淺談變頻調速技術在礦用提升絞車中的應用

摘 要：隨著PLC系統程序的不斷完善，變頻絞車在設備控制作業中更加凸顯出其穩定性高、維護量小、操作簡便、節約電能等種種優勢，與傳統的交流異步電動機控制相比，更加適用于我國礦井現代化、綜合化的規模發展。本文從變頻調速技術的基本原理及應用效果出發，介紹了基于PLC的變頻調速系統在礦用提升絞車設計中的選擇和運用方法，為現有礦用提升絞車的升級改造提供了有力的技術指導。

關鍵詞：礦用絞車；；提升系統；變頻調速技術；PLC

中圖分類號：TD53 文獻標識碼：A

1 礦用提升系統控制概述

作為礦山生產的關鍵設備之一，提升系統擔負著人員、原煤、設備、材料等的運輸任務，具有用電量高、作業時間長、工作量繁重、責任重大等特點。其運行水平既關系著礦山生產的安全，也是礦用機電系統整體能力的反映和代表。目前，我國大部分提升絞車的拖動仍依靠交流異步電動機，這類電動機由繼電器和接觸器構成邏輯控制裝置，通過轉子串切電阻的有級調速方式，對絞車進行控制。但由于采用此類電動機進行開啟和換擋操作時，過大的電流將對設備造成沖擊，在降低了控制精度的同時，也大大縮短了電機的使用壽命，加之其電量損失大、調試困難、維護工作繁雜等缺點，已不適用于我國礦井現代化、綜合化、高效化的規模發展。在這一背景下，變頻調速技術因其具有的啟動平穩、操作簡便、調速范圍廣、故障少等優點開始受到相關企業的關注。特別是近年來，隨著基于PLC的變頻調速在礦用提升系統中的應用技術日臻成熟，其便捷、可靠、耐用的優良性能已經得到了廣泛的認同，礦用提升絞車的變頻調速設計及改造已經成為促進礦山生產安全增效的一大趨勢。

2 變頻調速技術的基本原理與應用效果

2.1 變頻調速技術的基本原理

變頻調速技術是通過改變電機定子供電頻率從而改變其轉速的，運行中主要包括將絞車電機作為電動機的正常逆變過程和將其作為發電機的能量回饋過程。其中正常逆變是調速運行的核心，包括正常逆變、整流、以及濾波等三個部分，這一過程通過改變電機定子的供電頻率來調節輸出電壓以達到控制絞車速度的目的。而能量回饋過程則是由回饋逆變、整流以及輸出濾波等三部組成的。回饋逆變的作用是使回饋逆變輸出電壓相位與電網電壓相位相一致。系統中須加入輸出濾波部分，以保證逆變的正常工作，并減少對電網的污染。此外，鑒于礦區電壓的波動性較大的事實，系統中還應加入一個剎車部分，用以提高變頻控制的安全系數。

2.2 變頻調速技術的應用效果

實現了無級調速的變頻技術不但使絞車在啟動、加速、等速、減速、停車的全過程中運行平穩、均勻，減少了速度加減過程中機械沖擊導致的設備故障問題，也同時擴展了調速范圍。而機械制動與安全回路的可靠配合，也使當系統出現緊急情況或突然停電時，變頻調速系統能夠自動實現機械制動，從而在最大限度上保證系統的安全。此外，由于變頻調速具有能量回饋的功能，該技術在節電方面也明顯優于傳統控制方式，資料顯示，其節電率高達30%以上。

3 基于PLC的變頻調速系統

3.1 PLC在礦用提升系統控制中的作用

PLC即可編程控制器，是一種通過可編程序的存貯器進行邏輯運算、算數運算、計數、及定時等操作的電子系統，具有應用廣泛、編程簡單、抗干擾和可靠性高等優點。存貯器在執行指令時，通過數字的模擬輸入、輸出來控制各種機械過程。采用PLC控制變頻器對提升機的提升速度和提升高度進行控制，可使制動更平穩、操作更簡單，并在大大減小系統體積的同時，提高其控制精度和安全性能。

3.2 系統設計要點分析

3.2.1 變頻系統的設計

首先應正確選擇系統的變頻器容量。電機平均起動轉矩一般為額定轉矩的1.7倍，考慮到電源電壓波動及需要通過110%額定負載的動載試驗要求等因素，其最大轉矩應是負載轉矩的1.9倍，為確保安全使用，可通過提高變頻器容量來獲得200%負載力矩值，變頻器輸出電源中含有一定量的高次諧波，使電動機內部產生諧波損耗，因此應適當增加其電流。其次，在變頻器的選擇上，考慮到絞車升降過程中具有較大的慣性，因此必須對其運行能力進行高標準的要求，對所有交流電動機的核心變量進行控制，并把定子磁通、轉矩作為主要控制變量。高速信號處理器與先進的電機軟件模型相結合使電機狀態更新，對負載的變化和瞬時掉電，能做出迅速響應。再次，應合理選擇制動電阻。由于加成重載下降時產生的重力加速度可能導致變頻器直流回路的電容因充電而使電壓過高，因此必須加入制動電阻對其進行控制。通過電阻制動，可以有效地實現電機的制動和減少減速時間，保證重物就位的可靠性。

3.2.2 PLC系統的設計

PLC系統的設計首先應參考變頻器系統參數及提升絞車的具體功能（如最大靜張力差 、最大速度、提升高度、急停需要等），選擇與絞車運行狀態相適應的控制器和傳感器。其次，應通過對I/O點數和用戶存儲容量的估算分析選擇PLC的型號，并從控制速度等要求正確選擇CPU功能和結構。應注意的是：PLC工作時，從輸入信號到輸出控制存在著滯后現象，為提高其實時處理速度，可選擇處理速度較快的PLC，使執行一條基本指令的時間控制在0.5us以內。PLC的結構主要有整體式和模塊式兩種，其中模塊式結構組態靈活、易于擴充，因此在控制規模較大的集散控制系統及遠程I/O系統中更加適用。

結語

實踐證明，與傳統的交流異步電動機控制相比，變頻調速實現了設備的軟起軟停，在減少機械沖擊損害的同時，增加了系統控制的準確性和安全性，而其與PLC技術的結合，更使系統不斷簡化，并大大提高了設備的可擴展性。技術人員應充分認識到變頻調速技術的重要性，積極做好提升絞車的變頻改造工作，并不斷積累經驗，完善其運行功能。可以想見，PLC變頻控制技術必將在未來的礦山機電控制領域中發揮越來越巨大的作用。

參考文獻

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