轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)在提升機中應(yīng)用

摘 要：介紹了提升機轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成和系統(tǒng)功能，對轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速工作原理及調(diào)速性能和PLC控制進行了闡述，分析了提升機應(yīng)用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和社會效益，經(jīng)過實踐證明，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；轉(zhuǎn)子；PLC

東海煤礦二采區(qū)地面一段斜井提升，使用的是的是單繩纏繞式提升機，電動機為高壓交流繞線式異步電動機，功率400kW，定子電壓6kV，轉(zhuǎn)子電壓535V，電控系統(tǒng)為TKD電氣控制系統(tǒng)，這種控制方式采用了大量的繼電器、接觸器及電阻器，控制系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，維護量大，噪聲高。并且轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，不僅耗費了大量電能，而且調(diào)速性能性差，脈動大，不穩(wěn)定、有沖擊。這次對電控系統(tǒng)的更新改造，采用轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速電控系統(tǒng)，其控制方式為“轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速+雙PLC冗余控制+上位機監(jiān)控”。與原系統(tǒng)相比較，具有節(jié)能，噪音小，調(diào)速性能好，可靠性更高，維護極為方便的優(yōu)點。

1 電控系統(tǒng)的組成

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由操作臺、變頻柜、主控柜三部分組成。操作臺由左、中、右三段組成。中間段裝有彩色液晶體顯示器及鍵盤。左右段的斜面部分裝有各種指示儀表及指示燈，平面部分裝有各種轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕及可調(diào)閘和主令控制的操作手把，操作臺內(nèi)部有制動泵及潤滑泵接觸器、一套副PLC及接口端子。變頻柜采用西門子6SE70系列變頻裝置，主要由整流/回饋單元和逆變單元組成。主控柜主要由一套主PLC和輔助繼電器組成。繼電器采用西門子3TH、施耐德系列繼電器。

2 系統(tǒng)功能

2.1 信號閉鎖打點信號通過中間繼電器輸入PLC，PLC根據(jù)點數(shù)實現(xiàn)如下閉鎖：（1）“2”、“4”點：只能正向開車。（2）“3”、“5”點：只能反向開車。（3）“1”點：開車時系統(tǒng)不會自動停車，要停車必須由司機自行手動停車。

2.2 開車方式

該系統(tǒng)為手動開車，電動機的加、減速控制與一般TKD型提升機控制方法相同，便于司機操作。具體操作方法因為是用變頻實現(xiàn)無級調(diào)速而略有變化。（1）手動開車。正常開車狀態(tài)，速度可以從0～3.8m/s可調(diào)節(jié)。（2）應(yīng)急開車。用在緊急開車中，應(yīng)急開車將屏蔽PLC內(nèi)部軟過卷故障，其速度可以從0～2m/s可調(diào)節(jié)。（3）PLC應(yīng)急開車。系統(tǒng)將屏蔽PLC內(nèi)部所有故障，速度可以從0～3.8m/s可調(diào)節(jié)。（4）檢修開車。主要用在檢修絞車時，檢修開車將屏蔽PLC內(nèi)部的過卷保護。以保證其速度限制在0～0.5m/s。

2.3 安全保護

安全回路的作用是當提升系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時能夠停止提升機運行，并防止重新起動，以防事故進一步惡化。系統(tǒng)設(shè)置兩套安全回路，一套是主、副PLC內(nèi)部程序設(shè)置的安全回路，一套是繼電器安全回路。繼電器安全回路獨立于其它回路，直接作用于電氣傳動系統(tǒng)、閘制動系統(tǒng)等。安全回路雙重化，獨立運行互為冗余。本系統(tǒng)共有20項保護，其中15項作用于安全回路。

2.3.1 作用于安全回路，并發(fā)出聲光報警的保護。（1）過卷保護；（2）超速保護；（3）過負荷保護；（4）欠電壓保護；（5）限速保護；（6）斷銷保護；（7）松繩保護；（8）減速功能保護；（9）高壓閉鎖保護；（10）事故逆轉(zhuǎn)保護；（11）信號方向閉鎖；（12）踏開關(guān)保護；（13）液壓站油壓過壓保護；（14）變頻器故障保護；（15）急停開關(guān)保護。

2.3.2 不影響事故運行，但不允許下次開車，只作為開車閉鎖條件的保護：（1）閘間隙保護；（2）潤滑站超溫保護；（3）液壓站超溫保護；（4）潤滑站過壓保護；（5）潤滑站欠壓保護。以上5種保護不作用于安全回路，但發(fā)出聲光報警。

2.4 上位機監(jiān)控

上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過與PLC通訊采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)多畫面實時監(jiān)控，多參量數(shù)碼及曲線顯示和記錄，各種故障的報警及記錄。（1）基本畫面，絞車正常運轉(zhuǎn)時顯示此畫面。顯示內(nèi)容有：打點信號，行程，速度，電機電流，提升次數(shù)，開車方式，速度曲線，模擬顯示容器運行位置動畫圖，以及安全保護故障顯示。（2）子畫面，可分頁查詢：故障一覽，PLC-I/O監(jiān)控一覽，數(shù)據(jù)參數(shù)修改等子畫面。（3）對于修改參數(shù)，必須通過設(shè)定的密碼操作，方可進入修改子畫面，以確保系統(tǒng)的安全運行。

