提升機變頻調速系統設計

金鵬生，呂洪勝，王福順

（山東黃金股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261400）

礦井提升機是礦山豎井、斜井的主要生產運輸設備，用于提升升降人員、設備，在地面和井下進行往復運行，是地面、井下唯一的聯系通道。為適應實際運行工況，礦井提升機在運行過程中，需要運行加速、減速、正轉、反轉等多種模式。另外，礦井提升機的運行時間長，耗電量大，故障率高。礦井提升機電控系統的研究最早開始于1958 年，洛陽礦山機械廠設計并制造的國內第一臺DJ2×4 型多繩摩擦式提升機、JK/JKE 單繩纏繞式/內裝式提升機。20 世紀90 年代引入交-交變頻調速提升控制系統，可獲得較寬的調速范圍，調速平滑性以及機械特性也較好。隨著智能控制技術、過程控制技術的發(fā)展，以PLC 控制器及變頻器為核心的提升變頻控制系統能夠實現四象限運行，速度調節(jié)精確，可通過監(jiān)控平臺直觀監(jiān)測提升機的運行狀態(tài)，可通過故障監(jiān)測系統及時發(fā)現故障并根據故障提示進行故障恢復。為適應礦井提升機多模控制、減少耗電量、降低故障發(fā)生率，設計并實現基于閉環(huán)矢量控制的提升機變頻調速系統。

1 提升機變頻調速系統的設計

變頻調速系統的應用旨在確保當提升機系統在載荷突變的情況下能夠實現對提升機的無級調速，從而避免對系統造成沖擊，提升提升系統的穩(wěn)定性和安全性。針對提升機變頻調速系統的設計，本文著重對變頻器的選型、控制方案進行闡述。

1.1 變頻器工作原理

所謂提升機變頻調速指的是系統通過調整電機的頻率達到對提升機提升速度的無級控制。其控制原理如式（1）所示：

式中：n 為電機轉速，f 為三相異步電動機的運行頻率，s 為三相異步電動機的轉差率，p 為三相異步電動機的極對數。

分析式（1）可知：提升機的提升速度與其三相異步電機的運行頻率成正比。我國電網頻率范圍為0Hz ～50Hz。因此，基于變頻調速可實現提升速度的平滑調速。

1.2 變頻器的選型

變頻器的選型需主要考慮兩方面的因素：其一，其功率范圍需符合提升機電控系統中三相異步電動機的額定功率的要求；其二，要求變頻器能夠確保提升機在載荷突變的工況下具備低頻轉矩的提升能力。

綜合考慮上述兩方面的因素，所選變頻器的型號為西門子公司的5HK62-5B 變頻器。

2 PLC電控系統硬件構成分析

2.1 PLC 選擇分析

所設計提升機變頻調速監(jiān)控系統以PLC（可編程邏輯控制器）為核心，所用PLC 控制器為西門子公司生產的S7 系列，具有通訊能力強、標準化程度高、運行性能好、可靠性強等諸多優(yōu)點。該系列PLC 控制器具有微型、小型、中高性能3 種，在使用時需要結合實際情況有針對性地選擇。

2.2 系統外圍硬件選擇分析

2.2.1 高壓真空開關柜

該設備是整個提升機變頻調速監(jiān)控系統運行的動力源頭，其主回路選用雙回路進線的方式，2 條進線回路均引自不同的母線，并能夠手動切換，從而確保作業(yè)中一條線路發(fā)生故障后，能夠及時通過另一條線路供電，確保供電有效性。同時，高壓真空開關柜配設有高效斷電裝置，能夠有效規(guī)避運行中的特殊情況。例如規(guī)避帶電接開關、帶負荷下推車等，提升作業(yè)安全。此外，高壓真空開關柜還具備檢測欠壓、絕緣、接地等功能，可對線路運行故障進行實時監(jiān)測，并通過系統內配設的電能計量表監(jiān)測相關數據，為系統運行提供數據支持。

2.2.2 變壓裝置

此次設計中所選用的變壓裝置為干式變壓裝置，多布設于室內，其擁有不銹鋼外殼，可實現F 級絕緣，運行時可將輸入的高壓轉化為適用于變頻裝置、泵站、液壓站等作業(yè)的低壓。

2.2.3 低壓開關柜

該裝置內設有空氣接觸器、繼電器、控制開關等組件，并配設了不間斷電源，可以為系統運行的關鍵設備提供備用電源。作業(yè)時，只有當低壓電源發(fā)生故障時，備用電源才會啟動，以確保系統運行的穩(wěn)定性和有效性。

3 變頻控制方案分析

3.1 變頻裝置構成分析

變頻裝置的構成組件主要包含ACU（輔助控制單元）、NDCU（傳動單元）、ISU（供電單元）、ICU（進線單元）和FIU（濾波單元）等。

3.2 變頻裝置控制分析

在作業(yè)過程中，變頻裝置的輸出電壓和頻率與電機轉矩、轉速有很大的關系。因此，通過對變頻裝置輸出電壓和頻率的調控，便可實現對電機轉速的調控。

3.2.1 V/f 控制分析

為了確保提升機作業(yè)時具備更好的速度特性，在確保電機磁通不發(fā)生變化的前提下，更改電源頻率。整體來說，V/f（電壓/頻率）控制器結構簡潔，多采用開環(huán)控制的方式，通常在使用中無法實現良好的控制效果，因此，需針對轉矩實施補償，從而實現變低速轉矩特性的效果。

