1 引言

　　提升機(jī)是礦井的關(guān)鍵和重大安全設(shè)備之一，廣泛用于煤炭、有色金屬、黑色金屬、非金屬、化工等礦山的豎井、斜井的提升系統(tǒng)，用作提升礦物和物料、設(shè)備及運(yùn)送人員等，是礦井系統(tǒng)的咽喉。在整個生產(chǎn)過程中，占有非常重要的地位，它不僅關(guān)系到礦井的正常安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率，而且直接影響上下井人員的生命財產(chǎn)安全，因此，它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領(lǐng)域。大多數(shù)傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，低速轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)差功率大，啟動電流和換擋電流沖擊大；中高速運(yùn)行振動大，制動不安全、不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機(jī)運(yùn)行中調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高。礦用提升機(jī)的技術(shù)更新改造要求迫在眉睫。而采用dsp全數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)代表礦井提升機(jī)技術(shù)的先進(jìn)水平。

2 原礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡介

　　大陽煤礦是山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司的重點(diǎn)煤炭企業(yè)，是蘭花公司第一個利稅大戶和第一座高產(chǎn)高效礦井，現(xiàn)有員工1800余人，固定資產(chǎn)1.8億元，年生產(chǎn)能力達(dá)150萬噸，屬國有中型礦井，晉城市安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化示范礦井，“安全文明生產(chǎn)”特色礦井。大陽煤礦副井原有一臺礦井提升機(jī)，該提升機(jī)采用線繞式異步電動機(jī)，用轉(zhuǎn)子串電阻的方法調(diào)速。該提升機(jī)電控系統(tǒng)存在如下不足：

　　（1）擋位調(diào)節(jié)，調(diào)速不連續(xù)，運(yùn)行中機(jī)械振動大，礦車沖擊大，制動不安全，常易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象；

　　（2）啟動及換擋時沖擊電流大，啟動電流一般是額定電流的2～3倍，有時會更大，如果加速快，甚至?xí)鹂傞_關(guān)跳閘；

　　（3）調(diào)速時大量的電能消耗在電阻上，不但浪費(fèi)嚴(yán)重，也造成工作環(huán)境的惡劣，空間噪聲大；

　　（4）維修量大，不方便，由于操作時交流接觸器頻繁動作，易造成觸點(diǎn)及線圈的燒壞，轉(zhuǎn)子更換碳刷頻繁；

　　（5）耽誤生產(chǎn)，礦井是連續(xù)24h工作，生產(chǎn)量大，任務(wù)繁重，由于電控系統(tǒng)設(shè)計落后，制造工藝落后，即使是短時間的維修，也會給生產(chǎn)帶來損失。

　　隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展和成熟，變頻調(diào)速性能的優(yōu)越性日益顯現(xiàn)。以變頻器為核心的調(diào)速系統(tǒng)，在交流礦井提升機(jī)上也越來越多的被采用，徹底改變了沿襲幾十年的交流提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速的模式，使提升機(jī)獲得平穩(wěn)、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài)。避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損，防止較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長提升機(jī)械的使用壽命。采用變頻控制的提升機(jī)，基本上可以獲得與直流電機(jī)相同的調(diào)速和制動性能，而對電機(jī)的要求相對要低，適用普通異步電動機(jī)，無需改造。這里我們比較一下轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式和采用變頻器調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，如附表所示。

　　蘭花集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)下決心對該提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，通過對目前高壓提升機(jī)變頻器在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中的使用情況深入調(diào)查后，決定選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的高壓提升機(jī)變頻器和山西華威電控公司生產(chǎn)的變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)，見圖1。

　　大陽煤礦礦井提升機(jī)基本參數(shù)：

　　提升機(jī)：洛陽礦山機(jī)械廠

　　提升機(jī)類型：jk2-2.5

　　滾筒直徑：2.5m

　　最大靜張力：9t

　　最大靜張力差：5.5t

　　容繩量：700m

　　最大速度：3.5m/s

　　主電動機(jī)：湘潭電機(jī)廠

　　主電機(jī)型號：jr157-10

　　電機(jī)功率：260kw

　　定子電壓：6kv

　　轉(zhuǎn)速：585r/min

　　額定電流：33a

3 采用jd-bp系列高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

　　（1）風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓的波動有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，電網(wǎng)輸入電壓在-20%～+15%電網(wǎng)電壓波動時，變頻器通過輸出電壓自動補(bǔ)償算法可維持滿載輸出，保證長期正常運(yùn)行。供電瞬時失電5個周波內(nèi)可滿載運(yùn)行不跳閘，允許切換間隔3s。不受電網(wǎng)電壓和負(fù)載變化的影響。

