礦井提升機調速系統設計

范瑞波

（大同煤礦集團馬道頭煤業有限責任公司，山西大同037100）

礦井提升機是煤礦生產中不可或缺的設備，具有運行速度快、控制復雜、特性復雜、慣性質量大等特點，運行環境惡劣，是連接煤礦井下和地面的重要裝置[1]。整個礦井提升機系統中，電控裝置是電氣傳動界的一個熱門研究方向，其技術水平代表著礦井提升機的整體水平。常規的控制系統存在的主要缺點與不足之處有效率低、能耗高、可靠性差、操作復雜、故障率高等。在電氣傳動系統中引入變頻調速技術是保障提升系統安全高效運行的一個重要的發展方向[2]。

1 礦井提升機電控系統種類與要求

提升機電控系統主要有直流和交流2種類型。全數字直流調速系統由電抗器、晶閘管變流器、數字調節單元和直流快速開關等組成，其核心為微處理器。由于全數字直流調速系統可以使直流調速系統的可靠性和精度得到有效提高，因此直流調速系統目前應用較為廣泛。

交流提升機電控系統主要有以下3種形式[3]：（1）高壓變頻調速系統，由相關電器和高壓變頻調速裝置組成；（2）串電阻調速電控系統，由串電阻調速、繞線電機和可編程控制器安全工藝控制組成；（3）基于晶閘管交變頻調速系統，適用于低速控制、功率大的情況。

根據礦井提升機的工況特點，須達到以下幾點要求：（1）具有良好的過載能力和啟動性能，可以高精度地平滑調節速度；（2）加速度達到國家安全生產規程的相關要求，滿足四象運行；（3）有完善的故障監測裝置；（4）具備可調閘控制系統；（5）速度給定裝置要求調速方便且范圍大、速度平穩、準確可靠；（5）具有行程控制器和顯示控制器。

2 變頻調速系統總體結構

矢量變頻調速控制是變頻器+PLC變頻調速系統的變頻的控制方式[4]，該調速系統是調節電子供電頻率而控制電機的轉速。PLC可以監控和保護提升系統，使提升系統更加可靠安全。

在煤礦井下的惡劣工作環境中，變頻調速能夠使提升機的自然機械特性與機械特性基本平行，同時起到良好的節能作用。

整個系統由變頻器、動力裝置、操作臺、液壓站以及控制監視系統，總體結構如圖1所示。

圖1 礦井提升機變頻調速系統總體結構圖

變頻調速器可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能，并提供給交流電動機控制其轉速。動力裝置的作用是為運送物料或人提供動力，主要由制動器、主電機、減速器、卷筒和底座組成；控制監視系統在提升系統中發揮紐帶連接的作用，可對整個系統故障時和正常工作時的相關參數進行在線監測；礦井提升系統的控制核心是操作臺，設置2個手柄用于速度輔助給定和制動力給定的2個手柄，可控制提升機的加速、減速、平穩運行、啟動及停車等各項工作。

3 變頻調速控制系統工作原理

依據矢量控制思想對整個系統依進行設計[5]。380V的三相動力電源由隔爆接線腔的R、S、T三個接線柱接入隔爆主腔內，逆變器對工頻三相交流電進行變頻后，輸出預定頻率的交流電，從而驅動電機工作。變頻器輸出頻率與電動機輸出速度呈線性變化，從而實現調速。

在礦井提升機運行時，PLC編程設定的主速度曲線可對提升機的運行進行控制，A/D轉換器對該曲線進行轉換后，使其成為能夠控制變頻器運行的曲線。主電動機的轉速信號可由經旋轉編碼器進行檢測并傳遞給PLC，PLC接收到該信號以后，根據此對提升機的運行距離進行計算。操作臺發布控制提升機運行的命令。通過與PLC的通信，控制監視系統顯示出電動機的各種實時工況，操作人員可據此進行分析診斷和故障處理。

