全數(shù)字直流電控系統(tǒng)可行性研究

摘要：通過對數(shù)字技術(shù)在直流礦井提升機(jī)中的研究，針對提升機(jī)的高可靠性要求，提出一種高可靠性的提升機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。副井提升機(jī)電控系統(tǒng)采用了當(dāng)今最先進(jìn)的雙PLC技術(shù)、并聯(lián)十二脈動整流技術(shù)和磁場換向技術(shù)來改造傳統(tǒng)的由繼電器、晶閘管組成的模擬調(diào)速控制直流提升系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：十二脈動 礦井提升機(jī) 行程控制 PLC控制 全數(shù)字

1 概述

礦井提升機(jī)作為井下與地面聯(lián)系的咽喉，是礦山的關(guān)鍵設(shè)備之一，提升機(jī)起、制動頻繁，調(diào)速范圍廣（一般在1：40左右），要求可逆提升。采用晶閘管供電的直流調(diào)速裝置，可以很方便地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，國內(nèi)外直流提升機(jī)已普遍采用這種方式，尤其是數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，全數(shù)字式直流提升機(jī)電控系統(tǒng)已居礦山廣泛應(yīng)用，其性能和優(yōu)點(diǎn)已得到普遍好評。作為礦井上下人員、材料的副井，提升機(jī)的安全穩(wěn)定性和可靠性、高效性是重要的技術(shù)指標(biāo)，直接關(guān)系到人員的生命及財產(chǎn)的安全。原提升機(jī)屬國產(chǎn)大功率早期產(chǎn)品，模擬調(diào)速控制存在技術(shù)陳舊、故障率高、運(yùn)行參數(shù)易受環(huán)境影響等問題，這些因素對提升運(yùn)行的安全和生產(chǎn)構(gòu)成了潛在威脅。因此，在設(shè)計上，采用了目前最先進(jìn)的全數(shù)字直流調(diào)速整流技術(shù)，以及PLC無觸點(diǎn)控制技術(shù)，在安全回路上采用雙線制，保證安全回路動作的可靠性。

三河尖煤礦副井提升機(jī)型號為：JKM-3.25/4-I，其主要技術(shù)特征如下：

滾筒直徑：3.250m 最大靜張力：450KN

最大靜張力差：140KN 變位質(zhì)量：17300kg

鋼絲繩結(jié)構(gòu)：6V×34+NF 鋼絲繩間距：300mm

導(dǎo)向輪直徑：3M

減速器型號為：ZG-90II

減速比：7.35 最大輸出扭矩：39000kg.m

最大輸入轉(zhuǎn)速：735r/min 重量：23780kg

直流電動機(jī)型號為：ZD-99/60

額定功率：1400KW 電壓：660V

勵磁他激電壓：110V 電流：2240A

額定轉(zhuǎn)速：500r/min 電流：47.5A

絕緣等級：B級 重量：17200kg

該電控系統(tǒng)已使用13年之久，雖經(jīng)幾次改造，但線路及繼電器已嚴(yán)重老化，而且故障率高，調(diào)速性能也不穩(wěn)定，已不能滿足三河尖礦現(xiàn)有的提升任務(wù)。

隨著計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，尤其近幾年可編程控制器的發(fā)展，其廣泛地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制領(lǐng)域，工業(yè)自動控制水平有了大幅度的提高，煤礦領(lǐng)域的機(jī)電自動化水平也有了很大的進(jìn)步。安全是煤礦行業(yè)的“天字號”工程，為了切實(shí)保障煤礦的安全提升，煤礦裝備了各種安全保護(hù)設(shè)施，各種監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，但是各種保護(hù)設(shè)施的增加，也提高了故障發(fā)生的機(jī)率，給維護(hù)人員增加了困難。

本課題采用現(xiàn)代的計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)，利用可編程控制器控制絞車的運(yùn)行，提高絞車提升的安全可靠性，實(shí)現(xiàn)絞車的全自動運(yùn)行。

2 方案設(shè)計、設(shè)計原則

①安全性。系統(tǒng)的安全性是設(shè)計時應(yīng)首先考慮的因素。安全問題是煤礦的頭等大事，因此，一定要確保系統(tǒng)自身的安全：其應(yīng)符合煤礦安全規(guī)程的要求，系統(tǒng)裝備上盡可能實(shí)現(xiàn)人與物的本質(zhì)安全。②可靠性。系統(tǒng)的可靠性是設(shè)計時應(yīng)考慮的重要因素。一定要確保系統(tǒng)的靈敏可靠，不能出現(xiàn)錯誤的信息和動作，其系統(tǒng)的可靠性是安全性的重要保障。③科學(xué)性。系統(tǒng)的設(shè)計一定要科學(xué)合理，采用當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)與方法，保證系統(tǒng)的科學(xué)技術(shù)先進(jìn)性。④可用性。設(shè)計的全數(shù)字自動直流電控系統(tǒng)應(yīng)便于安裝、施工、維護(hù)；便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和容量擴(kuò)展。⑤經(jīng)濟(jì)性。全數(shù)字直流電控系統(tǒng)軟硬件的投資不應(yīng)過高，應(yīng)該經(jīng)濟(jì)合理可行，其應(yīng)用應(yīng)該帶來一定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

3 電氣系統(tǒng)組成

該提升機(jī)電樞回路采用了并聯(lián)12脈動調(diào)節(jié)方案，一臺主整流變壓器副邊有兩套繞組，聯(lián)結(jié)方式為D/d0-Y1，副邊兩套繞組電壓相位差30°，分別送給兩組整流柜，經(jīng)均衡電控器進(jìn)行變換和迭加后，在電機(jī)兩端得到12脈動的直流供電電壓。