　　（2）風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器控制方法采用空間矢量控制原理，響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬（2～120hz，依據(jù)現(xiàn)場情況可以設(shè)定）和動態(tài)特性精度高，穩(wěn)定性好、起動轉(zhuǎn)矩大（可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上），可以實現(xiàn)重載的平穩(wěn)起動。

　　（3）電機(jī)可以實現(xiàn)無級調(diào)速，加、減速過程平滑，電流沖擊小，大大減輕了機(jī)械沖擊的強(qiáng)度。

　　（4）dsp芯片控制和plc外端電路接口相結(jié)合，使系統(tǒng)具有很高的可靠性，有很強(qiáng)的故障自診斷功能，具有完整的故障監(jiān)測電路和精確的故障報警保護(hù)。能對所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，能在就地顯示并遠(yuǎn)方報警，并保存故障發(fā)生的時間、原因、故障點(diǎn)及故障時的運(yùn)行參數(shù)。便于運(yùn)行檢修人員辨別和解決所出現(xiàn)的問題。

　　（5）風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器真正實現(xiàn)四象限運(yùn)行，內(nèi)置回饋單元，實現(xiàn)再生能量回饋給電網(wǎng)，國內(nèi)最早研制四象限運(yùn)行高壓變頻器的廠家，技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先。

4 改造方案

　　為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換，如圖1所示。

　　4.1 高壓提升機(jī)系統(tǒng)主回路圖

　　高壓提升機(jī)系統(tǒng)改造主回路接線圖如圖2所示。

　　為滿足安全生產(chǎn)，并根據(jù)客戶要求，此次系統(tǒng)改造保留了原有的工頻系統(tǒng)，工頻電源經(jīng)過原工頻操作接到變頻旁路開關(guān)柜的工頻輸入端子。k1、k2、k3為三臺高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，k1、k3與k2采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。k4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān)，變頻運(yùn)行時，k4切換到變頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)k4后處于短接狀態(tài)；工頻運(yùn)行時，k4切換到工頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)k4接至原調(diào)速電阻裝置。當(dāng)k1、k3閉合，k2斷開，k4切換到變頻側(cè)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)k1、k3斷開，k2閉合，k4切換到工頻側(cè)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。

　　另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。

　　4.2 提升機(jī)變頻系統(tǒng)控制回路

　　蘭花集團(tuán)大陽煤礦提升機(jī)變頻系統(tǒng)控制回路分為兩個部分：

　　（1）變頻器內(nèi)部的控制回路，由高速32位的dsp芯片、plc、人機(jī)界面共同完成。控制器核心由高速32位dsp芯片運(yùn)算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。plc控制器用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

　　（2）山西華威電控生產(chǎn)的提升機(jī)操作控制臺，由plc、人機(jī)界面共同完成。plc控制器用于變頻系統(tǒng)和原工頻系統(tǒng)所有操作信號的邏輯處理，實現(xiàn)變頻器的自動、半自動運(yùn)行。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時實現(xiàn)提升機(jī)泵站壓力、位置、速度等的實時監(jiān)控。

　　4.3 風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器，采用若干個低壓變頻器功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，所用的6kv高壓提升變頻器，變壓器有18組付邊繞組，分為6個功率單元∕相，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分滿足國標(biāo)規(guī)定。jd-bp37型高壓提升變頻調(diào)速系統(tǒng)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

　　4.4 操作與控制

　　由于變頻器提供了適應(yīng)提升機(jī)現(xiàn)場應(yīng)用的完善的接口，依據(jù)提升機(jī)控制系統(tǒng)的不同，采用適當(dāng)?shù)慕泳€方式，就可以實現(xiàn)靈活的操作方式。