3 PLC控制

采用主、副兩套西門子GE90-30系列PLC可編程控制器，應(yīng)用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，使控制系統(tǒng)簡化，維修方便，提高控制精度及安全可靠性。PLC包括主機架，電源模塊、CPU模塊，高速計數(shù)器模塊，模擬量I/O模塊，數(shù)字量I/O模塊等，主PLC對整個系統(tǒng)的工作進行控制和管理，并執(zhí)行正常的操作程序，接受并生成開車信號和方向信號，實現(xiàn)各種故障保護及閉鎖。同時還具有與上位機的通訊功能。主、副PLC可實現(xiàn)雙線制保護，對影響提升運行的關(guān)鍵信號（如速度、容器位置、減速、過卷等）均采用雙重保護，互為監(jiān)視，具有全行程速度和位置保護功能。

4 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速工作原理

轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速是晶閘管串級調(diào)速的一種改進，如圖所示，它主要由電動機的轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子回路固定整流電路DR、PWM斬波器BC、IGBT（或晶閘管）逆變器TI和升壓變壓器Taw等部件組成。斬波器BC根據(jù)電動機的設(shè)定轉(zhuǎn)速n進行速度調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)差功率經(jīng)升壓后回饋給電網(wǎng)，其原理如下： （1）定子繞組直接接至3～10kV電網(wǎng)。（2）轉(zhuǎn)子繞組接400～1000V變頻器，轉(zhuǎn)子繞組接整流器DR；逆變器TI的輸出，通過變壓器接至中壓電網(wǎng)或接內(nèi)反饋電動機的定子輔助繞組。

5 轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)性能特點

（1）硬件結(jié)構(gòu)簡單，故障點少，可靠性高。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路均采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，元器件少，結(jié)構(gòu)簡單，故障點少，可靠性高。傳統(tǒng)TKD系統(tǒng)則以分立元件為主，元器件多，線路復(fù)雜，故障點多，可靠性差。（2）可靠精度高，工作穩(wěn)定性好。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)有微處理器，整個控制功能與調(diào)速算法由軟件完成，控制參數(shù)一經(jīng)確定，就不會發(fā)生改變，所以控制精度高，工作穩(wěn)定性好。而老式電控系統(tǒng)的控制功能與調(diào)速算法均由硬件實現(xiàn)，控制參數(shù)離性大，控制精度低，工作穩(wěn)定性差。（3）調(diào)速性能好，無級調(diào)速。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高，調(diào)速性能穩(wěn)定，可實現(xiàn)無級調(diào)速。而老式電控系統(tǒng)的串電阻調(diào)速，它是有級調(diào)速，調(diào)速性能差，效率低，而且可靠性差。（4）能量回饋，節(jié)省電能。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)⑥D(zhuǎn)子饋出的功率，通過變頻器返饋回電網(wǎng)，節(jié)電率達15%～20%。而轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速時，轉(zhuǎn)子饋出的功率以熱能形式消耗在電阻上。（5）故障自診斷能力強，大大降低使用維護成本。轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)中，硬件工作狀態(tài)可以通過軟件來反映，軟件運行情況也可以通過硬件來監(jiān)視，這樣硬、軟件故障可以通過指示直接反映出來，維護方便。

6 經(jīng)濟效益和社會效益

經(jīng)濟效益：（1）通過電表計量可知，原老系統(tǒng)平均每月電耗7萬kWh。采用新系統(tǒng)平均每月電耗5.5萬kWh，每月可省電1.5萬kWh。全年可節(jié)省18kWh，按每kWh可省0.62元計算，年可節(jié)省電量約11.16萬元。（2）由于采用新系統(tǒng)，電氣元件可靠性高，易損件少，年節(jié)省材料、配件費約1.45萬元。

社會效益：（1）轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)不僅使電控系統(tǒng)裝備水平得到提高，而且安全可靠性大大增強，保證了提升機的安全運轉(zhuǎn)。（2）電控設(shè)備柜式封閉結(jié)構(gòu)，PLC無觸點控制，采用進口繼電器，降低了噪聲，減少了噪聲污染，有利于環(huán)保。（3）轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速精度高，性能好，平滑高效減少了傳動部件間的沖擊，降低了噪聲，延長了設(shè)備使用壽命。（4）變頻柜采用西門子6SE70，輔助繼電器采用西門子3TH施耐德系列繼電器，電氣元件可靠性高，維護工作大大減輕。■

作者簡介：張繼福（1979-），2000年畢業(yè)于黑龍江省煤炭工業(yè)學(xué)校機電專業(yè)，現(xiàn)任東海礦機運管理科主任工程師，一直從事機運技術(shù)管理工作。