一種在工業電網和發電機組下工作的礦井提升機變頻控制系統

周雨松，梁偉艷，張軍峰

（1.西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安710075；2.天水電氣傳動研究所有限責任公司，甘肅天水741020）

1 引言

礦井提升機是礦井的咽喉設備，擔負著井下井上之間設備及人員的輸送任務，尤其是交通罐提升機，更是礦山中的一級負荷，根據《煤礦安全規程》及《供配電設計規范》，必須配置相互獨立的雙路或3 路電源。對交通罐提升機，一般配置3 路供電電源，其中2 路來自礦山的工業電網，第3 路來自發電機組。針對這樣的要求，本文分析設計了一種在工業電網和發電機組切換下工作的礦井提升機變頻控制系統。

2 系統設計思路

2.1 工業電網

礦山的工業電網一般短路容量比較大，電網波動相對較小，同時允許能量回饋電網。

2.2 發電機組電網

發電機組電網一般短路容量小，電網波動大，且禁止能量向發電機組回饋。

2.3 礦井提升機控制系統

礦井提升機是一種位勢性負載，因此對提升機控制系統而言，系統必須能夠四象限運行［1］。

2.4 設計思路

基于對礦井提升機控制系統基本要求以及工業電網與發電機組電網特點的分析，本文設計了一種在工業電網和發電機組切換下工作的礦井提升機變頻控制系統，該系統必須具備四象限運行能力，同時還不能向發電機組回饋能量，這樣我們有如下兩種解決思路：

（1）一種思路是采用單象限變頻器，配置制動單元和制動電阻，其傳動系統圖如圖1所示。

當提升機控制系統在減速或重載下放時，電動機為發電狀態，能量通過制動單元，消耗在制動電阻上。這種方法無論是在工業電網下還是在發電機組電網下，系統的配置和工作狀態完全相同，沒有任何能量回饋電網。它的缺點是能量不能回饋，均消耗在制動電阻上，系統能耗大。但這是一種比較常見成熟的方案，很多設備廠家都可以提供這種變頻器的應用方案，下文中不再贅述。

圖1 單象限變頻器配制動單元及制動電阻的傳動系統圖

（2）另一種思路是采用四象限變頻器，同時配置制動單元和制動電阻，其系統圖和圖1很接近，只是將二極管整流部分改成了IGBT 整流，這樣能量可以回饋電網。

當系統工作在工業電網下時，切除制動單元和制動電阻，變頻器四象限工作，在提升機系統減速或重載下放時，電動機為發電狀態，能量直接回饋電網，實現回饋制動；當系統工作在發電機組電網時，變頻器切換為單象限工作，投入制動單元和制動電阻，在提升機系統減速或重載下放時，電動機為發電狀態，能量通過制動單元，消耗在制動電阻上。這種方法結合了工業電網下四象限能量回饋和發電機組下單象限變頻能量消耗的兩種特點。由于礦井提升機絕大部分時間均工作在工業電網下，僅在極少數應急情況下才工作在發電機組電網下，因此能極大的減少能耗保證系統性能，同時又能兼顧緊急情況下系統安全可靠運行，是一種很好的解決思路。

3 具體方案

圖2 提升機變頻控制系統方案配置圖

根據以上第二種思路，本文設計了一種在工業電網和發電機組切換下工作的礦井提升機變頻控制系統，其具體方案配置如圖2所示。由上圖可知，本提升機變頻控制系統配置了電源柜APG、程控柜APC、饋電柜HV5、變壓器TS、司機臺CD／CL／CR、液壓站LS、信號系統SG、井筒開關WE、監控計算機PL、主電機MT 以及四象限變頻器（包括進線ALC、濾波ALM、有源整流AIM、逆變MMI）和制動控制器BKM、制動電阻BKR 等。

3.1 提升機部分參數

型號：JKMD－2.25×2（I）

電機功率：200kW 電機電壓：380VAC

電機轉速：743r／min 電機頻率：50 Hz

3.2 變頻器選型

四象限變頻器采用西門子公司的SINAMICS S120 系列變頻器。SINAMICS S120 變頻器是一款高性能單電機或多電機傳動裝置。它是一種集V／F、矢量控制及伺服控制于一體的驅動控制系統，它不僅能控制普通的三相異步電動機，還能控制同步電機、扭矩電機及直線電機。其結構具有配置靈活、系統模塊化、排布緊湊、柜體美觀等特點，幾乎可適應于任何交流應用場合，特別適合于需要協調控制由多個電機組成的傳動系統，比如造紙機、軋機、提升機、試驗臺等［2］。