　　變頻調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動運(yùn)行和手動運(yùn)行兩種方式：

　　（1） 自動運(yùn)行方式

　　利用機(jī)內(nèi)plc強(qiáng)大的控制能力，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)膮?shù)，變頻器就可以實現(xiàn)自動化運(yùn)行，極大地提高了提升機(jī)的運(yùn)行效率。

　　如圖3所示，以正轉(zhuǎn)為例，開機(jī)時低速爬行時間t1、減速信號動作后延時t2、中速運(yùn)行時間t3、停機(jī)前爬行時間t4都可以根據(jù)現(xiàn)場情況自由設(shè)置。提升機(jī)運(yùn)行過程中，除開、停機(jī)外，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)可以不需要人工干預(yù)。

　　（a） 正轉(zhuǎn)時運(yùn)行速度曲線 （b） 反轉(zhuǎn)時運(yùn)行速度曲線

　　（2） 手動運(yùn)行方式

　　在該方式下，操作者通過提升機(jī)控制臺控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)電機(jī)的爬行、加速、減速、恒速運(yùn)行，但在系統(tǒng)給出減速信號后，為保證整個系統(tǒng)安全，變頻器仍然會啟動機(jī)內(nèi)自動減速程序。

　　（3）基本控制

　　交流制動。本提升機(jī)用變頻器，交流制動對提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時，檢測到停機(jī)信號后給控制器發(fā)出信號，讓變頻器由高頻迅速地降到低頻（1hz左右），給提升機(jī)一低頻制動，讓提升機(jī)從高速能較快速地降為低速，待plc檢測到機(jī)械制動起作用的信號后，plc發(fā)出信號讓控制器去掉交流制動信號，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘裝置停穩(wěn)。啟動時，先對提升機(jī)施加一交流制動信號，建立啟動力矩，待檢測到機(jī)械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉交流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機(jī)開始轉(zhuǎn)動。

　　運(yùn)行速度的控制。為了減少運(yùn)行過程中的機(jī)械沖擊，在提升機(jī)啟動和停止過程中，做到加速度連續(xù)，不同的頻率，對應(yīng)不同的加、減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加、減速速率規(guī)劃成一個表格，運(yùn)行中用查表的方法確定對應(yīng)頻率時的加、減速速率，使提升機(jī)平滑運(yùn)行，減少機(jī)械沖擊。再生能量通過功率單元來處理，如圖4所示。

　　電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，功率單元母線電壓vbus升高，當(dāng)母線電壓超過電網(wǎng)電壓的1.1倍時，高速cpu根據(jù)比較器和相位檢測的結(jié)果輸出六路spwm波形，使逆變塊a中的igbt工作，通過輸入電感，電動機(jī)的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網(wǎng)，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，對電網(wǎng)無諧波污染、功率因數(shù)高、控制簡單、損耗小，返回到電網(wǎng)諧波小于國家標(biāo)準(zhǔn)。

　　對高壓變頻器而言，輸入電流諧波和輸出電壓諧波是關(guān)鍵指標(biāo)，這兩項指標(biāo)經(jīng)國家權(quán)威部門的檢測，均低于國標(biāo)gb/14549-93和國際ieees519-1992標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

　　國家權(quán)威部門（天津發(fā)配電及電控設(shè)備檢測所和國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）的檢測共有23項，全部合格，檢測日期是2005年11月。

5 風(fēng)光提升機(jī)變頻器網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)化操縱臺，雙plc雙線制控制。操作系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)之間通過工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)通訊及信號交換，留有與信號系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)的接口，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控傳輸功能。加、減速過程平滑調(diào)節(jié)。

　　（1）操作和安全保護(hù)系統(tǒng)選用兩套不同配置的plc，互為冗余控制，對提升機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等等）均采用多線制保護(hù)，互為監(jiān)視。

　　（2）具有手動、半自動、檢修及應(yīng)急控制等各種控制方式。保證速度圖為s曲線。

　　（3）具有以下多種保護(hù)功能：

　　防過卷保護(hù)；防過速保護(hù)；防過負(fù)荷保護(hù)、防欠電壓保護(hù)；限速保護(hù)；深度指示器失效保護(hù)；閘瓦過磨損保護(hù)；松繩保護(hù)；信號方向閉鎖等。

