礦井鼠籠提升機電控系統設計

宋盛

(神華能源股份有限責任公司神東煤炭集團,陜西榆林　719315)

礦井鼠籠提升機電控系統設計

宋盛

(神華能源股份有限責任公司神東煤炭集團,陜西榆林719315)

礦井提升機是礦山生產過程中最重要的設備之一,是聯系井下和地面完成人員、物料、設備運輸的“咽喉”設備。作為礦山中重要的生產設備的礦井提升機,為了實現礦井提升機安全可靠地運行,設計一套可靠的提升機的電控系統就具有非常重要的現實意義。本文針對礦井提升機工作過程和控制要求,設計了一套基于PLC、高壓變頻器的提升機電控系統。

礦井提升機高壓變頻器PLC提升機供電

傳統的礦井提升機調速系統采用繼電器-接觸器控制，使得礦井提升機工作過程中出現速度不平穩、故障率高、耗費電能大、可靠性差等問題。為了解決這些問題，設計一套全新的安全可靠的礦井提升機電控系統是非常必要的。

1　礦井鼠籠提升機電控系統的總體設計

提升機系統通過控制交流電機來實現提升設備的往復運行，交流電動機的正反轉決定了提升設備的上下運動，電動機的轉速的變化使得提升設備能夠加減速運行。提升機的工作時序，“為了使提升設備能夠安全可靠地持續工作，電動機在正反轉時，都會經歷啟動、加速運行、穩定運行、減速運行、低速運行、停車制動等幾個階段”[1]。

(1)第一階段t1:啟動后的初加速運行階段，此時應該緩慢加速，以免對提升設備產生過大的沖擊。

(2)第二階段t2:主加速運行時間，此時的加速度較大，速度從v2一直加速到v1。

(3)第三階段t3:提升設備以最大運行速度v1穩定運行，一般這段時間提升設備位于井筒中段，運行時間最長。

(4)第四階段t4:主減速階段，提升設備以很大的加速度減速，在t4時間內從最大速度v1減速到較低速度v2。

(5)第五階段t5:爬行階段的運行時間，提升設備以較低的速度運行，以便能夠在規定位置停車。

(6)第六階段t6: 停車制動的時間，提升設備到達規定位置，提升機停車用的時間。

與提升機的工作時序相應的，電動機的運行一樣有這相同的六個階段。由于提升機的往復運行是靠電機的正反轉實現的，所以電機應該能夠在正轉加速、正轉減速、反轉加速、反轉加速這四個象限內運行。

從礦井提升機系統的運行過程中不難看出，其電控系統對整個系統能否安全可靠地運行有著決定性的作用。礦井鼠籠提升機電控系統可分為這幾個部分:供電系統、驅動系統、控制系統、傳感器監測系統(測速系統)、生產負載等。

本文選用的電機是額定電壓為10kV，額定功率為1250kW的三相異步鼠籠電動機。供電系統采用了10kV雙回路的進線方式;驅動系統主要是由高壓變頻器部分組成，來自母線的10kV電壓通過高壓變頻器的的調頻調壓后，供給電動機以驅動其運行;控制系統采用西門子公司生產的S7-300系列PLC;測速系統通過旋轉編碼器與PLC中計數模塊結合的方式，通過M/T法進行測速;生產負載中主要有提升機、滾筒、以及減速箱等。

2　高壓變頻器的主回路計算及選型

“高壓變頻器是應高壓交流電動機無級調速的需要而誕生的，它是利用電力電子器件的通斷作用將工頻電源變換成另一種頻率電源的電能控制裝置。高壓變頻器是目前最理想的高壓電動機的調速裝置，高壓變頻器是隨著大功率電力電子器件的飛速發展而發展起來的”。雖然高壓變頻器產品的種類有許多，但其基本的工作原理都是一樣的。“三相交流異步電機轉速計算公式為”:

式中:n為電動機的實際轉速;

n0為電動機的同步轉速;

p為電動機的極對數;

f交流電的頻率;

S為電動機的轉差率。

本文中高壓電動機額定電壓為10kV，額定功率為1250kW。那么高壓變頻器的輸出線電壓值也應該為10kV。

高壓變頻器輸出線電壓為

式中U0為高壓變頻器輸出線電壓有效值(V)

Ud為功率單元中直流電路中直流電壓值(V)

