基于變頻控制的提升機負荷不均衡系統研究

吳水章，秦玉忠

（1.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）

礦井提升機在連續運行過程中，由于裝載料斗裝料時顆粒不均勻、密度不一樣、每個料斗裝載的深淺不一致等因素，導致每個料斗裝載的料重不相同；再加上巷道中坡度有一定的起伏差異、軌道寬窄的微小差異、空氣阻力等自然條件的影響都可能會造成提升機負荷不均衡現象，因此造成負荷時而偏大，時而正常，影響提升機的正常運行，特別嚴重時可能跳閘或產生嚴重故障，導致提升機停運，影響正常生產。為此，針對提升機的負荷不均衡特點對它的控制系統進行研究和設計。

1 控制系統硬件和軟件

依據AQ 1035—2007 煤礦用單繩纏繞式礦井提升機安全檢驗規范、《煤礦安全規程》（2016 版）及其他相關規范對提升機電氣控制的要求，設計提升機PLC 控制系統。PLC 控制系統框圖如圖1。

提升機PLC 控制系統[1]主要包括變頻器、PLC控制部分和傳感器及其他信號等。

1）變頻器選用艾默生CT SPM 系列變頻器，它具備異步電動機參數自整定測試、自動辨識、自適應功能，可以自動地對異步電動機的參數進行辨識，并根據辨識結果調整控制算法中的有關參數，從而對異步電動機進行有效的矢量控制[2]。

圖1 PLC 控制系統框圖Fig.1 Block diagram of PLC control system

2）PLC 控制部分采用西門子S7-1200PLC，配置數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、RS422/485 通訊模塊等[3]，實現提升機起/停、安全保護、潤滑站及液壓站的啟停配合等連鎖控制。配有觸摸屏，實時顯示提升機系統運行狀態參數。PLC 開關量輸入信號包括增量編碼器脈沖信號、操作臺控制信號、變頻器信號、制動液壓站和潤滑站信號、過卷過速閘間隙等傳感器信號, 增量脈沖編碼器用來測量提升機的繩速和相對位置[4]。PLC 開關量輸出信號包括制動油泵、潤滑油泵電機控制、主電機風扇控制、主電機正反轉控制、電磁閥中繼、報警指示、故障指示等。

3）設置打點信號，方便司機實現信號聯絡；配有數字電壓電流表，檢測主電機的電壓和電流。電機溫度通過鉑熱電阻檢測后進入溫度巡檢儀，通過RS485 通訊傳給PLC 處理。

軟件程序設計采用模塊化、功能化結構，便于維護、擴展和調試。系統程序由主程序、初始化子程序、高速計數子程序、流程控制子程序、故障處理子程序、數據循環處理子程序、中斷子程序等組成[5]。

控制系統設有半自動、手動、檢修、驗繩、應急開車等操作方式[6]。檢修和手動時提升機司機按工藝流程分別單獨啟停潤滑泵、制動泵和變頻器；半自動時提升機司機只需按下提升機啟動或停止按鈕，控制系統則按流程和工序依次啟停潤滑泵、制動泵、變頻器等[7]。

2 控制系統策略

為了解決提升機負荷不均衡問題，分別采取以下策略解決[8]：

1）提升機轉速電流雙閉環矢量控制功能。變頻器電機控制方式一般分3 種方式：標量V/F 控制、開環矢量控制和閉環矢量控制。閉環矢量控制就是使用反饋裝置的電機控制，在提升機驅動主電機軸上安裝1 個增量型編碼器，將其信號反饋給變頻器，具有零速滿轉矩功能。采用閉環時，規定時間內的常規過載值明顯優于開環模式的相應值。針對提升機在運行過程中負荷不均衡的特點，艾默生CT SPM 系列變頻器提供了一種轉速電流雙閉環控制方案，提升機速度電流雙閉環邏輯框圖如圖2。圖2 中2 個調節器分別為轉速調節器和電流調節器，二者串級連接，即把轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入。再用電流調節器的輸出去控制IGBT 逆變器的觸發裝置[9]。

2）電源進線濾波功能。電源側增加進線電抗器，可降低因相位不平衡或電網嚴重干擾造成的驅動器損壞，同時降低諧波電流。若采用額外線路電抗，建議增加的電抗器壓降為2%左右。如有必要亦可采用更高值，但可能會因壓降引起驅動器輸出損耗（高速時轉距降低）。電抗器電流額定值連續電流額定值：不低于驅動器連續輸入電流額定值。重復峰值電流額定值：不低于驅動器連續輸入電流額定值的2倍。所需額外電感為：

