變頻器在煤礦提升機控制系統中的應用

劉 峰

（西山煤電杜兒坪礦電力管理中心， 山西 太原 030022）

引言

礦井提升機是煤礦運送人員、設備和原煤的運輸設備，其運行的安全性和效率一直是企業發展的核心要求。隨著開采量的上升，20 世紀80 年代投運的礦井提升設備在防護性、故障率和可維護性等方面逐漸暴露出很多問題，已經不能滿足當前企業的發展要求，因此許多煤礦都開始進行技術改造，將技術先進的變頻器和PLC 等應用于礦井提升機控制系統中，以提高礦井提升機的安全性和運行效率。

1 提升機控制系統要求

1.1 以四象限運行為主

以電機的轉速為縱軸，以電機的轉矩為橫軸建立直角坐標系，以此劃分的四個象限可用來描述電機的工作狀態。電機的運行有單象限運行和四象限運行兩種，單象限運行的電機只能正向或反向電動。由提升機的工作特性可知，其驅動電機須滿足電機的四象限運行要求，即正向電動、回饋發電制動、反接制動和反向電動四種運行狀態[1]。

1.2 速度加減準確

作為人員上下井的交通工具，提升機的速度控制需要考慮乘客的舒適性，另一方面，激烈的加速和減速會在電機電樞中產生很大的沖擊電流，因此，需要根據提升機在井筒中的位置，控制提升機的運行速度，準確加減速是提升機控制系統的核心要求[2]。

1.3 行程指示精準

提升機司機在操作時，需要觀察提升機的運行位置，因此系統中需要配置一個能夠顯示容器位置的裝置，采用圓盤式指深器可顯示當前提升機的準確位置。

1.4 故障監測功能健全

煤礦提升機是煤炭和人員上下的主要通道，如果出現故障，必然影響企業的生產，如果有人員困在提升機內，甚至可能發生人身傷害，因此系統中必須配置健全的故障監測功能，對提升機可能產生的各類故障進行預警，方便檢修人員確定故障位置，縮短故障停工時間[3]。

1.5 可調閘制動可靠

在提升機出現不可預知的故障后，制動系統是實現安全停車的最后防線。可調閘的制動工作模式有工作制動和安全制動兩種，工作制動是司機操作停車制動，安全制動指的是當發生故障后，系統自動調閘制動。可調閘制動采用電氣控制設備間接控制機械裝置進行制動[4]。

2 變頻器的選型及控制方案

變頻器由控制盤、傳動單元控制接口、電機側變流器、直流電路和網側變流器等部分組成，網側變流器的作用是將交流電整流為直流電，將能量以直流電的形式存儲在直流電路中，電機側采用功率電子器件IGBT 將直流電源逆變為頻率可調的交流正弦電，這種全控型功率電子器件能夠實現能量在電網和負載之間雙向流動，因此可以實現提升機的四象限運行。選用西門子公司生產的6SE7134-5HK62-5BAO+型變頻器，這款變頻器帶有能量回饋功能，因此可以更加節能高效。

電機、高壓開關柜、變頻器控制柜等安裝完成后，需要對變頻器進行參數設定，變頻器的操作面板實質是一個輸入輸出單元，此輸入輸出的單元與變頻器通過RS485 通訊接口進行信息交互。變頻器的操作面板上有顯示屏、故障燈、運轉燈、開關機鍵、數字鍵盤和復位鍵等，通過操作面板可以對當前電機進行識別、測試和優化。

3 提升機控制系統外圍電路部件的選型

3.1 軸編碼器

在提升機滾筒主軸和電動機主軸上分別裝設一個旋轉編碼器，分別用于保護和監測，選擇某公司生產的LF-300BM-G24F、LF-30BM-G24F 型旋轉編碼器，該編碼器型號中的300 和30 分別表示軸旋轉一周產生的脈沖數[5]。兩個編碼器產生的脈沖信號經信號分配器進行光電隔離和信號分配，傳輸給兩個控制器PLC，這樣設計的好處是兩個控制器之間通過信息共享進行轉速和位置的相互校驗，一旦產生異常可以觸發保護動作，向變頻器發出緊急停車的指令，速度和深度檢測回路原理如圖1 所示。