N為每相功率單元的串聯個數

md為波形系數，當功率單元的逆變電路逆變部分采用正弦波調制時，md=，當采用平頂波調制時md=2。

本設計中采用SPWM波控制逆變電路，采用的是正弦波調制，md取。每相串聯六個功率單元，所以N=6。

算得功率單元直流電壓Ud=1361V。功率單元整流部分采用三相全控橋進行整流，整流后輸出直流電壓為

式中Ud整流后輸出的直流電壓

U2l移相變壓器二次側輸出相電流值

1.35為三相全控橋整流系數

α為觸發角，空載時，取α=0

移相變壓器二次側線電壓有效值U2l=1008V。

電機額定功率P=1250kW，額定電壓U=10000V，功率因數cos φ=0.95

由于電機所帶負載提升機屬于頻繁加減速的設備，那么變頻器容量應該比電機額定功率稍大，留有一定的裕量。變頻器容量取電機額定功率的1.5倍。

變頻器的輸出電流:I0=1.5IAN=1.5×76=114A

移相變壓器二次側輸出電流:I2=1.816Id=0.816I0=0.816× 114=93A

另外，晶閘管選用額定電壓2800V，額定電壓為100A的晶閘管，IGBT模塊可選用額定電壓3300V，額定電流600A的器件，具體型號為英飛凌公司生產的DD500S33HE3 IGBT模塊。直流濾波電流一般采用大容量電容進行濾波，整流電流輸出直流電壓Ud=1361V，一般考慮10%的電壓波動，則輸出的最大直流電壓值在1500左右，電容的耐壓值應該在此之上。理論上，濾波電容的容量越大越好，不過實際上選取電容容量是從限制電壓波動的角度來考慮的，在此系統中濾波電容器的容量選擇7.11×10-3F。綜合以上條件，高壓變頻器選用北京合康億盛公司生產的H IVERT-Y/T通用10kV系列高壓變頻器。

3　高壓供電系統設計

本設計中的供電系統采用10kV雙回路進線，10kV電源分別來子不同的變電站，在同一時間，只有一路電源給系統供電，承擔系統全部的工作負荷，另一路電源備用，當正在供電的一路電源發生故障時，可以立即切換到另一路電源，提高了供電系統的可靠性和安全性。兩路電源進行都是先連接到高壓進線柜，進線柜中有高壓斷路器用來切換電源。供電線路采用了單母線分段制線路，母線上引出兩路電源，一路供給高壓設備，一路供給低壓設備。供給高壓的電源線直接從母線中引出，先通過出線柜直接與高壓變頻器連接，10kV高壓通過高壓變頻器的調壓調頻后帶動電動機運行。另一路從出線柜引出后通過10kV/380V變壓器，變壓器二次側出來的低壓供給其他低壓設備，如PLC控制柜、照明設備等。為了保證低壓設備供電系統的可靠性，也必須有兩路低壓進線，另外一路可以直接從其他變電站引進低壓線路。

4　PLC控制系統的設計

在礦井提升機系統中，PLC控制系統是控制系統各部分穩定運行的核心。PLC通過接受提升機系統運行中的產生的各種信號，通過預先裝載的程序進行邏輯運算，然后發出指示信號，在接收來自主控制臺的信號后控制系統運行。在礦井提升機系統中，輸入PLC的輸入信號一般有:提升機上升信號、提升機下降信號、速度轉接信號、軸編碼器的高速脈沖信號、電機過載信號、超重信號、急停信號、過卷信號、調繩信號和液壓軸溫度信號等。PLC輸出信號一般有:控制變頻器多段速度運行的指示信號、由變頻器驅動的電動機啟動、停車、加減速的信號、液壓控制閥控制信號、提升機抱閘停車時的指示信號以及其他各種指示信號。本系統采用西門子公司生產的S7-300系列PLC作為礦井提升機控制系統的控制器件。

4.1S7-300系列PLC硬件設計

S7-300系列PLC是西門子公司在上世紀末推出的，具有不錯的性價比，使它具有不錯的競爭優勢，很強電磁兼容性、抗振動抗沖擊性強則讓它能適應各種復雜的工業環境，在工業領域隨處都能看見它的身影。本系統利用負載電源模塊、CPU模塊、信號模塊、通信處理器、功能模塊、接口模塊和導軌構成一個PLC系統。下面將主要對PLC中最主要的幾個部分進行設計。