式中：L 為電感，H；Y 為進線電抗器壓降百分比，%；U 為線間電壓，V；f 為電源頻率，Hz；I 為驅動器額定輸入電流，A。

圖2 提升機速度電流雙閉環邏輯框圖Fig.2 Double closed loop logic block diagram of ropeway velocity current

3）能耗制動功能。驅動器使電機減速，或因機械干擾阻止電機加速時，即發生制動，制動能量由電機返回驅動器。驅動器制動電機時，驅動器可吸收的最大再生電源等于驅動器功耗（損耗）。缺省狀態下，驅動器以PI 控制制動電機，PI 控制必要時會延長減速時間以避免直流母線電壓超出用戶定義之設定點。若希望驅動器迅速降低電機速度或吸收發電負載能量，則須安裝制動電阻器。40 ℃時制動電阻最小阻值及峰值額定功率見表1。表1 中*為獨立驅動器設定最小電阻值。當驅動器作為公共直流母排系統的一部分時，該值需重新設定。在沒有直流母排連接的并行系統中，電阻值必須在±5%以內。高慣性負載或連續制動情況下，制動電阻連續功耗可能高達驅動器額定功率水平。制動電阻總功耗取決于從負載中汲取的能量。瞬時額定功率指脈寬調制制動的開通期間最大短時功耗。制動電阻須可承受較短間隔（毫秒）的功耗。較高的電阻值，要求按比例降低瞬時額定功率。多數場合下，制動僅偶爾啟動。因此，制動電阻的額定功率一般遠低于驅動器額定功率。但是，制動電阻的瞬時額定功率及額定能量須足以應付可能出現的極限制動情況。制動電阻器優化須仔細考慮制動負載。所選制動電阻阻值不得低于指定的最低電阻值，較大電阻值可節省成本，且制動系統出現故障時可保證安全。但若所選電阻值過高，制動能力反而會下降，導致驅動器在制動過程中故障跳脫。

4）變頻器調速范圍及調速精度。變頻器采用帶速度編碼器反饋的閉環控制方式，使系統調速范圍寬、調速精度高。變頻器開環與閉環矢量控制方式調速范圍和調速精度比較見表2。

表1 40 ℃時制動電阻最小阻值及峰值額定功率Table 1 Minimum resistance value and peak rated power of brake resistance at 40 ℃

表2 開環與閉環調速范圍和精度比較表Table 2 Comparison of speed range and accuracy between open loop and closed loop

5）高速計數功能檢測速度。在提升機滾筒主軸上安裝1 個增量型編碼器，將編碼器脈沖信號送給PLC，通過高速計數方式計算提升機牽引繩出繩線速度。

6）電流檢測功能。電流檢測通過變頻器獲取，一種方式是通過變頻器模擬量輸出端子直接送給PLC模擬量處理；另一種方式通過RS485 通訊方式直接從變頻器讀取電流。

7）制動油壓恒定功能。制動泵油壓由比例溢流閥控制，比例溢流閥電流由PLC 模擬量輸出模塊輸出的4～20 mA 電流通過功率放大器提供；油壓通過壓力變送器來檢測；通過提供恒定的電流獲得恒定的制動油壓，當油壓發生變化時可動態的調整模擬量模塊輸出電流來保持油壓的恒定[10]。

3 結 語

基于變頻控制的提升機負荷不均衡系統, 采用西門子PLC 作為提升機控制系統核心，通過艾默生CT SPM 系列變頻器閉環矢量控制方式實現寬范圍高精度調速、平穩啟停，配置制動單元加能耗電阻實現位能負載和加減速產生的能量釋放；具有轉速電流雙閉環矢量控制、電源濾波、能耗制動、高速計數、電流檢測、制動油壓恒定等功能；設有半自動、手動、檢修等操作方式，根據工藝流程實現潤滑泵、制動泵、電磁閥和變頻器的正常啟停，達到速度可控、負荷動態均衡處理、降耗增效的目的。

通過合理選型，采用艾默生CT SPM 系列變頻器閉環矢量控制，利用西門子PLC 集中控制，很好地動態解決了提升機在復雜條件下產生的負荷不均衡問題，提高了生產效率，降低了能耗，保證了提升機安全可靠運行。