余量。主控plc應(yīng)用軟件能完成提升機(jī)手動(dòng)、半自動(dòng)、檢修、換層、慢動(dòng)、緊急控制開車等運(yùn)行方式的控制要求。

5、保護(hù)功能設(shè)置

（1）立即施閘的故障：、低壓電源斷電故障、直流快速開關(guān)跳閘、勵(lì)磁回路故障、電樞回路故障、提升容器過卷、調(diào)節(jié)及控制回路故障、主電機(jī)失磁、制動(dòng)系統(tǒng)油壓故障、提升系統(tǒng)過大速度15%及減速段過速10%、2m／s定點(diǎn)過速、鋼絲繩滑動(dòng)限、錯(cuò)向操作、按下安全制動(dòng)鈕、電源斷電、快開跳閘、主回路過壓、過流、主回路失壓等。

（2）先按設(shè)定減速度減速，然后緊急停車的故障：定子、轉(zhuǎn)子及變流器發(fā)生局部故障、主機(jī)軸瓦過熱、變壓器溫度偏、運(yùn)行過程中通風(fēng)機(jī)故障、信號(hào)電源欠壓、液壓制動(dòng)系統(tǒng)油溫偏、液壓制動(dòng)系統(tǒng)油位偏低、閘瓦磨損、閘盤偏擺、彈簧疲勞等。

（3）完成本次提升后，不允許再次開車的故障：主電機(jī)溫、低壓電源漏電、信號(hào)電源接地及其它接地故障、室溫過、控制柜溫度過等。

6、網(wǎng)絡(luò)化操作臺(tái)

輔控plc除了具備電子數(shù)字監(jiān)控器的功能外，操縱臺(tái)上需要從plc輸入、輸出口進(jìn)行接線的，均從輔控plc就近接線，輔控plc安裝在操作臺(tái)臺(tái)體內(nèi)，并與主控plc進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，各種信號(hào)線通過通訊電纜完成，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。操作臺(tái)上裝有指示燈、儀表、選擇開關(guān)、按鈕、音響設(shè)備、數(shù)字深度指示器等，能實(shí)現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行的各種控制工藝的要求。

7、軸編碼器與測速發(fā)電機(jī)

主軸傳動(dòng)裝置上的軸編碼器信號(hào)進(jìn)入主控plc，導(dǎo)向輪傳動(dòng)裝置上的軸編碼器信號(hào)進(jìn)入輔控plc，作為兩路完全獨(dú)立的數(shù)字行程監(jiān)控器的位置信號(hào)，通過網(wǎng)絡(luò)通訊，兩路數(shù)字監(jiān)控器相互比較、冗余控制，實(shí)現(xiàn)速度的包絡(luò)線保護(hù)、鋼繩滑動(dòng)、位置閉環(huán)控制，確保數(shù)字監(jiān)控器的準(zhǔn)確、可靠、安全。

主軸傳動(dòng)裝置上的測速機(jī)用于速度保護(hù)，與數(shù)字監(jiān)控器的速度進(jìn)行比較監(jiān)視進(jìn)一步確保數(shù)字監(jiān)控器的可靠性。

五、變頻改造后效益分析

改造提升機(jī)用變頻器是在原提升機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代原工頻調(diào)速系統(tǒng)，同時(shí)保留工頻調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

改造之后：

1、實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車，減少了機(jī)械沖擊，使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。

2、啟動(dòng)及加速換擋時(shí)沖擊電流很小，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3、啟動(dòng)轉(zhuǎn)距、低頻轉(zhuǎn)距、制動(dòng)轉(zhuǎn)距均符合規(guī)定要求。

4、運(yùn)行速度曲線成s形，使加、減速平滑，無撞擊感。

5、遠(yuǎn)控及顯示正常，操作方便、觀測直觀。

6、安全保護(hù)功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護(hù)外，還設(shè)有連鎖保護(hù)、自動(dòng)限速保護(hù)功能等。

7、當(dāng)減速及重物下放時(shí)，能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)回饋。

六、總結(jié)

針對(duì)目前國內(nèi)交流變阻調(diào)速提升機(jī)存在的速度控制性能差、能耗大，不易操作的現(xiàn)狀，礦井提升機(jī)大功率變頻器，滿足了提升機(jī)的各種運(yùn)行方式，具有調(diào)速性能好、安全可靠、運(yùn)行平穩(wěn)、操作簡單、低頻轉(zhuǎn)矩大、節(jié)電效果顯著、功率因數(shù)、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)。

尤其是采用了再生制動(dòng)方式的變頻器，使提升機(jī)在減速段或重物下放操作時(shí)變頻器能自動(dòng)轉(zhuǎn)入發(fā)電反饋狀態(tài)，使制動(dòng)更平穩(wěn)，操作更簡單，有速度傳感器的矢量控制的應(yīng)用，使得變頻器具有低頻轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、精度、操作簡單的特點(diǎn)，運(yùn)用了壓變頻器的成熟技術(shù)，使得運(yùn)行安全穩(wěn)定、故障率低、基本免維護(hù)，技術(shù)先進(jìn)、保護(hù)齊全，操作方便，節(jié)能效果顯著（與原電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可節(jié)電10%-30％以上），功率因數(shù)（0.95以上），諧波含量極少，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

四象限壓變頻器在交流提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造及新提升機(jī)電控系統(tǒng)配置中，提了礦山提升機(jī)控制技術(shù)和裝備水平。壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)不僅大大提了礦山交流提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保了提升機(jī)質(zhì)量運(yùn)行，而且其技術(shù)性能達(dá)到國內(nèi)、國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩、精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。實(shí)現(xiàn)提升全過程變頻調(diào)速閉環(huán)控制，滿足提升機(jī)各種運(yùn)行工況及特殊載荷運(yùn)行條件，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。實(shí)現(xiàn)提升全過程變頻調(diào)速閉環(huán)控制、無級(jí)調(diào)速和多速度等級(jí)運(yùn)行，滿足副井提升機(jī)各種運(yùn)行工況及特殊載荷運(yùn)行條件。