多繩摩擦式提升機高壓變頻控制系統的研究應用

文/郭文秋 程智勇

一、研究背景

礦井主提升機作為礦山設備中的“四大件”之一，是礦井生產的關鍵設備，是礦井上下生產聯系的咽喉。提升系統的安全可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。

葛亭煤礦采用高壓變頻調速技術和PLC控制技術對主井提升電控系統進行改造并一次性投入運行，極大地提高了主井提升系統的安全運行和生產效率，經濟效益和社會效益顯著，也符合當前安全第一和節能降耗的發展趨勢。

二、控制系統技術研究

在深入分析礦井原主井提升控制系統存在的問題和全面研究國內外礦井提升控制技術的基礎上，結合礦井主井提升控制系統運行的實際情況，提出單元串聯多電平直接高壓型變頻調速的總體技術方案。該方案將全數字矢量高壓變頻技術和PLC控制技術應用于主提升機控制，摒棄了轉子串電阻調速中的耗能電阻，實現了提升機在運行過程中的無極變頻調速控制的安全保護及自動化控制。

1.高壓變頻調速控制系統

為保證提升機電控系統穩定可靠地運行，考慮到礦井提升機工作性質和環境的特殊性，在具體設計中注意了抗干擾性、冗余結構、模塊式結構和控制系統的設計。在提升機電控系統設計中，采用單元串聯多電平能量回饋型四象限高壓變頻控制系統，該系統應用先進的功率單元串聯疊波方式、空間矢量控制的正弦波PWM調制方法和功率器件IGBT，從原理上保證了提升運行的可靠性，可使變頻器的輸入輸出波形得到極大改善。高壓主電路與低壓控制電路之間的通訊采用光纖傳輸，保證電隔離性能安全可靠，系統抗干擾能力強。

（1）高壓變頻調速柜。全數字高壓變頻調速柜采用矢量控制變頻器，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動。由具有活躍前端能量回饋特性的四象限高壓變頻調速裝置及其他必要的電器組成，用于向交流電機供電，構成高性能、數字化的高壓變頻調速系統。調速柜具有能量回饋電網功能，節能效果顯著。功率電路模塊化，維護簡單快速。高壓主回路與控制器之間為光纖連接，安全可靠。具有低速輸出轉矩大，過載能力強，保護功能齊全，可靠性高等特點，滿足了煤礦提升機的工況要求。

（2）高壓變頻調速器。高壓變頻器由移相隔離變壓器柜、功率單元和控制柜三部分組成。采用矢量控制技術、功率單元串聯疊波技術、有源逆變技術、能量回饋等多個先進的技術，形成了具有動態響應快、低速運行轉矩大的電動機驅動特性。高壓變頻器采用交—直—交直接高壓方式，主電路開關元件為IGBT，具有很高的可靠性。

（3）智能型主控臺。智能型主控臺采用操作臺式結構，除位置、速度、溫度、壓力、電流等必要的信號采集傳感器和終端執行設備外，所有控制回路及操作全部集中于操作臺中。司機可通過操作主控臺上的操作手把、開關及按鈕來控制提升機運行，并通過指示燈和人機界面及時了解提升機的運行狀態和運行參數。主控部分采用PLC控制器，配以可調閘模塊、電源模塊、語言報警模塊等以及A/D、D/A轉換模塊，實現提升機的工藝過程控制和各種邏輯保護。主控臺具有按行程速度給定、PID速度閉環控制、各類安全保護、自動化開車及各種工作狀態顯示等功能；具有邏輯編程簡單、安全保護可靠、狀態顯示齊全、語言報警功能，實現與調度室計算機的聯網。此外，主控臺自身具有應急提升功能，在不加任何外部硬件情況下，當PLC出現問題時，可以實現故障狀態下的低速運行。

2.PLC控制系統

提升機電氣控制系統采用PLC控制來實現提升全過程的位置控制、速度控制、動態畫面監視和絞車系統的各項保護功能，滿足電磁兼容性技術要求，抗干擾能力強。

（1）軟件結構。采用控制軟件和上位機組態軟件，控制軟件是對提升機的啟動、加速、減速、停車等過程控制信號進行采集和邏輯處理，軟件設計采用模塊化結構，程序編制采用梯形圖。

（2）控制程序。程序設置有半自動、全自動、手動、檢修和應急運行五種運行方式。正常情況下可采用半自動或手動運行檢修；運行時，系統自動給定一個檢修速度低速運行；故障時，在系統保護停機后，故障被確認但不能立即排除，此時可采用應急運行方式。

（3）計算機通訊。系統采用兩臺PLC實現提升全過程的位置控制、速度控制、動態畫面監視和提升系統的各項保護，對涉及安全參數的測量環節、安全監視環節和安全回路均采用雙線制，互為冗余，且冗余量不低于20%。PLC之間采用RS485通訊方式，可以和管理計算機聯網，并能完全滿足礦井提升工藝的過程要求，同時系統支持TCP/IP通訊方式，便于與礦井相關系統及礦井綜合自動化系統的通訊連接。

（4）監控系統。提升機的動態監測由工控機或觸摸屏和組態軟件組成，可實現圖表、漢字顯示及打印，實時報警、輕重故障自診斷，深度、速度、壓力等實時顯示，提升機運行過程各類關鍵數據及事故過程記錄，作為PLC的上位機，通過通信方式實現監控目的。整個系統監控畫面由控制中心、歷史曲線、報警窗口、速度曲線、系統說明以及各個電機的電路監控組成，可以看到提升系統的運行方式以及運行環節的工作數據。當有新報警產生時，在控制中心畫面上就會出現報警燈閃爍。

三、效益分析

1.提升效率明顯

采用變頻控制系統后，主電機加速時間每次提升縮短2秒，取消低頻拖動時間縮短8秒，每一提升循環總計縮短10秒，每小時提升量增加3鉤，按每天20小時運行，每年運行345天，每鉤6噸,全年多提煤124200噸，按每噸540元計算，每年新增效益6708.8萬元。

2.節電效果非常明顯

經實測，在相同工況條件下，提升機運行頻率為40HZ，電機出力為70%，原來710KW提升機運行，電機出全力，按每天20小時運行，每年運行345天，據此推算，變頻系統在投入運行后，每年可節約電費（0.56元/度）：710×（1－0.7）×20×345×0.56×0.85=699577 元，同時由于設備故障率低，大大減少了檢修費用，直接和間接經濟效益非常明顯。

3.安全性能進一步提高

系統完善的自動化控制、保護和自診斷功能，包括過壓保護、缺相保護、過流保護、欠壓保護、功率器件過熱保護、變壓器過熱保護、電機過載、過流保護、負載設備監控保護等，有力地保證了礦井主提升的連續運行和安全生產，避免了各類事故的發生。