變頻控制在礦井絞車改造中的應用

摘要：針對礦井絞車采用繼電器-接觸器控制方式的缺陷，文章提出了一種采用雙PLC實現的的礦井絞車變頻改造方案，詳細介紹了PLC在雙饋轉子變頻控制系統的設計理念及其組成，分析了該系統實現同步控制、雙重保護的工作原理，介紹了改善系統調速性能、提高系統安全性的技術措施。

關鍵詞：礦井絞車；變頻控制；變頻調速；雙PLC

中圖分類號：TD534 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0048-02

絞車是礦山企業的大型設備之一，它擔負著物料運送、人員上下等任務，是礦井的“咽喉要道”，在實際生產中占據著非常關鍵的作用。

目前，我國多數礦井絞車采用的電控系統為：異步電機+轉子串電阻加速+動力制動減速+高壓接觸器換向。成莊礦副井絞車采用的就是這種電控方式。該電控方式在一定程度上滿足提升系統的運行要求，但也存在著不容忽視的問題，即電機轉差功率全部消耗于轉子串接的電阻回路中，而絞車在重載加速、加速的工況下運行時間較長，此時轉差功率相當大，這就造成了能源的巨大浪費；系統為串電阻有級調速，切換時沖擊電流大，設備運行平穩性差，安全性能較低；系統發熱嚴重，造成工作環境惡劣。

隨著變頻技術及PLC技術的迅速發展，該系統已列入國家強制淘汰設備目錄之內，對其進行升級改造勢在必行。本文主要對成莊礦副井絞車控制系統進行改造，采用全數字式轉子雙饋交流絞車變頻電控系統。

1 現狀

成莊礦副井絞車采用2JK-2.5/20型雙筒單繩纏繞式絞車，電動機為JR157-10交流繞線式異步電動機，額定功率260kW，定子電壓6kV，定子電流33A，轉子電壓505V，轉子電流329A。副井斜長572米，傾角18度，最大提升速度4米/秒。由于設備老化、控制技術落后，現將老式系統改造為全數字變頻電控系統。該電控系統將先進的數字化、自動化等技術進行融合，采用“交流電機+交直交主回路+全數字化控制模式+雙PLC控制+故障診斷與監控”的模式。

2 雙饋轉子變頻調速系統結構

該系統的轉子變頻矢量控制器是全數字式控制器，可以實現速度閉環控制、轉子變頻矢量控制、單位功率因數的控制、電流閉環控制、故障診斷等功能。

在系統主回路設計上，采用“背靠背”式的二級管鉗位雙三電平結構，電網電壓定向，直接電流控制。其中，將三電平的有源前端作為整流變壓器，逆變器側直接接至電機的轉子回路，在轉子變頻矢量調速裝置的控制下驅動絞車。二極管鉗位三電平結構的功率器件電壓等級僅為日常兩電平結構的一半，從而降低了電機絕緣和功率器件承受的電壓，最終減小了系統的開關損耗。同時背靠背拓撲結構利于系統維護，系統可靠性能得到增強。在控制方式上，把功率變換裝置和電機作為一個整體，進一步實現高性能調速的前提下對網側功率因數、網側諧波、電機定子側、網側功率因數等關鍵指標進行調控，滿足系統運行在較低的開關頻率、較小的進線電抗下實現能量雙向流動，使變頻器對電網無污染。

該電控系統在交流電機的轉子側引入全控功率變換單元，而全控雙饋系統功率變換單元是由全控器件組成的三電平變換器所構成的，系統通過控制轉差功率來進行調速，其中CU1作為系統的全控逆變單元，用來提供與轉子電勢同頻率的變頻電源，CU2作為全控整流單元，用來提供對網側功率因數和諧波進行調節和補償，同時為系統提供穩定的直流電壓。當變換器CU1處于全控整流狀態，CU2處于逆變狀態時，轉子饋出能量；當兩個變換器工作狀態與上述相反時，轉子饋入能量。

3 雙PLC控制系統

為了滿足礦井絞車高可靠性和高安全性的要求，我們通過建立雙PLC冗余控制系統的配置來完成絞車邏輯操作、行程控制、液壓制動控制、故障保護等。兩套PLC全部通過PROFIBUS和MPI總線進行數據傳輸，進一步保證重要數據的實時性和同一性，為系統的數據分析提供依據和保證。

3.1 提升行程控制PLC

該部分由三個軸編碼器（滾筒側、減速器側、電機側）、井筒開關（深度指示器上）和行程監控PLC構成。

三臺軸編碼器將絞車行程位置和在線速度轉換成脈沖信號送至系統PLC中，系統PLC將編碼器信號和系統設定的一些行程參數結合起來進行邏輯處理，自動產生絞車所需的運行曲線，絞車按照曲線進行運行。為了盡量減少起動和制動過程中產生的機械沖擊，絞車運行速度給定信號的加、減速段為標準的“S”型曲線。同時，PLC通過實際運算來調節減速度保持為一個固定值，進一步保證停車點的精度。

3.2 安全保護回路PLC

系統設置有PLC與繼電器構成的雙線制安全保護回路。系統將絞車的保護信號主要分為四類：井口施閘、立即施閘、電氣制動和報警。其中直接接入到PLC中的事故信號為井口施閘、電氣制動和報警，PLC將此類事故信號通過處理后發送至監視器顯示故障類型并控制聲光報警系統報警或施閘。立即施閘類事故信號除了引至PLC中顯示、處理外，還引入到安全直動回路，動作抱閘系統進行施閘。

4 應用效果

通過改造，采用變頻調速系統將使不經濟的工況轉變為最佳的工況運行，系統控制精確、運算簡潔，節能效果明顯，可靠性得到很大提高。

（1）變頻調速系統設備運行更加平穩，實現速度連續可調，電機溫升較舊系統有明顯降低，同時對系統機械沖擊也明顯減小。

（2）系統有明顯的節能效果。投運以來，平均用電量比副井絞車房過去一年月平均用電量減少4830度，全年節電達57960度。

（3）系統運轉安全可靠，保護齊全，故障率低，且故障判斷及時準確。

（4）絞車能自動地按照系統計算的提升速度圖來進行提升，降低了絞車的操縱難度。司機無需用施閘手段控制減速，進一步避免超速、過卷的發生。

5 結語

由實際應用效果得出，在煤礦提升系統中實現變頻調速控制，不僅極大地提高了煤礦生產自動化程度，使絞車系統保護完善、運行安全可靠、維護簡單，而且節能效果明顯。隨著煤礦現代化的發展，煤礦的增產、降耗、提效被提到了前所未有的高度，設備的節能改造將大范圍地展開。因此，“雙線控制”式絞車變頻電控系統的改造勢必將得到廣泛的應用。

參考文獻

[1] 張賢.二極管鉗位型三電平逆變器研究[D].華中科技大學，2002.

[2] 徐州中礦大與自動化有限公司.礦井交流絞車雙饋轉子變頻調速系統的研究與應用.

作者簡介：張承鵬（1983—），晉城煤業集團成莊礦機電科技術員。

（責任編輯：黃銀芳）