淺談變頻器在礦山提升機調速系統中的應用

曹蛟龍

【摘 ?要】目前我國礦山提升機電氣控制系統主要是用轉子串電阻實現調速，控制裝置主要由繼電器和接觸器組成。這種電控系統存在較多缺點，比如在控制上較復雜、繁瑣;運行可靠性、安全性較低;調速效果較差等。針對此種狀況，通過應用基于PLC的變頻器調速系統，可以很好地彌補當前提升機電控系統存在的缺陷，提升系統的整體控制效果更佳，安全性和可靠性得以保障，調速功能更加完善。

【關鍵詞】提升機;電機;調速系統;變頻器

0 引言

礦井提升機是礦山地下運輸的主要設備，負責井下礦石、廢石、人員及材料的提升，被稱作礦山的“咽喉”，提升機能否正常運行直接影響著整座礦山的安全運作及生產任務的完成。電控系統是礦井提升機的主要部分，提升機對電氣控制的要求很高，必須有良好的調速性能，較高的精度，能快速切換正、反向，動態響應快，能準確定位和制動，運行可靠，安全系數高。傳統的礦井提升機大多選用由繼電器和接觸器組成的控制系統，主要用繞線式異步電動機轉子回路串電阻實現調速，該調速系統結構復雜，控制邏輯繁瑣，調速性能較差，維護成本高，安全性不高，難以滿足線代礦山大規模生產的需求。因此，傳統的繼電器調速系統逐漸被淘汰，而基于PLC的變頻器調速系統成為現代礦山發展的主流，發揮著越來越重要的作用。本文就變頻器在礦山提升機調速控制系統中的應用作簡要闡述。

1 變頻器簡介

變頻器是利用交流異步電動機同步轉速隨電源頻率變化而變化的特性，實現電動機調速運行的裝置。變頻器可以很好的實現異步電動機的無級調速，可以方便的進行恒轉矩調速和恒功率調速，調速范圍廣、平滑性較好、機械特性較硬、節能性好，因此廣泛應用于工業領域的各個方面。在20世紀70年代，隨著場效應晶體管的問世，變頻器的性能有了極大的完善和發展，近年來，變頻器向著更高性能、更大容量以及智能化方向發展，在工業控制領域發揮著不可替代的作用。

變頻器是通過改變電源頻率來實現電機控制的裝置，應用最多的是“交-直-交”型變頻器，其主要結構可分為四部分：1、整流單元，其作用是把工作頻率固定的交流電變換成直流電，一般通過橋式整流電路來實現;2、大容量電容器，其作用是對整流單元輸出的直流電進行濾波，濾除雜波和干擾信號，給逆變器提供純凈穩定的直流電;3、逆變器，其作用是把大功率開關晶閘管排列構成電子開關，通過控制晶閘管開合的頻率和幅值，將直流電轉換為其他設定頻率和幅度的方波信號;4、控制器，其作用是根據所設的程序運行，控制輸出方波的狀態，讓其疊加成與正弦波相似的交流電，實現頻率和幅值可控，并驅動交流電動機實現調速運行。

2 電機調速簡介

交流異步電動機轉速計算公式為：n=60f/p（1-s）。從公式可見，電機調速可以通過改變供電頻率f、改變電動機極對數p、改變轉差率s等幾種方式來實現。

2.1 變極對數調速方法

這種調速方法是通過改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對數實現調速的，優點有機械特性較硬，穩定性較好;無轉差損耗，效率高;接線簡單、控制方便、價格低。缺點是有級調速，級差大，不能實現平滑調速，因此難以滿足提升機穩定調速的要求，在礦山提升機系統中應用較少。

2.2 變轉差率調速方法

改變轉差率調速主要有定子調壓調速和轉子回路串電阻調速。

定子調壓調速是通過改變電動機的定子電壓，得到不同機械特性的曲線，從而獲得不同轉速，特點是線路簡單，易實現自動控制;調壓過程中轉差功率以發熱形式消耗在轉子電阻中，效率較低;適用于100KW以下的機械設備，難以滿足礦山大型提升機的生產要求。

