變頻調速技術在煤礦提升機中的應用

王立偉

（山東濟礦魯能煤電股份有限公司陽城分公司，濟寧 272610）

在新時代背景下，我國經濟發展開啟新篇章，煤炭市場供需基本平衡，行業效益逐步好轉，節能減排成為當前煤礦開采的主要目標。對煤礦內相關電氣裝備進行變頻改造，可以提高煤礦電氣設備的自動化水平和節能效益。煤礦提升機是煤礦重要的電氣裝備，其應用能效關乎煤礦的整體生產效益。因此，探究變頻調速技術在煤礦提升機中的應用具有非常突出的現實意義。

1 煤礦提升機中變頻調速系統構成

煤礦提升機的變頻調速是一種有速度傳感器的矢量控制技術，變頻調速系統主要由主控、裝卸載系統、液壓系統、變頻器、井底信號傳感器、進口信號傳感器以及電動機等部分組成[1]。在煤礦提升機變頻調速驅動模式下，電動機轉子3 根引出線短接，井底與井口使用信號進行聯絡，確認信號是煤礦提升機運行的前提。主控顯示端與裝卸載系統、液壓系統、變頻器、井底口信號傳感器相連，經旋轉編碼器計算顯示各部分的傳輸信息。例如，提升時，計數器實時匯總裝卸載系統的位置信息，旋轉編碼器發出脈沖個數，主控端計算并顯示裝卸載系統的位置。每次提升前要將計數器復位，以裝卸載箕斗處于斜井內的位置為基準進行計算，以規避累積誤差。

2 變頻調速技術在煤礦提升機中的應用方案

2.1 硬件設計

2.1.1 變頻器配置

煤炭礦井提升機是煤炭企業生產的關鍵設備，用于提升人員、礦物，其負載變化大，對變頻器運行可靠性的要求較高。因此，可選擇矢量控制帶能量回饋高壓變頻器。該變頻器采用轉子帶速度反饋矢量控制技術，其運行參數要求如表1 所示。

表1 矢量控制帶能量回饋高壓變頻器控制參數要求

根據免維護、使用年限長的要求，設置隔離變壓器。變壓器的原邊以Y 形接法與高壓端直接相連，延邊以三角形接法與功率單元相連，為每個功率單元供應三相電源，中性點懸浮，并利用電源變壓器副邊繞組間的相位差消除由單個功率單元引發的諧波電流，確保變頻輸入電流總諧波含量小于國家標準5%。

2.1.2 電路連接

煤礦提升機在運行過程中存在加速、減速、等速、爬行等階段，不同階段對調速電動機調速范圍的要求存在差異，變頻器與電動機連接方式也不同。一般變頻器與電動機電路連接可選擇標準雙饋運行模式，即電動機定子繞組固定連接電網，轉子繞組連接變頻器。如果系統內變頻器功率僅由轉子側向變頻器流動，則系統調速范圍為亞同步速；如果變頻器功率可雙向傳輸，則系統調速范圍可覆蓋超同步速、亞同步速。但是，考慮煤礦提升機負載類型為位能型，系統負載阻力對系統運行速度影響較小，再加上煤礦提升機系統在運行期間頻繁啟停，單個運行周期較短，標準雙饋運行模式下系統由靜止啟動時轉差功率無限接近電機定子側輸入功率，增加額定功率。基于此，可以應用單雙饋混合運行接線模式，在起動加速段、停車減速段，根據電動機運行速度差異，切換主系統電路連接方式，切換接線條件為電機轉差率達到0.5%（或系統穩定運行閾值回差的1/2）。當電機轉差率大于0.5%時，系統電動機定子、轉子繞組倒置，變頻轉子繞組饋電，定子繞組短路；當電機轉差率小于0.5%時，變頻器直接接電動機定子繞組，轉子繞組短路。