4.1.1CPU模塊

CPU模塊是由CPU芯片和存儲器構成。本系統選用的CPU模塊型號為標準型CPU 315-2DP，315-2DP具有比較大的容量，而且其對二進制和浮點數處理性能上也是比較出色的。同時它還具有兩個PROFIBUS-DP主站/從站接口，并且可以配置成分布化的結構。這對于有著多個輸入輸出量的礦井提升機系統是非常適用的。

4.1.2信號模塊

本系統中數字量輸入模塊采用SM 321 DI32xDC24V模塊，數字量輸出模塊采用SM 322 DO16xDC24V/0.5A模塊，模擬量輸入采用SM 331 A I8x12Bit，模擬量輸出采用SM 332 AO4x12Bit。

數字量輸入模塊SM 321主要作用是將輸入的數字信號電平轉換成PLC內部運行的信號電平，然后進行經光電隔離和濾波，送到輸出緩沖區等待CPU采樣，采樣后的信號經總線被送入輸入映像區。

數字量輸出模塊SM 322作用是將PLC內部信號電平轉換成外部所需的信號電平，可用來直接驅動各種線圈、信息指示燈和極小功率的電機等。數字量輸出模塊分為直流輸出、交流輸出交直流輸出方式，前兩種是通過晶閘管輸出，最后一種是通過繼電器輸出。

4.1.3功能模塊

本設計的功能模塊為計數器模塊，型號為FM 350-1，FM 350-1是一種高速計數器模塊，用于S7-300可編程控制器。模塊可以連接1通道90相位差脈沖或脈沖加方向的計數輸入，完成計數與測量的功能。計數功能包括連續計數、脈沖倍頻、周期計數、單循環計數、計數值比較和計數值鎖存等;而測量功能包括頻率、轉速和周期測量。

選擇FM 350-1計數模塊的原因是:與CPU模塊內部集成的計數器相比，在性能方面有如下幾個優勢:

(1)高速計數模塊的計數范圍比集成計數器的計數范圍更大，而且其最高計數頻率能夠達到500kHz。

(2)計數輸入信號種類齊全。

(3)FM 350-1模塊除了具有高速計數功能外，還有同步控制模式和測量模式。測量模式時能夠進行轉速測量和周期測量功能。

(4)狀態指示:模塊的工作狀態可以通過安裝于面板上的狀態指示燈與安裝于I/O點上的指示燈檢查。通過狀態指示燈，可以指示計數模塊的運行、出錯報警、計數方向以及各信號的I/O狀態。

(5)I/O控制信號:模塊除計數輸入外，還可以連接3點數字量輸入信號，連接的輸入信號可以作為模塊的啟動、停止等外部控制信號，而且還可以連接2個數字量輸出信號。

4.2電機測速系統設計

電機的測速是通過PLC系統與旋轉編碼器的結合來完成的。旋轉編碼器安裝在被測電機的主軸上，與被測電機的主軸同軸旋轉，電機旋轉一周，旋轉編碼器的輸出脈沖量是固定的，通過與PLC中FM 350-1計數模塊相連的導線，旋轉編碼器的輸出脈沖被送入計數模塊中，電機轉速不同，在固定時間內，計數模塊計數的脈沖量也不同。根據這個原理，系統就能對電機的轉速進行測量。

現在電機測速一般采用光電編碼器進行測速，光電旋轉編碼器是通過光電轉化，將電機主軸的角位移量轉換為脈沖信號的傳感器。光電旋轉編碼器是由光柵碼盤和光電檢測裝置構成的，光柵碼在一定的直徑上有這多個等距的圓形小孔，當電機旋轉時，光柵碼盤也跟著一起同速旋轉。發光元件和光敏元件分別位于光柵碼盤的兩側，當電機旋轉時，發光元件發出的光通過光柵碼盤上的小孔照射到光敏元件上，光敏元件感光后把光信號轉換為電信號輸出。“電機轉速不同，光敏元件的輸出脈沖信號頻率也不同，續傳編碼器就是根據這個原理進行測速的”。

5　結語

現階段礦井提升機對保證礦山的安全生產具有重要作用，是礦山中重要的生產設備。本文主要為礦井提升機設計了一套基于變頻器和PLC的可靠的電控系統，希望對其他設計人員有一定的參考價值。

[1]蔣宏民.技術在我國礦井交流提升系統中的應用研究[J].冶金礦山,2011(8).

[2]馬建民,趙增玉.現代提升機數字控制系統[M].中國礦業大學中國礦業大學,2007.

[3]胡省三等.應用高新技術改造傳統煤炭工業[J].中國煤炭,201 2 (3):5-8.