1 引言

　　提升機是礦井的關鍵和重大安全設備之一，廣泛用于煤炭、有色金屬、黑色金屬、非金屬、化工等礦山的豎井、斜井的提升系統，用作提升礦物和物料、設備及運送人員等，是礦井系統的咽喉。在整個生產過程中，占有非常重要的地位，它不僅關系到礦井的正常安全生產和生產效率，而且直接影響上下井人員的生命財產安全，因此，它的電氣傳動及控制裝置一直是各國傳動界的一個重要研究領域。大多數傳統的礦井提升機采用繞線轉子異步電動機轉子回路串電阻的交流調速系統，這種系統屬于有級調速，低速轉矩小，轉差功率大，啟動電流和換擋電流沖擊大；中高速運行振動大，制動不安全、不可靠，對再生能量處理不力，斜井提升機運行中調速不連續，容易掉道，故障率高。礦用提升機的技術更新改造要求迫在眉睫。而采用dsp全數字變頻調速技術的現代交流調速系統代表礦井提升機技術的先進水平。

2 原礦山提升機調速系統簡介

　　大陽煤礦是山西蘭花科技創業股份有限公司的重點煤炭企業，是蘭花公司第一個利稅大戶和第一座高產高效礦井，現有員工1800余人，固定資產1.8億元，年生產能力達150萬噸，屬國有中型礦井，晉城市安全質量標準化示范礦井，“安全文明生產”特色礦井。大陽煤礦副井原有一臺礦井提升機，該提升機采用線繞式異步電動機，用轉子串電阻的方法調速。該提升機電控系統存在如下不足：

　　（1）擋位調節，調速不連續，運行中機械振動大，礦車沖擊大，制動不安全，常易出現“掉道”現象；

　　（2）啟動及換擋時沖擊電流大，啟動電流一般是額定電流的2～3倍，有時會更大，如果加速快，甚至會引起總開關跳閘；

　　（3）調速時大量的電能消耗在電阻上，不但浪費嚴重，也造成工作環境的惡劣，空間噪聲大；

　　（4）維修量大，不方便，由于操作時交流接觸器頻繁動作，易造成觸點及線圈的燒壞，轉子更換碳刷頻繁；

　　（5）耽誤生產，礦井是連續24h工作，生產量大，任務繁重，由于電控系統設計落后，制造工藝落后，即使是短時間的維修，也會給生產帶來損失。

　　隨著交流變頻技術的發展和成熟，變頻調速性能的優越性日益顯現。以變頻器為核心的調速系統，在交流礦井提升機上也越來越多的被采用，徹底改變了沿襲幾十年的交流提升機轉子串電阻分級調速的模式，使提升機獲得平穩、安全、可靠的運行狀態。避免了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。采用變頻控制的提升機，基本上可以獲得與直流電機相同的調速和制動性能，而對電機的要求相對要低，適用普通異步電動機，無需改造。這里我們比較一下轉子串電阻的調速方式和采用變頻器調速方式的優缺點，如附表所示。

　　蘭花集團公司領導下決心對該提升機電控系統進行改造，通過對目前高壓提升機變頻器在礦井提升機系統中的使用情況深入調查后，決定選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓提升機變頻器和山西華威電控公司生產的變頻提升機電控系統，見圖1。

　　大陽煤礦礦井提升機基本參數：

　　提升機：洛陽礦山機械廠

　　提升機類型：jk2-2.5

　　滾筒直徑：2.5m

　　最大靜張力：9t

　　最大靜張力差：5.5t

　　容繩量：700m

　　最大速度：3.5m/s

　　主電動機：湘潭電機廠

　　主電機型號：jr157-10

　　電機功率：260kw

　　定子電壓：6kv

　　轉速：585r/min

　　額定電流：33a

3 采用jd-bp系列高壓提升機變頻調速系統優點

　　（1）風光高壓提升機變頻調速系統對電網電壓的波動有較強的適應能力，電網輸入電壓在-20%～+15%電網電壓波動時，變頻器通過輸出電壓自動補償算法可維持滿載輸出，保證長期正常運行。供電瞬時失電5個周波內可滿載運行不跳閘，允許切換間隔3s。不受電網電壓和負載變化的影響。

　　（2）風光高壓提升機變頻器控制方法采用空間矢量控制原理，響應速度快、調速范圍寬（2～120hz，依據現場情況可以設定）和動態特性精度高，穩定性好、起動轉矩大（可達到額定轉矩的2倍以上），可以實現重載的平穩起動。

　　（3）電機可以實現無級調速，加、減速過程平滑，電流沖擊小，大大減輕了機械沖擊的強度。

　　（4）dsp芯片控制和plc外端電路接口相結合，使系統具有很高的可靠性，有很強的故障自診斷功能，具有完整的故障監測電路和精確的故障報警保護。能對所發生的故障類型及故障位置提供中文指示，能在就地顯示并遠方報警，并保存故障發生的時間、原因、故障點及故障時的運行參數。便于運行檢修人員辨別和解決所出現的問題。