2.1.3 硬件保護

在煤炭礦井提升機運行期間，起動過載時電機易堵轉，造成起動制動頻率過高。為此，可在配置帶斷相保護熱繼電器的基礎上，以熱繼電器額定電流為依據，結合煤炭礦井提高機實際負載與工藝流程要求，進行過載保護程序設計。熱繼電器的整定值選取電動機額定電流的1.03 倍，可根據電動機實際負載上下波動5%。熱繼電器的整定值計算公式為

式中：IF為熱繼電器的整定值；I0為電動機額定電流。

2.2 軟件設計

2.2.1 PLC 主控設計

煤炭礦井提升機變頻調速控制機構選擇可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制模式。PLC 控制模塊由模數轉換（Analog to Digtial，A/D）模塊、數模轉換（Digtial to Analog，D/A）模塊、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊、電源模塊、5×24 V 輸入模塊、5×24 V 輸出模塊以及2 個計數模塊組成。

A/D 模塊負責將電流、精度、電壓、速度等控制系統輸送的外部模擬信號（8 路模擬信號）轉換為PLC 內部處理用的數字信號。A/D 模塊前面板配置紅色發光二極管（Light Emitting Diode，LED）指示燈與插拔形接線端子窗口，當紅色LED 燈亮起表示出現故障，反之則表示無故障。插拔形接線端子窗口主要用于接線。

D/A 模塊負責將PLC 輸出的數字信號轉換為煤礦提升機控制系統所需的模擬信號（4 路模擬信號）。D/A 模塊前面板配置紅色LED 指示燈、插拔形接線端子，LED 燈用于表示模塊故障狀態，插拔形接線端子主要用于編碼器嚙合接線。

CPU 是總線上模塊間的數據傳輸控制功能模塊，可執行用戶程序。CPU 模塊前面板包括系統故障指示燈、待機指示燈、后備電池故障指示燈、備用指示燈、運行指示燈以及電源指示燈，分別表示為SF、STOP、BATF、FRCE、RUN、DC5V。各指示燈能夠顯示紅、黃、綠這3 種顏色，分別表示故障、待機、運行正常。CPU 模塊運行方式的開關為鑰匙開關，在待機模式下鑰匙可拔出，此時CPU 不執行用戶程序，允許通過編程裝置在線修改用戶程序。在運行模式下鑰匙不能拔出，CPU 執行用戶程序，無法在線修改用戶程序。

電源模塊可將220 V 交流電壓轉換為24 V 直流電壓，電源模塊前面板有1 個指示24 V 直流輸出電壓的指示燈、24 V 直流送電/斷電開關以及帶玻璃保護蓋的交流電壓選擇開關（220 V/120 V），帶保護蓋接線端子位于電源模塊下部。

5×24 V 輸入模塊負責將控制系統輸送的外部數字信號電平（32 路24 V 開關量信號）轉換為PLC 內部信號電平，其前面板配置綠色LED 指示燈、插拔形接線端子。其中：綠色LED 燈可用于表示輸入信號狀態，燈亮起表示輸入高電平，燈不亮表示輸入低電平；插拔形接線端子可用于用戶接線，在接線端子首次插入時與編碼鎖嚙合。

5×24 V 輸出模塊負責將PLC 內部信號電平（16 路繼電器觸點信號）切換為控制系統外部信號電平。該模塊前面板設置綠色LED 指示燈、接線窗口（用戶接線用插拔形接線端子）。其中，綠色LED 燈用于顯示各輸出信號狀態，燈亮起表示輸出高電平，燈不亮表示輸出低電平。接線窗口與編碼鎖嚙合插入。

2.2.2 控制流程

根據煤炭礦井提升機運行流程，PLC 控制系統由控制部分、調節部分、監控部分、上位界面組成[2]。控制部分是煤礦提升機正常生產運行的保障，為雙PLC 備用冗余控制，一主一副，當主控PLC 出現短期、無法解除的故障時，啟動備用PLC 控制器以完成控制。調節部分為故障反饋較少的直流調節。監控部分通過視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）的工控軟件編譯上位界面，可視化展示數據。監控部分與調節部分之間設置局域網，以滿足煤礦統一自動化管理要求。上位界面可顯示提升與后備保護、故障自診斷、電源回路保護狀態、各路控制信號狀態、速度液壓機壓力、提升機實時位置、異步電動機定子電流、速度運行圖（含異步電機實時轉速）、安全回路狀態以及各個組成部分狀態等參數，支持操作者在遠程監控上位機上進行必要傳感器參數設定、提升機松繩故障的調節處理等操作。

