礦井提升機電控系統設計與實踐探究

祝敏杰

摘 要：本文通過對榮泰礦某礦區提升機電控系統的分析，結合交流電控系統和直流電控系統的特點，對礦井提升機交直流電控系統的選擇提出了一些建議和方案。

關鍵詞：礦井提升機；直流可逆調速；轉子雙饋變頻調速

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.23.137

1 礦井情況

本文研究對象選取榮泰礦某礦區提升機電控系統，該提升機的電機功率為800kW，定子額定電壓10KV，定子額定電流61.9A，轉子額定電壓1011V ，轉子額定電流487.2A。工作時電機轉數591r/min。現就該提升機的硬件條件和各類型電控系統的優缺點來選擇相應的電控系統方案。

2 礦井提升機電控系統的方案分析

對于礦井800KW的功率要求，在沒有確定電機的情況下，可選用我國技術較為成熟的ASCS-3直流全數字調速方案或先進的ASCS-6轉子雙饋交流變頻調速方案。結合該提升機的實際情況，下面對兩種方案進行介紹。

（1）直流全數字調速方案介紹。ASCS-3直流全數字調速提升機電控系統，使用晶閘管變流，廣泛應用于大功率電力拖動系統調速控制。可以根據提升機功率的不同，分為磁場換向和電樞換向兩種方式，系統由兩臺ASCS-3-T型整流裝置，可構成串聯12脈動整流方式，實現全載全速運行。當一臺ASCS-3-T型整流裝置故障時可操作切換柜中的刀閘，切換為6脈動整流方式，實現全載半速運行。此調速方案適用于電機電壓為440V-1000V，功率為600KW-3000KW的直流電機。

（2）轉子雙饋變頻調速方案介紹。ASCS-6型調速系統采用IGBT背靠背雙三電平變頻器。變頻器包括三電平整流器、三電平逆變器和全數字調節柜（內置矢量控制器）。在雙饋調速工作時，除了電機定子側與交流電網直接連接外，轉子側也要與交流電網或外接電動勢相連，從電路拓撲結構上看，可認為是在轉子繞組回路中附加一個交流電動勢，通過這個電動勢調節電動機的轉速。此調速方案適用電機功率為400KW-2000kW的交流繞線電動機。

（3）方案的選擇。直流電機具有電刷和換相器，因而必須經常檢查更換碳刷換向器，使直流電機的應用環境受到限制。交流電機結構簡單、工作可靠、成本低廉、效率高。直流系統結構比交流系統要復雜的多，維護費用也比交流系統高很多。一般來說直流電機的效率85%左右，而交流異步電機效率可以達到90%以上。

直流調速一般采用晶閘管整流，其諧波是無法避免的，需要治理。而交流變頻系統一般都使用PWM（脈寬調制）方式，其諧波含量很小，根本不需要諧波治理。交流變頻采用的智能型全控器件（IGBT），可以實現自保護，對于器件故障的保護功能更完善，并且能防止故障的進一步擴大，維護人員可以通過上位機系統得到故障信息。

3 ASCS-6轉子雙饋變頻調速系統的具體設置

ASCS-6轉子雙饋變頻調速系統包括定子側控制系統、轉子側控制系統，包括：高壓進線柜、高壓換向柜、變壓器、雙饋轉子變頻器（變流柜、調節柜）、PLC柜、低壓柜、操作臺、上位機等組成。其具體組成情況由圖1可知。

高壓柜采用KYN28A-12型開關柜組成，具有電流、電壓、電度測量，失壓、過流、進線連鎖，以及電動操作結構；高壓柜的狀態可經過PLC傳輸到上位機顯示。低壓柜為手動切換的雙回路進線，能滿足整個提升機電控系統和相應輔助設備的供電，包括絞車風機、信號系統、井筒開關、液壓站等的供電。提升機中的網絡化操作系統選用西門子S7-300雙PLC進行控制，自動生成S型速度曲線，行程跟蹤精度高，停車準確。同時采用基于Windows-CC系統下的人機接口對提升機的控制過程進行監控。三電平變頻器包括變流柜、調節柜。一套完整的變流柜，IGBT數量為24只，二極管12只，元器件總數36只。變頻器的的核心部分為調節柜中的矢量控制器，其采用多板卡單總線結構，主要包括：電源板、CPU板、脈沖板。對于功率器件IGBT，全部采用光纖觸發。電源板：為整個機籠的控制板供電；CPU板 ：負責與外界PLC的通信，預留Profibus、RS485、Can三種通信接口；脈沖板：負責三電平整流器或逆變器的控制，主要完成矢量控制算法。

操作臺采用操作方便的分體式結構，包括左操作臺、右操作臺、指示臺。左操作臺、右操作臺裝有制動手柄、主令手柄，各種控制提升機的按鈕、開關。指示臺上裝有儀表、深度指示器、指示燈和西門子S7-300等，并通過指示燈、儀表及時了解提升機的運行狀態、運行參數、重要的操作信號、報警信號等，保證在沒有上位機圖形顯示的情況下，仍然可以安全操作。上位機具有監控功能，具有提升信號顯示、提升保護、故障自診斷、行程、速度圖、開車準備狀態、控制系統狀態、高低壓電源回路、主回路、安全回路等連續實時顯示及報表打印功能，便于事故的預測和分析處理，保證提升機安全可靠運行。

4 設計后系統的特點與功能

ASCS-6提升機轉子雙饋變頻調速系統，使繞線機實現變頻全范圍調速，轉子回路用雙三電平變頻器供電，定轉子雙饋調速，四象限運行，完全消除了轉子能量。實現了網側電流單位功率因數正弦波控制，主動消除變頻器裝置對電網的污染，提高了調速系統的功率因數，節約了電能。對直流母線電壓的控制具有良好的動態響應，為三電平逆變器提供平穩的電平，提升了變頻器的調速性能。通過我們在現場的應用，雙饋系統不但能達到很好的調速性能，其功率因數為1且可調，網側諧波在2%以下，大大低于國家標準。其低速調速平穩、能重載啟動、有較強的過載能力，性能優良。上位機和調節柜中IGBT故障報警燈會自動報出變流柜中IGBT的故障，工人只要根據燈的位置就可以判斷對應的故障IGBT，及時更換，維修方便快捷，提高了生產效率。該調速系統為轉子變頻調速，設備運行平穩，速度連續可調，人員乘坐舒適。

5 結束語

我國轉子雙饋變頻調速系統是一個國際較領先的技術，其組成的電控系統操作性強、安全性高，已被運用到各種升降機械的操作中。本文主要對該系統在礦井提升機中的運用，及其組成部分進行了闡述，并講述了相應的實踐方案，展現了其當前所具有的優勢，充分顯示出其使用價值。endprint