4 變頻控制部分設計

圖2為變頻調速系統主電路圖。該變頻器具有接地保護、短路保護和過載保護功能，采用無速度傳感器矢量控制和擬傳導技術，主要零部件功能如下所述[6]。

圖2 變頻調速系統主電路圖

4.1 空氣斷路器

空氣斷路器是電力拖動系統和低壓配電網絡中非常重要的一種電器，具有控制和保護功能。它不僅可以對短路、欠壓、過載進行保護，頻繁的啟動電機，還能夠完成接觸和分斷電路外。選擇空氣斷路器應注意以下3個參數：額定極限短路分斷能力、額定運行短路分斷能力和主觸頭允許通過的最大額定電流。

4.2 交流接觸器

交流接觸器可以起到啟動和切斷電源的作用，利用主接點來開閉電路，用輔助接點執行控制命令，廣泛用于低壓電路中。交流接觸器有電磁式、永磁式和真空式3種；主要由觸頭系統、滅弧裝置、電磁系統、絕緣外殼及附件等組成。

4.3 交流電抗器La

實際應用表明，電抗器和變頻器配合使用不僅可以減少變頻器諧波對電網的污染，還可以提高變頻器的功率因數，并可避免過浪涌電流和電壓對變頻器造成沖擊。電抗器布置在變頻器輸入端，抑制諧波傳向電網，減輕諧波干擾其他電器設備，限制電網上的沖擊電流和電壓的異常波動。

4.4 噪聲濾波器LB

該裝置是一種有效抑制無線電干擾的模擬式電路或器件。運行過程中，設備產生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個工作空間，產生的電磁環境會干擾設備的正常運轉。噪聲濾波器具有以下作用：（1）防止電源設備對電路的控制工作受到外來電磁噪聲的干擾；（2）防止電源負載的工作受到外來電磁噪聲的干擾；（3）抑制其他設備及電源設備自身產生的EMI。

5 PLC控制部分設計

PLC控制具有保護監視和控制主令操作等作用，是本系統的關鍵環節。保護監視功能主要指對過卷、超速、過載、行程等內容進行監視，如果這些內容發生異常情況時，通過安全回路或報警能夠報閘停車；主令操作控制是操作臺和提升機間的指令傳遞，改變對應電控系統的工作狀態，從而使提升機按理想的速度圖和力圖工作。

5.1 PLC控制特點

對于一般提升機的電控系統，采用PLC大大可簡化原來TKD系統。PLC編程具有如下幾個顯著特點：（1）抗干擾能力強，可靠性高；（2）具有較強的適應性和靈活性；（3）功能實現簡單；（4）開發周期短；（5）維修方便；（6）體積小，能耗低；（7）性價比高，功能強。

5.2 下放和提升

提升機下放時，按下下降按鈕，K2吸合，閉合常開觸點，斷開常閉觸點，形成下降閉鎖；提升時，按下上升按鈕，K2吸合，使K1回路斷開，形成上升閉鎖。

5.3 停車和啟動

使礦井提升機停車時，機械報閘制動以后，按下停止按鈕，繼電器失電，斷開常開觸點，動力電源與變頻器斷開；提升機啟動時，按下啟動按鈕，輸出繼電器便吸合，閉合常開觸點，三相電便接入調速回路。

5.4 工頻和變頻

正常工作時，繼電器KM3失電，繼電器KM2得電，為變頻調速運行。變頻器接入調速回路，并接受PLC反饋信號和操作臺控制信號，進行調速控制。當需要對電機進行點動調節時或變頻器出現故障時，按下工頻按鈕，使繼電器KM3閉合，繼電器KM2斷開，電機進入工頻狀態。

6 結束語

礦井提升機是礦井的咽喉，是礦井生產必不可少的設備。本文結合礦井提升機的實際工況，結合應用變頻器和PLC，改造現有電控系統，能夠使提升機S形速度給定得到很好的實現，對保障礦井安全高效生產具有重要意義。