　　（5）風光高壓提升機變頻器真正實現四象限運行，內置回饋單元，實現再生能量回饋給電網，國內最早研制四象限運行高壓變頻器的廠家，技術水平國內領先。

4 改造方案

　　為了確保安全可靠，讓變頻調速系統與原調速系統并存，互為備用，隨時可以切換，如圖1所示。

　　4.1 高壓提升機系統主回路圖

　　高壓提升機系統改造主回路接線圖如圖2所示。

　　為滿足安全生產，并根據客戶要求，此次系統改造保留了原有的工頻系統，工頻電源經過原工頻操作接到變頻旁路開關柜的工頻輸入端子。k1、k2、k3為三臺高壓隔離開關，為了確保不向變頻器輸出端反送電，k1、k3與k2采用電磁互鎖操動機構，實現電磁和機械互鎖。k4為轉子側雙擲開關，變頻運行時，k4切換到變頻側，繞線電機轉子線圈經雙擲開關k4后處于短接狀態；工頻運行時，k4切換到工頻側，繞線電機轉子線圈經k4接至原調速電阻裝置。當k1、k3閉合，k2斷開，k4切換到變頻側，電機變頻運行；當k1、k3斷開，k2閉合，k4切換到工頻側，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。

　　另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現高壓故障連跳功能。

　　4.2 提升機變頻系統控制回路

　　蘭花集團大陽煤礦提升機變頻系統控制回路分為兩個部分：

　　（1）變頻器內部的控制回路，由高速32位的dsp芯片、plc、人機界面共同完成。控制器核心由高速32位dsp芯片運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。plc控制器用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。

　　（2）山西華威電控生產的提升機操作控制臺，由plc、人機界面共同完成。plc控制器用于變頻系統和原工頻系統所有操作信號的邏輯處理，實現變頻器的自動、半自動運行。人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時實現提升機泵站壓力、位置、速度等的實時監控。

　　4.3 風光高壓提升機變頻器系統結構

　　風光高壓提升機變頻器，采用若干個低壓變頻器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，所用的6kv高壓提升變頻器，變壓器有18組付邊繞組，分為6個功率單元∕相，三相共18個單元，采用36脈沖整流，輸入端的諧波成分滿足國標規定。jd-bp37型高壓提升變頻調速系統由移相變壓器、功率單元和控制器組成。

　　4.4 操作與控制

　　由于變頻器提供了適應提升機現場應用的完善的接口，依據提升機控制系統的不同，采用適當的接線方式，就可以實現靈活的操作方式。

　　變頻調速系統可以實現自動運行和手動運行兩種方式：

　　（1） 自動運行方式

　　利用機內plc強大的控制能力，通過設置適當的參數，變頻器就可以實現自動化運行，極大地提高了提升機的運行效率。

　　如圖3所示，以正轉為例，開機時低速爬行時間t1、減速信號動作后延時t2、中速運行時間t3、停機前爬行時間t4都可以根據現場情況自由設置。提升機運行過程中，除開、停機外，正轉、反轉可以不需要人工干預。

　　（a） 正轉時運行速度曲線 （b） 反轉時運行速度曲線

　　（2） 手動運行方式

　　在該方式下，操作者通過提升機控制臺控制電機轉速，以實現電機的爬行、加速、減速、恒速運行，但在系統給出減速信號后，為保證整個系統安全，變頻器仍然會啟動機內自動減速程序。

　　（3）基本控制

　　交流制動。本提升機用變頻器，交流制動對提升系統的安全運行起到重要作用，當重車在中間停車時，檢測到停機信號后給控制器發出信號，讓變頻器由高頻迅速地降到低頻（1hz左右），給提升機一低頻制動，讓提升機從高速能較快速地降為低速，待plc檢測到機械制動起作用的信號后，plc發出信號讓控制器去掉交流制動信號，使提升機靠機械抱閘裝置停穩。啟動時，先對提升機施加一交流制動信號，建立啟動力矩，待檢測到機械抱閘信號后發出信號給控制器去掉交流制動信號，然后由控制器加上啟動電壓讓提升機開始轉動。

　　運行速度的控制。為了減少運行過程中的機械沖擊，在提升機啟動和停止過程中，做到加速度連續，不同的頻率，對應不同的加、減速速率，在本裝置的控制中，將不同頻率時的加、減速速率規劃成一個表格，運行中用查表的方法確定對應頻率時的加、減速速率，使提升機平滑運行，減少機械沖擊。再生能量通過功率單元來處理，如圖4所示。

　　電機處于發電狀態，功率單元母線電壓vbus升高，當母線電壓超過電網電壓的1.1倍時，高速cpu根據比較器和相位檢測的結果輸出六路spwm波形，使逆變塊a中的igbt工作，通過輸入電感，電動機的再生能量最后通過移相變壓器回饋到電網，裝置充分利用了移相變壓器對諧波的抵消作用，對電網無諧波污染、功率因數高、控制簡單、損耗小，返回到電網諧波小于國家標準。