3.1 以高壓開關(guān)柜、低壓配電柜為主體組成的高、低壓供電系統(tǒng)，其功能是對主整流變壓器和調(diào)節(jié)控制及PLC等回路供電，使系統(tǒng)具備工作條件。這些系統(tǒng)中配有必要的電壓、電流測量、指示及保護(hù)等措施。

3.2 以電樞整流調(diào)節(jié)柜、勵磁調(diào)節(jié)整流柜、主變壓器、勵磁變壓器、平波電抗器、直流快速開關(guān)為主體組成的晶閘管變流設(shè)備，它是提升機(jī)的核心部分，是實(shí)現(xiàn)電流變換、進(jìn)行能量傳遞、實(shí)現(xiàn)速度控制和電流調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。電樞和勵磁整流調(diào)節(jié)柜采用的是西門子公司6RA70全數(shù)字調(diào)速裝置，晶閘管整流和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)融在一體，應(yīng)用了數(shù)字調(diào)節(jié)和數(shù)字觸發(fā)技術(shù)，靜態(tài)參數(shù)設(shè)置數(shù)字化，操作鍵盤化；動態(tài)參數(shù)自動優(yōu)化；觸發(fā)同步信號無需調(diào)整，采用自同步方式，觸發(fā)脈沖對稱精度非常高。速度閉環(huán)控制與勵磁電流閉環(huán)控制共用一套西門子6RA70全數(shù)字調(diào)速裝置，采用高精度和可靠性的脈沖編碼器作為速度檢測和反饋元件，速度調(diào)節(jié)靜差小、精度高。

3.3 提升機(jī)控制系統(tǒng)以PLC控制柜為核心，包括司機(jī)操作臺和檢測、保護(hù)等設(shè)備或器件。PLC是控制系統(tǒng)的核心，它實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的開車、加減速和停車控制，并進(jìn)行行程監(jiān)視，保證提升機(jī)的安全運(yùn)行。

4 設(shè)備功能說明

電樞整流柜

電樞整流柜共兩臺，通過并聯(lián)后為電機(jī)供電，如下圖所示。電機(jī)兩端電壓Ud與每臺電樞整流柜輸出電壓Ud接近；電樞電流Id為：Id=IdI+Id2

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采用并聯(lián)12脈動控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以大大減少整流所造成的諧波對電網(wǎng)的“污染”，改善了電網(wǎng)側(cè)電流波形，減小諧波分量；通過并聯(lián)12脈動后，整流所造成的主要諧波由5次、7次，變成11次和13次，諧波量也有所減少。②可以減小無功沖擊。③減少了直流脈動量，提高了直流供電質(zhì)量。④提高了直流輸出電壓，為高電壓的直流電機(jī)提供了更高的可靠性。

在兩臺電樞整流柜中，1#整流柜負(fù)責(zé)速度閉環(huán)調(diào)節(jié)控制、1#、2#整流柜有各自的電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，電流給定信號都來自速度調(diào)節(jié)器的輸出。

電樞整流柜電路圖見SFD-LT（SHJ+DL），其中YA1為西門子6RA70全數(shù)字調(diào)速裝置，包括晶閘管整流橋和電子調(diào)節(jié)板，1#整流柜的6RA70除作電流閉環(huán)控制外，還作速度控制，電流給定從裝置之間的通信線傳入，K4.3閉合時，裝置進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，此時只要有電流給定，就會有整流輸出。在1#整流柜中，速度給定信號由X174：4和X174：5輸入，速度反饋信號由光電編碼器的測速輸出直接入X173。柜中RV1～RV4為交直流側(cè)的過壓保護(hù)元件，防止操作過壓或雷擊對晶閘管元件的破壞。

5 技術(shù)要求

5.1 直流變流調(diào)速傳動采用西門子6RA70全數(shù)字晶閘管直流調(diào)速裝置，磁場固定（可調(diào)），電樞可逆、四象限運(yùn)行、并聯(lián)12脈動供電；6RA70全數(shù)字晶閘管直流調(diào)速裝置型號為：電樞6RA70，額定輸入電壓AC690V，額定輸出直流電流2000A；勵磁6RA70，額定輸入電壓AC400V，額定輸出直流電流60A。

5.2 要求配置與現(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)相同，與現(xiàn)有運(yùn)行系統(tǒng)互為備用，在短時間內(nèi)能夠完成轉(zhuǎn)換，新柜與現(xiàn)柜主回路采用電纜連接。

5.3 能夠?qū)崿F(xiàn)速度閉環(huán)、電樞電流閉環(huán)和勵磁電流閉環(huán)的全數(shù)字調(diào)節(jié)控制；實(shí)現(xiàn)電流限幅、數(shù)字觸發(fā)、自動調(diào)整相位。

5.4 自動實(shí)現(xiàn)“S”形加、減速度給定曲線。

5.5 能實(shí)現(xiàn)速度無靜差控制。采用軸編碼器作速度反饋，靜態(tài)調(diào)速精度在0.1%以內(nèi)。

5.6 采用數(shù)字觸發(fā)技術(shù)，自動控制晶閘管觸發(fā)脈沖的相位。

5.7 采用無環(huán)流控制邏輯，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)四象限運(yùn)行。

5.8 具有自動化優(yōu)化功能

通過參數(shù)設(shè)置，可以對下列內(nèi)容進(jìn)行自動優(yōu)化：

①電流閉環(huán)參數(shù)。

②速度閉環(huán)參數(shù)。

5.9 在全數(shù)字調(diào)節(jié)裝置出現(xiàn)故障信號時，應(yīng)該具有故障存儲和查詢的功能，并對要求輸出的故障可以進(jìn)行輸出。

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作者簡介：楊傳名（1985-），男，江蘇徐州人，助理工程師，研究方向為機(jī)電。