礦井主提升機電控系統的優化研究

黃國亮

(平煤股份建井一處，河南 平頂山 467000)

一 系統概況

平煤某煤礦采用多繩摩擦提升機，由功率2800kW的交流同步電動機驅動，變頻器為交直交三電平拓撲結構并配有水冷系統。隨著礦井提升機電控系統對供電網絡穩定性的要求不斷增加和供電質量的下降，變頻器功率模塊被燒壞的可能性也大為增加，為保證礦井能夠高效運轉，決定對提升機的電控系統進行優化，配置新一套電控系統與老系統互為備用，引進了某公司生產的全數字提升機電控系統進行改造。

二 提升機電控系統的結構優化

新的提升機電控系統包括高低壓供電系統、變流裝置、定轉子切換柜、全數字矢量控制器、操作臺、PLC網絡控制系統、上位機。采用“交直交主回路+交流同步電機+PLC網絡控制+全數字調節控制+上位機診斷監控”的模式。

1.控制系統

控制系統由三個S7300PLC站、Profibus-DP和MPI總線組成，MPI以組態配置保持全局通訊，所有需要交換的數據均保存于一個配置表中，Profibus-DP根據主從協議調用通訊模塊，進行編程通訊。將保護PLC設為主站，其余兩個PLC設為從站，由模擬量，數字量，編碼器計數模塊來采集現場信號，并通過程序編碼為指揮提升機運行的操作信號。記錄軸編碼器所產生的脈沖并進行量化處理，測算出箕斗的行程與速度，將其輸入調節系統對礦井提升機進行監視和保護。控制系統給予STEP7軟件，通過結構化和模塊化的思想完成提升機的自動、手動和檢修，實現加速、等速、爬行、減速和停車的功能，并可提供各種保護功能。

礦井提升機的去向信號、開車命令及提升類別信號送入PLC的輸入端，經處理輸出各種指令或保護信號。主控PLC通過程序控制高壓換向器首得電，使高壓信號送入主電動機定子繞組，主電動機接入全部轉子電阻啟動，然后依次切除8段電阻，實現自動加速，最后運行在自然機械特性上。

交流提升機運行時，旋轉編碼器跟隨主電動機轉動，輸出2列A/B相脈沖，分別接到主控PLC的高速計數HSCO的A/B相脈沖輸入端，由主控PLC根據A/B脈沖的相位關系，自動確定HSCO的加、減計數方式。

2.變頻調速系統

全數字變頻調速器為DSP+FPGA結構，采用32為數字信號處理器，從而實現對單位功率因數的控制、速度閉環控制、矢量控制和電流閉環控制及故障診斷。

系統主回路為二極管箝位雙三電平拓撲結構。整流與逆變結構相同，出線側、進線側每相各串聯4個功率器件，二極管起續流與鉗位作用，直流母線能夠輸出半電壓、零電壓和正負電壓三種電平。與兩電平結構功率器件相比，三電平結構功率器件的電壓僅為前者的一般，能夠有效減少變頻系統的干擾，降低電動機與功率器件所承受的電壓，其開關頻率僅為兩電平結構的1/2，能夠有效減少系統開關損耗，且拓撲結構對實現系統模塊化設計、增強系統可靠性和維護性也有十分明顯的作用。

在系統控制方面，通過高性能矢量控制法將電動機與功率變化裝置實現調速，對網側諧波、網測功率因數、電動機定子側等系統指標進行控制，使系統在較小進線電抗和較低開關頻率運行，實現能量的雙向流動，避免變頻器對電網的污染。通過PWM電路的控制能夠使輸入電流接近正弦波，功率因數接近1.整流側的控制目標位保持輸入電流與輸入電壓的同相位、反相位，保持直流母線電壓穩定，通過有源前端技術能夠有效控制有功和無功電流，是進線側的功率因數為1.JIANG給定直流母線電壓和實際直流母線電壓輸入控制器，得出給定有功電流與無功電流，并在測量進線側進線電流，進行三相至兩相變化的坐標變換和旋轉變換產生實際有功電流與無功電流，并將其與給定有功電流與無功電流相比。經比例和積分控制器及比較環節后，在PWM的調制與IGBT的導通、關斷后產生需要的直流母線電壓。在直流母線電壓保持穩定時，電動機做功后能量將由網側流向電動機側，電動機機制運行后，直流母線電壓升高，能量有電動機側流向網側，以滿足四象限運行工況。

3.上位機監控系統

上位機監控系統為研華工控機+組態軟件結構，組態軟件WinCC即Windows Control Center，能夠實現采集現場數據、處理歷史數據、過程控制、安全報警、動畫顯示、打印報表和監控網絡等功能。監控系統包括7個子系統，即高低壓供電系統、提升系統、液壓制動系統、故障記錄系統、速度圖系統、電控原理展示系統和歡迎界面。系統啟動后，用戶可根據畫面選擇窗口，按照提示進行操作。當系統發生故障時，不管用戶當前位于哪個界面，屏幕都會立即彈出紅色警告小窗口，顯示出故障發生位置和時間，若顯示了較多的故障信息，則可拖住滾動條進行查找，故障處理結束后，窗口也會自動消失，故障未被排除之前也可手動關閉警告窗口。

三 總結

將可編程程序控制器引入礦井提升電控系統，不僅加強了系統對故障的判別能力，也將極大地提高系統的安全可靠性和生產效率。該煤礦在對礦井提升機的電控系統進行了以上完善并調試后，礦井主提升機的提升電流、提升速度和提升周期等指標均有了很大的提高，達到了性能要求，且監控操作與保護功能也較為完善，礦井提升機的可靠性大大提高，有效避免了因控制系統故障、變頻驅動系統故障而導致的提升機停車故障，極大的促進了礦井的持續生產，使其經濟和社會效益大大提高，故該方案具有良好的推廣價值。

［1］何萬庫.礦井提升機交流拖動系統的變頻調速改造［J］.起重運輸機械.2010(01).

［2］樊秀芬.高壓變頻調速系統在礦用多機驅動帶式輸送機的應用［J］.煤礦機電.2010(04).