圖1 速度和深度檢測回路原理圖

3.2 行程開關

深度指示器的工作原理是通過齒輪將滾筒的轉動傳送給深指器，深指器的指針在兩相反方向運動的桿帶動下移動，桿的移動和滾筒的轉動速度成正比，因此可以實現深度指示。為了防止深指器指示失準，系統中需要在特定位置安裝行程開關和霍爾元件對深指器進行校準，行程開關的位置選擇在上過卷、下過卷、上井口、下井口、上終端、下終端減速點這些位置，霍爾元件安裝在深指器的軸上。行程開關的型號為LXK3-20S/L，霍爾元件的型號為H-JK8020D。

3.3 壓力傳感器

在液壓站和潤滑油站均需要裝設壓力傳感器顯示油壓，液壓站壓力傳感器的安裝位置是A 管和B管，潤滑站壓力傳感器的安裝位置是出油管。選擇壓力變送器的規格為：輸入信號0～10 MPa，輸出信號4～20 mA，安裝時需要將壓力傳感器的信號電纜與壓力表接好，然后設置合適的壓力表量程[6]。

3.4 溫度傳感器

為了實現液壓站和潤滑站的油溫監測，需要在油箱內部埋設溫度傳感器，與壓力傳感器類似，同樣需要連接信號線纜和設置合適的量程，溫度傳感器的型號選擇PT100。

3.5 操作手柄

操作臺上的操作手柄有主令手柄和制動手柄，手柄的電氣控制是通過一個角位移傳感器實現的，角位移傳感器的工作原理是將操作手柄的旋轉角度轉換為一個4～20 mA的工業標準電流信號，然后經信號處理電路送入PLC，兩個操作手柄分別接入不同的模擬量輸入通道。在非緊急情況時，制動手柄實現制動是通過PLC 模擬信號輸出模塊輸出0～10 V電壓信號，經比例放大電路進而控制剎車的松緊程度，在緊急情況下，可以不經過PLC 環節，制動手柄能夠直接對制動裝置進行控制，提高了制動系統的安全性和可靠性，見圖2。

圖2 制動手柄的控制原理圖

4 提升機控制系統安全回路的確定

安全回路指的是當提升機發生故障時，控制系統對提升機進行緊急制動并向工作人員發出告警信號。根據系統要求，提升機電控系統采用雙安全回路，即軟安全回路和硬安全回路各自獨立運行，從而提高安全回路的可靠性。軟安全回路是PLC 在程序中發出保護動作指令，控制變頻器制動。硬安全回路是通過硬件電路控制繼電器動作發出變頻器制動指令，兩套安全回路在邏輯上各自獨立，任意一套安全回路均能獨自發出停機保護指令。各類保護信號可按照故障嚴重程度分為重事故信號和輕事故信號。重事故信號能夠直接通過繼電器直動回路控制機械施閘系統，輕事故信號由PLC 程序判斷具體故障類型，立即施閘類故障和終端施閘類故障能夠控制機械施閘系統，電氣制動類故障和故障報警不觸發機械施閘系統，各種保護信號的原理如圖3 所示。

圖3 各種保護信號的原理圖

安全回路的組成包括各類連鎖和保護，例如主令手柄具有零位連鎖功能，只有當主令手柄處于停車零位時安全回路才能導通，否則主令手柄處于上提或下方位置，零位繼電器斷開，設備上行或下行。安全回路中的保護有：制動油過壓保護、等速段超速保護、PLC 失效保護、減速段過速保護、過卷保護、深指器失效保護、機械閘瓦磨損保護、松繩保護、調繩連鎖保護、電源失壓保護等。

5 結語

煤礦提升機承擔著煤炭、矸石、人員、設備和材料的運輸任務，是礦井的“咽喉”，對舊有的礦井提升機進行技術改造，采用先進的變頻器和PLC 等電控設備，一方面完善了提升機的安全回路，提高了其安全性和可靠性，另一方面變頻器具有調速性能準確、節能高效的特點，提高了人員乘坐的舒適性，降低了提升機用電量，對企業可持續發展具有重要意義。