　　對高壓變頻器而言，輸入電流諧波和輸出電壓諧波是關鍵指標，這兩項指標經國家權威部門的檢測，均低于國標gb/14549-93和國際ieees519-1992標準中的要求。

　　國家權威部門（天津發配電及電控設備檢測所和國家電控配電設備質量監督檢驗中心）的檢測共有23項，全部合格，檢測日期是2005年11月。

5 風光提升機變頻器網絡化系統

　　網絡化操縱臺，雙plc雙線制控制。操作系統、調速系統、監控系統之間通過工業局域網絡進行系統通訊及信號交換，留有與信號系統進行聯網的接口，具有遠程監控傳輸功能。加、減速過程平滑調節。

　　（1）操作和安全保護系統選用兩套不同配置的plc，互為冗余控制，對提升機運行關鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等等）均采用多線制保護，互為監視。

　　（2）具有手動、半自動、檢修及應急控制等各種控制方式。保證速度圖為s曲線。

　　（3）具有以下多種保護功能：

　　防過卷保護；防過速保護；防過負荷保護、防欠電壓保護；限速保護；深度指示器失效保護；閘瓦過磨損保護；松繩保護；信號方向閉鎖等。

　　（4）安全保護有三種狀況（輕故障允許一次開車，嚴重故障，較嚴重故障），并實現不同的處理措施：

　　輕故障允許一次開車，本次運行結束后不維修好，不能再次開車。選用雙套plc，雙plc之間既有軟件上的聯鎖，又有硬件上的聯鎖和看門狗電路，對plc的運行進行監視，防止因plc死機或其他意外原因，造成plc故障時能及時監測并參與安全保護。操作臺上裝有19″液晶觸摸屏、指示燈、儀表、選擇開關、按鈕、音響設備等，能實現提升機運行的各種控制工藝的要求，實現靜、動態參數及故障參數中文彩屏顯示，故障自診斷及查詢。

　　較嚴重故障實現先減速到1m/s后實施安全制動（包括機械深度指示器失效、松繩保護、編碼器位置偏差過大、制動油路故障、閘瓦磨損、主回路過壓、接地或欠壓等）。

　　嚴重故障實現立即啟動安全回路實施安全制動（包括等速過速、限速過速、包絡線超速、爬行段超速、高低壓電源故障、過流、變頻器故障、錯向、plc故障、過卷、急停操作、網絡通訊故障、2只測速元件同時損壞、主回路失壓、速度比較錯誤、殘壓高、電機溫度過高等）。

　　主控plc軟件能完成提升機手動、半自動、自動、檢修、慢動、緊急控制開車等運行方式的控制要求。控制與監視提升系統各路電源，滿足其控制功能及各項安全保護。對調速系統行程速度給定的控制，自動減速保護，停車時自動抱閘停車。與信號系統、控制系統之間的提升信號閉鎖，具有完善的保護功能及遠程診斷功能。

　　輔控plc具備電子數字監控器的功能，進行深度值、速度值、限速值等的指示，通過與主控系統的聯鎖。實現過卷、定點限速、全速過速、減速過速、開車錯向、斷軸保護等另一套安全保護，并參與系統控制。主/輔控plc均安裝在操作臺臺體內，并與監控系統進行網絡通訊，各種信號線通過通訊電纜完成，實現網絡化控制。

6 現場應用情況及運行效果

　　大陽煤礦提升機變頻設備改造工程調試一次成功，變頻器已經平穩運行半年時間。使用變頻器后有以下優點：

　　（1）變頻系統無需原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統的可靠性，改善了操作人員的工作環境，使噪音及室溫降低。

　　（2）調速方便，連續平滑調節。

　　（3）實現了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩，機械沖擊小，避免了掉道現象。

　　（4）啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩無級平滑地升至最高速，沒有大電流出現，減小了對電網的沖擊。

　　（5）增加了交流制動功能，使重車停車時更加平穩，有效避免了“溜溝”現象。

　　（6）采用回饋制動技術，成功解決了位能負載再生發電能量處理問題，保證了變頻器的安全運行。

　　（7）節能效果顯著。據實測，在低速段節能明顯，一般可達到37%以上。

　　（8）采用變頻控制后，原繞線式電機可改為普通電機，這不但降低了成本，普通電機比繞線式電機可節約投資1/3，而且避免了轉子炭刷的燒損及維護。

7 結束語

　　礦山提升機變頻調速系統具有控制性能優良、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優點。四象限高壓變頻器在交流提升機轉子串電阻電控系統改造及新提升機電控系統配置中，提高了礦山提升機控制技術和裝備水平。變頻調速系統不僅大大提高了礦山交流提升系統的安全性和可靠性，確保了提升機高質量運行，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動，是交流提升機電控系統發展的方向，應用前景廣闊。