3.2.2 轉差頻率控制

轉差頻率控制以V/f 控制為基礎，結合電動機實際運轉時的電源頻率和運行所需轉矩，對變頻裝置輸出頻率進行調控。

3.2.3 矢量控制

矢量控制的原理為，基于磁場定向原理，借由對異步電機轉矩電流的調控，實現對電機轉矩的調控。主要控制流程為，將異步電機定子電流的矢量分解為產生轉矩和磁場電流分量2 個，并分別控制它們，進而實現對2 個電流分量的分別控制。

3.2.4 直線轉矩控制

直線轉矩控制的核心是，將轉矩作為中心，對轉矩和磁鏈進行調控。在控制作業(yè)過程中，直線轉矩控制無法進行螺旋坐標的轉換，僅是通過對電機定子電壓和電流的監(jiān)測，測算出電機運行的磁鏈和轉矩，并借由與預設值的比對，確定差值，從而實現對其運行的直接控制。

4 上位機組態(tài)設計分析

4.1 上位機結構與功能分析

4.1.1 上位機監(jiān)控結構分析

為了進一步提高提升機運行的安全性和可靠性，要實現對監(jiān)控終端監(jiān)控數據的集中管控。因此，上位機需要實時監(jiān)測提升機的運行位置和狀態(tài)等。如此一來，一旦系統出現故障后，上位機能夠第一時間發(fā)現問題并發(fā)出預警。

4.1.2 上位機所需功能

上位機所需功能主要包括：①對提升機實時運行狀態(tài)進行立體、精準地確定和呈現。②當提升機運行過程中出現故障后，上位機能夠立即顯示故障發(fā)生位置，從而指導作業(yè)人員及時排除故障。③提升機常規(guī)作業(yè)過程中上位機可以實時統計各個監(jiān)控裝置的數據。④提升機運行中的部分操作，比如跳閘、手柄給定、深度校正等能夠借由上位機遠程操控。⑤具備完善的查詢功能。上位機可以存儲記錄之前整個月的作業(yè)數據，以便于作業(yè)人員隨時查詢前期數據，更好地了解設備的運行狀況。

4.2 上位機配套軟件設計分析

上位機運行配套所需軟件采用WINCC 視窗控制中心進行設計，設計作業(yè)時，先打開WINCC 操作界面，建立單用戶項目；隨后在WINCC 中構建PLC 運行所需的I/O 端口和中間M 點變量；最后再結合提升機監(jiān)控項目運行的相關要求，在WINCC 圖形便捷裝置中繪制電壓、電流顯示，運行曲線顯示，深度顯示等狀態(tài)圖。

5 變頻調速系統應用效果

提升機系統中應用變頻調速系統的主要目的是實現對提升機速度的平滑控制、達到節(jié)能的效果。因此，將從對提升機速度的控制效果和節(jié)能效果兩方面驗證變頻調速系統的應用效果。

5.1 平滑調速功能的驗證

將變頻調速系統應用于我礦提升機的控制系統中。該提升機的主要任務是運輸，其在一次往返運動過程中對提升速度控制曲線如圖1 所示。

圖1 變頻調速系統對提升速度的控制效果

如圖1 所示，提升機初加速距離為7m，整體加速距離為73m，帶起達到8.38m/s 時，系統以恒定速度運行370m，而后開始減速。在整個行程過程中，提升容器的速度變化曲線均是平滑過渡的，也就是說提升機速度在相鄰兩個運行階段中速度的切換相對平穩(wěn)，滿足平滑調速的要求。

5.2 節(jié)能效果的驗證

變頻調速系統應用于提升機的實際生產過程中，提升機在低速區(qū)運行的時間明顯較以往調速系統的時間長。經統計結果表明，基于變頻調速系統，提升機在低速區(qū)運行的時長約占一個周期的30%。此外，基于變頻調速系統的制動控制，實現了采用能耗單元對提升機的制動，此舉不僅避免了提升機在制動過程中的機械沖擊，而且還具備一定的節(jié)能效果。總之，基于變頻調速系統可直接節(jié)能為20%。

此外，變頻調速系統的應用減少了液壓元器件的應用，從而減少了對液壓元器件的損耗，直接降低了損耗件的更換費用。

綜上所述，自變頻調速系統應用于杜兒坪礦提升機的控制系統一年后，直接節(jié)約電能和設備維護費用約為9 萬元。

6 結論

提升機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，是金屬礦山生產的咽喉部位。在實際生產中，由于載荷突變且頻繁啟停對提升機造成一定的沖擊，進而降低了提升機的壽命，直接影響了綜采工作面生產的效率和安全性。為此，將變頻調速系統應用于提升機的控制系統中，實現對提升機的行程、制動以及操作等方面的控制，不僅能夠實現對提升容器速度的平穩(wěn)、無級控制，而且還能夠降低提升機的能耗，達到節(jié)能的效果。