在煤炭礦井提升機變頻調速控制過程中，系統運行模式可設為應急、低速、手動、主動4 種狀態。無故障時，煤炭礦井提升機為主動或手動模式；上位監控部分發現故障并確定檢修位置后，系統為低速運行模型，速度為0.5 m·s-1；系統遇到未知重大故障時，轉為應急模式，緊急停止。各個狀態切換時采用多點接口（Multi Point Interface，MPI）+ 程序總線網絡（Process Field Bus，PROFIBUS）的雙網絡連接。在可編程控制器接收信號后，系統將信號劃分為終端施閘、立即施閘、報警、電氣制動多種類型，并根據信號類型轉換自動、手動、低速、應急等狀態。

2.2.3 功能實現

行程控制程序是煤炭礦井提升機變頻調速正常運作的保障，由主用或備用PLC 控制器自動跳轉，實現三相異步電動機正轉與反轉變頻控制[3]。行程控制系統由2 臺可編程控制器獨立運行，互相測控。同時，根據軟件安全運行要求，將深度指示儀失效、超速（含等速段、爬行段、減速段）、上下過卷、松繩、備用PLC 控制器失效、主用PLC 控制器失效、閘故障、液壓站油壓過高、變頻器故障以及異步電動機編碼器失效等故障信號串聯。當其中一個環節出現故障時，立即切斷安全回路，并自動處理故障。以超速故障自動處理設計為例，前期定義煤炭礦井提升機的上升過程速度、下降過程速度，并設定提升機上升過程中箕斗所載負載為同一速度，設定下降環節箕斗載人時速度與箕斗載物時速度為不同數值。程序運行時，判定煤炭礦井提升機運行方向，對比速度傳感器反饋的實際速度值、速度定義值。當確定實際速度值超出速度定義值后，自動將超速信號反饋到軟安全回路，驅動警示燈發出警報。

閘控程序由PLC 與液壓站配合實現恒定減速，主控PLC 經輸入輸出端口、網絡接口與閘控PLC 之間進行信息交互。閘控PLC 向主控PLC 傳輸油溫、油壓、控制閥動作狀態、超溫、超壓、低壓等信號；主控PLC 則向閘控PLC 傳輸緊急停車、正常停車、敞閘及其他必要信號[4]。

3 變頻調速技術在煤礦提升機中的應用效果

在變頻調速裝置制作完成后，利用煤炭礦井停產檢修時間進行安裝。經現場調試、試運轉，該裝置在各種工作狀況條件下均可滿足煤礦提升工藝要求，技術經濟效益顯著[5]。

在煤炭礦井深度為262.3 m 時，現行高壓變頻運行最高頻率為46.25 Hz，運行一個循環的時間為61 s，加速段、等速段、爬行段、減速段的時間分別為13 s、25 s、12 s、11 s，等速段速度為6.86 m·s-1，爬行段速度為1.15 m·s-1，最大速度為7.40 m·s-1。這些數據表明煤礦提升機變頻調速裝置運行一個循環的時間準確，不隨負載變化、操作人員操作差異而變化，達到煤礦安全規程的規定，可規避超速運行隱患。同時，變頻調速裝置可將能量回饋給電網，節能效率超過30%。

4 結語

矢量型高壓變頻器在煤礦提升機中的應用，有助于提升煤礦提升機的運行能效。相關技術人員應立足空間矢量變換理論，結合煤礦提升機的提升高度及電機功率，增設高壓變頻器控制系統。使原工頻與新安裝變頻調速系統共用PLC 控制中心，將高壓部分兩路供應電力能源，一路為工頻正常使用，一路為變頻作為備用。這樣才能充分發揮變頻調速優勢，降低煤礦提升機運行中的能耗。