礦井提升機直流調速器的升級改造及應用*

姚 竣

（彝良馳宏礦業有限公司，云南 昭通 657600）

1 提升機調速器功能及原理

提升機作為地下礦山的主要運輸設備，在生產中起著重要作用，其工作原理是電機通過減速機及主軸帶動卷筒旋轉，卷筒上纏繞的鋼絲繩拖動提升容器作往復運動，提升位置和速度由安裝于電機軸和提升機主軸上的編碼器反饋至控制系統和調速器進行控制[1]，如圖1所示，其中調速器在提升機中起著力矩、速度等關鍵功能的控制。綜合提升機的原理及控制特點，提升機必須通過調速器實現如下功能：

圖1 提升機系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of hoist system

1）位置控制功能：控制和顯示提升機在井筒內運行的任意行程位置；

2）速度控制功能：提升機空載或滿載的情況（加速、減速、全速）需通過調速器實現；

3）有重載啟動性能，任意載重量情況下任意速度運行；

4）特性曲線要硬，要保障負載變化時，提升速度不受影響，防止負載不同時降速過大，影響提升工作；

5）工作方式容易轉換，能方便地進行上提和下放，操作方便、控制靈活。

某礦山在用的大部分纏繞式提升機關鍵部件直流調速系統都較為老舊，該調速器投入市場已經10余年，受技術條件限制，調速器的調速性能較差，部件老化、故障頻發，加之產品逐漸停產，導致購買配件困難、維護成本相對較高等問題，為減少設備故障、降低維護成本、提升設備本質安全，急需對老舊的調速系統進行升級改造。

2 現用調速器存在的問題

某礦山現有6套纏繞式提升機投產年代為2008～2018年，需改造的調速系統主要為DCS500直流調速器，該調速器投運時間較早，不僅部件老化嚴重、故障頻發，而且還存在以下問題。

2.1 信號干擾問題

由于控制器與調速器通訊協議方式不同，大部分的信號傳輸采用硬線連接，老舊機房受環境限制，布線均不太規范，存在高低壓電纜同溝的情況，導致調速器速度反饋信號干擾，運行過程中時常出現超速故障，勵磁電流波動較大提升機誤報失磁故障[2]。

2.2 調速器加速過程中急停

提升機加減速過程通過調速器內繼電器輸出，運行過程中繼電器高頻率的通斷使得繼電器很快損壞，加減速階段突然停車，鋼繩受到沖擊容易發生跑車風險。

2.3 調速器控制精度低

老舊調速器采用電樞電勢控制，沒有通過轉速傳感器反饋信號，電機的轉速是通過調節電樞電勢實現的。這種調速方式轉速調節范圍只能在電機額定轉速以內，其值是裝置計算的，調速波動大、控制精度低，負載轉矩對速度的影響較大，特別是在加減速階段存在頓挫感。

2.4 備件購買困難

老舊變流器使用周期較長，部件老化故障頻發，加之產品逐漸停產，導致購買配件困難、維護成本相對較高，隨著替代產品的推出，最終出現無法采購配件的情況。

3 調速方式的確定

結合提升機的原理及特點及老舊調速器存在的問題，要保證通訊不受干擾、同時在速度變化的情況下要保證轉矩同負載相平衡，調速控制可采用轉速及電流雙閉環控制的方式最佳，為實現轉速及電流兩種負反饋分別起作用，可設置兩個調節器[3]，分別調節速度和電流，速度負反饋同電流負反饋二者間實現嵌套連接，把轉速調節器的輸出用作電流調節器的輸入，再用電流的輸出器控制變換器，在結構上電流作為內環，轉速作為外環，形成速度、電流控制雙閉環系統。系統能實現電機最大電流（轉矩）受限的情況下，充分利用電機允許過載的能力，在過渡過程中始終保持電流為允許最大值，使得電力拖動系統盡可能以最大的加速度啟動，到達穩定轉速后，又讓電流立刻降下來，從而進入穩態運行。

西門子6RA80調速器的轉速調節器利用速度給定值和實際速度值進行比較，根據它們的差值，輸出相應的電流給定值到電流調節器，為了實現較好的動態響應，在調節回路中還設有預控制器[4]，這樣可以通過轉速調節器輸出的附加轉矩給定值來實現轉速調節，該附加給定值同傳動系統中的摩擦和轉動慣量有關，可通過自動優化來確定補充量。

電流調節器是一個PI調節器，電流實際值通過三相交流側的電流互感器檢查，經過負載電阻、整流，再經過模數轉換后，送至電流調節器，電流調節器的輸出為觸發裝置的控制角，同時用于觸發裝置的預控制器。

該裝置的額定直流電流范圍為（12～2 800）A，還可通過采用并聯的方式提高額定電流的范圍，直流裝置型號可根據電樞整流電路分為四象限和兩象限調試裝置，其中兩象限采用一組三相全控橋式整流電路，四象限調速裝置采用兩組三相全控橋式整流電路，該電路無環流反向并聯電路，該調速功能可以實現提升機任意負載、任意速度的平穩運行，加減速平滑過渡，圖2為四象限運行時晶閘管-電動機系統的結構示意圖。

圖2 四象限運行時晶閘管-電動機系統的結構示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of thyristor-motor system during four-quadrant operation

4 西門子6RA80直流調速器選擇

6RA80 SIMOREG DC MASTER系列調速器由電樞單元、勵磁單元、速度調節器、電流調節器、電樞反電勢閉環控制單元、斜坡函數發生器、給定值處理器、輸入接口控制器等組成[5]，各部分的控制功能由2臺微數字處理器完成，通過參數設置將軟件程序進行“連接控制”。

該調速器為全數字四象限緊湊型整器，外形尺寸同老舊調速器相近，調速器自帶prfbus端口可采用通訊及硬線方式同控制器之間給定及反饋信號能形成冗余控制，調速器內部的繼電器采用了光耦[6]，同時調速器可根據需要設置選擇所需的雙環等控制方式。

5 調速器改造步驟

拆除老舊的調速器，安裝6RA80調速器，對照圖紙接好電源線，將信號線及通訊線接入新調速器，檢查確認保證無誤，通電正常后開始調試。

5.1 調試步驟

5.2 輸入輸出功能設定

5.3 速度設定

5.4 優化調試

6 應用效果

西門子6RA80直流調速器通過在某礦山1#、2#、3#斜井升級使用，解決了提升機調速系統老化、備件購買困難等問題，并取得了以下效果：通過在主回路前端增加了進線電抗器，以減少進線電源波動及對傳動系統造成的干擾；將主控系統加減速減速繼電器使用光電偶與調速器進行連鎖控制[7]，增加了以太網、PROFIBUS-DP網通訊，較之前的單一I/O點硬線控制，避免了干擾導致運行速度波動問題，實現主控制器、輔助控制器同調速器的冗余聯鎖保護[8]。

總之，將原調速系統改造為西門子6RA80直流調速系統，經過一年多的運行，調速系統運行穩定、故障率低，控制精度高，為其他礦山提升機的使用、升級改造提供了寶貴的借鑒經驗，值得推廣運用。

7 結語

1）采用西門子6RA80直流調速器時，增加速度反饋編碼器，采用雙環控制方式，通過電流環穩定電流，速度環穩定轉速，實現轉速誤差消除和提升裝置的位置及速度靈敏度，加減速平穩度，降低了電機運行抖動；

2）采用了以太網、PROFIBUS-DP網通訊方便調速器故障信息采集至提升機監控系統中，減少了故障的分析處理，節省了維修時間；

3）通過對調速器的升級改造提升了設備本質化安全。