S120 變頻器主要包括進線ALC、有源濾波ALM、有源整流AIM、逆變MMI 和控制器等［3］。

（1）進線ALC 是進線側開關和保護器件，包括進線接觸器、隔離開關、熔斷器等。

（2）有源濾波ALM 必須與有源整流裝置同時使用，有源濾波裝置包含帶有基本RI 抑制的電網凈化濾波器、充電電路、進線電源電壓檢測電路和監控傳感器。

（3）有源整流AIM 采用IGBT 橋，有源整流模塊總是與相關的有源濾波裝置一起運行，提供高性能的整流／回饋控制，它可以整流供電并能將能量反饋給電網。它會產生一個可控制的直流電壓，這個直流電壓會在電源電壓允許的波動范圍內保持一個穩定值。無論電壓怎樣變化，有源整流在電源側產生實際電流效果接近正弦波，并能抑制有害的諧波。有源整流運行所需要的組件都集成在有源整流單元中。

（4）逆變AIM 實際上就是一個帶IGBTs 的自換流逆變器。它將直流電壓轉換成頻率電壓可變的靜止電源，從而拖動電機。

（5）控制單元：控制有源整流和逆變單元，每一種控制單元都是基于目標導向的SINAMICS 標準固件，包括所有的通用的控制模式并能夠調整以滿足最高的性能要求。它具備矢量控制、伺服控制、V／f 控制等功能。本設計中變頻器的具體選型見表1。

表1 變頻器具體配置型號表

圖3 制動單元及制動電阻的連線圖

3.3 制動單元及制動電阻選型

制動模塊和配套的外部制動電阻的作用是在故障情況下（例如：緊急停車等），使傳動裝置可控停車，或者在整流裝置不能回饋能量的情況下，控制直流回路電壓，進行短時間的制動運行。制動模塊包括電力電子器件和相關的控制回路。運行期間，直流回路的能量通過外部制動電阻轉化為熱能耗散掉。用DIP 開關來設定制動模塊的激活閥值，其連接［4］如圖3所示，本設計中具體選型見表2。

表2 制動單元及制動電阻具體型號表

3.4 切換功能設計

無論是四象限的變頻器，還是單象限配置制動單元和制動電阻的應用系統，都是非常成熟的，各種應用實例很多。本設計的創新之處就在于將兩者結合起來，使之滿足礦井提升機在工業電網與發電機組電網切換模式下的特殊場合。因此，本系統中如何設計控制切換是其核心，而S120 變頻器就具備這種切換能力。

（1）變頻器單象限／四象限功能切換：S120 變頻器功能強大，參數很多，其中，P3533 參數可以設置禁止回饋運行。這樣，通過該參數就能實現變頻器單象限或四象限功能的切換［5］。

（2）制動單元和制動電阻投切控制：制動單元端子X21.3 設置高電平，可以禁止制動模塊。這樣，制動單元和制動電阻的投切通過控制X21.3 端子上的信號即可實現。

3.5 程序控制設計

本程序中首先將電網切換開關信號輸入PLC中，判斷電網狀態，并對變頻器和制動單元都作出正確的切換配置，然后其他的程序編制及變頻器參數設置和普通的提升機完全一樣，這里不再贅述，其程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 實施效果

本設計已于2013年在陜西某煤礦交通罐設計中得到了實際應用，整個系統運行穩定可靠，完全滿足礦山工業電網與發電機組切換下的應用要求，得到了用戶的一致好評。

5 結束語

項目實施效果充分證明本設計的可行性及可靠性。它不僅滿足礦山提升機在工業電網下充分節能降耗的要求，而且保證了系統在發電機組應急電源下的安全可靠能力，是一種值得推廣的、可用于工業電網和發電機組電網下的經濟可靠的提升機變頻控制系統。

［1］王清靈，龔幼民.現代礦井提升機電控系統［M］.北京：機械工業出版社，1996.1－6.

［2］高性能多機傳動變頻調速器產品目錄D21.3.CN［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2010.

［3］SINAMICS S120 書本型功率部件設備手冊［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2012.27－600.

［4］SINAMICS S120 控制單元設備手冊［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2012.23－247.

［5］SINAMICS S120／S150 參數手冊［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2012.