　　（4）安全保護(hù)有三種狀況（輕故障允許一次開車，嚴(yán)重故障，較嚴(yán)重故障），并實現(xiàn)不同的處理措施：

　　輕故障允許一次開車，本次運(yùn)行結(jié)束后不維修好，不能再次開車。選用雙套plc，雙plc之間既有軟件上的聯(lián)鎖，又有硬件上的聯(lián)鎖和看門狗電路，對plc的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)視，防止因plc死機(jī)或其他意外原因，造成plc故障時能及時監(jiān)測并參與安全保護(hù)。操作臺上裝有19″液晶觸摸屏、指示燈、儀表、選擇開關(guān)、按鈕、音響設(shè)備等，能實現(xiàn)提升機(jī)運(yùn)行的各種控制工藝的要求，實現(xiàn)靜、動態(tài)參數(shù)及故障參數(shù)中文彩屏顯示，故障自診斷及查詢。

　　較嚴(yán)重故障實現(xiàn)先減速到1m/s后實施安全制動（包括機(jī)械深度指示器失效、松繩保護(hù)、編碼器位置偏差過大、制動油路故障、閘瓦磨損、主回路過壓、接地或欠壓等）。

　　嚴(yán)重故障實現(xiàn)立即啟動安全回路實施安全制動（包括等速過速、限速過速、包絡(luò)線超速、爬行段超速、高低壓電源故障、過流、變頻器故障、錯向、plc故障、過卷、急停操作、網(wǎng)絡(luò)通訊故障、2只測速元件同時損壞、主回路失壓、速度比較錯誤、殘壓高、電機(jī)溫度過高等）。

　　主控plc軟件能完成提升機(jī)手動、半自動、自動、檢修、慢動、緊急控制開車等運(yùn)行方式的控制要求。控制與監(jiān)視提升系統(tǒng)各路電源，滿足其控制功能及各項安全保護(hù)。對調(diào)速系統(tǒng)行程速度給定的控制，自動減速保護(hù)，停車時自動抱閘停車。與信號系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的提升信號閉鎖，具有完善的保護(hù)功能及遠(yuǎn)程診斷功能。

　　輔控plc具備電子數(shù)字監(jiān)控器的功能，進(jìn)行深度值、速度值、限速值等的指示，通過與主控系統(tǒng)的聯(lián)鎖。實現(xiàn)過卷、定點(diǎn)限速、全速過速、減速過速、開車錯向、斷軸保護(hù)等另一套安全保護(hù)，并參與系統(tǒng)控制。主/輔控plc均安裝在操作臺臺體內(nèi)，并與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，各種信號線通過通訊電纜完成，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。

6 現(xiàn)場應(yīng)用情況及運(yùn)行效果

　　大陽煤礦提升機(jī)變頻設(shè)備改造工程調(diào)試一次成功，變頻器已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行半年時間。使用變頻器后有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　（1）變頻系統(tǒng)無需原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低。

　　（2）調(diào)速方便，連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

　　（3）實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小，避免了掉道現(xiàn)象。

　　（4）啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過1.3倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，沒有大電流出現(xiàn)，減小了對電網(wǎng)的沖擊。

　　（5）增加了交流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)，有效避免了“溜溝”現(xiàn)象。

　　（6）采用回饋制動技術(shù)，成功解決了位能負(fù)載再生發(fā)電能量處理問題，保證了變頻器的安全運(yùn)行。

　　（7）節(jié)能效果顯著。據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到37%以上。

　　（8）采用變頻控制后，原繞線式電機(jī)可改為普通電機(jī)，這不但降低了成本，普通電機(jī)比繞線式電機(jī)可節(jié)約投資1/3，而且避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護(hù)。

7 結(jié)束語

　　礦山提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有控制性能優(yōu)良、操作簡便、運(yùn)行效率高、維護(hù)工作量小等諸多優(yōu)點(diǎn)。四象限高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，提高了礦山提升機(jī)控制技術(shù)和裝備水平。變頻調(diào)速系統(tǒng)不僅大大提高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)高質(zhì)量運(yùn)行，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動，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。