轉子回路串電阻調速是繞線式異步電動機轉子回路串入附加電阻，使電動機的轉差率改變，串入的電阻越大，電動機的轉速越低。這種方法結構簡單，控制方便，但轉差功率以發熱形式消耗在電阻上，屬有級調速，機械特性較軟，不能實現平滑調速，難以滿足提升機穩定調速的要求。

2.3 變頻調速方法

變頻調速是改變電動機定子電源的供電頻率，從而改變其同步轉速的調速方法，運用的主要設備是提供變頻電源的變頻器。變頻器可分為交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內大多數使用交流-直流-交流變頻器，其特點有：1、調速過程中沒有附加損耗，效率高;2、調速范圍大，特性硬，精度高;3、應用范圍廣，可用于籠型異步電動機，也可用于繞線式異步電動機;4、技術要求高，造價成本高，集成度高，維修保養難度大。變頻器調速因其效率高、精度高、易操作，可實現平滑調速，而廣泛應用于現代礦山提升機控制系統中。

3 變頻器在銅礦峪礦混合井提升系統中的應用

銅礦峪礦混合井提升機為多繩摩擦式提升機，主電機為400kW繞線式異步電動機，減速機速比為20：1，控制核心為三菱FX2N系列PLC，使用的變頻器為西門子G120系列變頻器，功率為75KW。變頻器在銅礦峪礦混合井提升系統中基于PLC控制，固定頻率調節輸出電壓來實現電機調速，可分為以下兩種運行模式：

3.1 自動投入運行

礦井提升機運行安全是第一位的，無論提人提物，必須保證平穩可靠運行。要保證安全，運行速度十分關鍵，必須控制在一定范圍內，并可以穩定停車。銅礦峪礦混合井提升機提升設備為箕斗和罐籠，箕斗負責提升掘進廢石，罐籠負責提升人員和材料，提升機運行分為箕斗運行和罐籠運行兩種狀態。

箕斗運行全過程和罐籠運行上行時，PLC程序設定一個減速點，到達減速點之前為高壓（6kV）提升，當提升設備到達減速點，PLC控制高壓電撤除，變頻器投入運行，輸出頻率為3.6HZ左右，PLC根據提升位置、運行速度、負載等參數運用PID算法調節變頻器輸出電壓，實現提升設備勻速平穩運行，到停車點穩定停車，這樣既保證了提升安全，又避免了由于速度過快、緊急停車對設備的損害。

3.2 人工控制運行

當罐籠載人下行時，為保證乘罐人員安全，避免設備受較大制動力的沖擊，罐籠運行速度必須控制在一定范圍內，平穩運行。銅礦峪礦混合井提升機設置了人工腳踏控制裝置，來實現人工調速，該裝置由腳踏板、無接觸式自整角發送機（簡稱角機）和行程開關組成。

角機輸入為AC110V，輸出為AC 0～50V，由腳踏板踩踏幅度決定。角機輸出到PLC接口板，再通過A/D轉換模塊將信號傳給PLC控制器。PLC根據接收到的數字信號，控制變頻器輸出電壓，來實現調速。提升機運行過程中，卷揚工踩踏腳踏板，變頻器投入運行，輸出頻率為3.6HZ，踩踏幅度越大，變頻器輸出電壓越大，罐籠運行越慢;踩踏幅度越小，變頻器輸出電壓越小，罐籠運行越快。這樣就實現了對罐籠運行速度的控制，保證罐籠平穩可靠運行。

4 總結

礦井提升機在礦山生產經營中發揮著舉足輕重的作用，是礦山生產中不可或缺的一環，提升機的安全可靠運行是礦山生產順利進行的必要條件。提升機運行速度的有效控制是提升機安全可靠運行的關鍵，傳統的調速方式存在諸多缺陷，難以滿足現代礦山的嚴格要求，而基于PLC的變頻器調速系統因其穩定性高、精度高、易操作、應用范圍廣、智能化設計，而被廣泛應用于現代礦山的提升機調速系統中，并將在以后的發展中，進一步改進完善，發揮不可替代的重要作用，是未來發展的主流。

參考文獻：

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（作者單位：北方銅業股份有限公司銅礦峪礦）