淺談變頻器在礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹蛟龍

【摘 ?要】目前我國礦山提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要是用轉(zhuǎn)子串電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速，控制裝置主要由繼電器和接觸器組成。這種電控系統(tǒng)存在較多缺點(diǎn)，比如在控制上較復(fù)雜、繁瑣;運(yùn)行可靠性、安全性較低;調(diào)速效果較差等。針對此種狀況，通過應(yīng)用基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)，可以很好地彌補(bǔ)當(dāng)前提升機(jī)電控系統(tǒng)存在的缺陷，提升系統(tǒng)的整體控制效果更佳，安全性和可靠性得以保障，調(diào)速功能更加完善。

【關(guān)鍵詞】提升機(jī);電機(jī);調(diào)速系統(tǒng);變頻器

0 引言

礦井提升機(jī)是礦山地下運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，負(fù)責(zé)井下礦石、廢石、人員及材料的提升，被稱作礦山的“咽喉”，提升機(jī)能否正常運(yùn)行直接影響著整座礦山的安全運(yùn)作及生產(chǎn)任務(wù)的完成。電控系統(tǒng)是礦井提升機(jī)的主要部分，提升機(jī)對電氣控制的要求很高，必須有良好的調(diào)速性能，較高的精度，能快速切換正、反向，動態(tài)響應(yīng)快，能準(zhǔn)確定位和制動，運(yùn)行可靠，安全系數(shù)高。傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)大多選用由繼電器和接觸器組成的控制系統(tǒng)，主要用繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻實(shí)現(xiàn)調(diào)速，該調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制邏輯繁瑣，調(diào)速性能較差，維護(hù)成本高，安全性不高，難以滿足線代礦山大規(guī)模生產(chǎn)的需求。因此，傳統(tǒng)的繼電器調(diào)速系統(tǒng)逐漸被淘汰，而基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)成為現(xiàn)代礦山發(fā)展的主流，發(fā)揮著越來越重要的作用。本文就變頻器在礦山提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用作簡要闡述。

1 變頻器簡介

變頻器是利用交流異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速隨電源頻率變化而變化的特性，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)調(diào)速運(yùn)行的裝置。變頻器可以很好的實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的無級調(diào)速，可以方便的進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速，調(diào)速范圍廣、平滑性較好、機(jī)械特性較硬、節(jié)能性好，因此廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的各個方面。在20世紀(jì)70年代，隨著場效應(yīng)晶體管的問世，變頻器的性能有了極大的完善和發(fā)展，近年來，變頻器向著更高性能、更大容量以及智能化方向發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。

變頻器是通過改變電源頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的裝置，應(yīng)用最多的是“交-直-交”型變頻器，其主要結(jié)構(gòu)可分為四部分：1、整流單元，其作用是把工作頻率固定的交流電變換成直流電，一般通過橋式整流電路來實(shí)現(xiàn);2、大容量電容器，其作用是對整流單元輸出的直流電進(jìn)行濾波，濾除雜波和干擾信號，給逆變器提供純凈穩(wěn)定的直流電;3、逆變器，其作用是把大功率開關(guān)晶閘管排列構(gòu)成電子開關(guān)，通過控制晶閘管開合的頻率和幅值，將直流電轉(zhuǎn)換為其他設(shè)定頻率和幅度的方波信號;4、控制器，其作用是根據(jù)所設(shè)的程序運(yùn)行，控制輸出方波的狀態(tài)，讓其疊加成與正弦波相似的交流電，實(shí)現(xiàn)頻率和幅值可控，并驅(qū)動交流電動機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。

2 電機(jī)調(diào)速簡介

交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速計算公式為：n=60f/p（1-s）。從公式可見，電機(jī)調(diào)速可以通過改變供電頻率f、改變電動機(jī)極對數(shù)p、改變轉(zhuǎn)差率s等幾種方式來實(shí)現(xiàn)。

2.1 變極對數(shù)調(diào)速方法

這種調(diào)速方法是通過改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的，優(yōu)點(diǎn)有機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好;無轉(zhuǎn)差損耗，效率高;接線簡單、控制方便、價格低。缺點(diǎn)是有級調(diào)速，級差大，不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，因此難以滿足提升機(jī)穩(wěn)定調(diào)速的要求，在礦山提升機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

2.2 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速方法

改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速主要有定子調(diào)壓調(diào)速和轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速。

定子調(diào)壓調(diào)速是通過改變電動機(jī)的定子電壓，得到不同機(jī)械特性的曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速，特點(diǎn)是線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動控制;調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低;適用于100KW以下的機(jī)械設(shè)備，難以滿足礦山大型提升機(jī)的生產(chǎn)要求。

轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速是繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率改變，串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在電阻上，屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟，不能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，難以滿足提升機(jī)穩(wěn)定調(diào)速的要求。

2.3 變頻調(diào)速方法

變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的供電頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，運(yùn)用的主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。變頻器可分為交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大多數(shù)使用交流-直流-交流變頻器，其特點(diǎn)有：1、調(diào)速過程中沒有附加損耗，效率高;2、調(diào)速范圍大，特性硬，精度高;3、應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機(jī)，也可用于繞線式異步電動機(jī);4、技術(shù)要求高，造價成本高，集成度高，維修保養(yǎng)難度大。變頻器調(diào)速因其效率高、精度高、易操作，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代礦山提升機(jī)控制系統(tǒng)中。

3 變頻器在銅礦峪礦混合井提升系統(tǒng)中的應(yīng)用

銅礦峪礦混合井提升機(jī)為多繩摩擦式提升機(jī)，主電機(jī)為400kW繞線式異步電動機(jī)，減速機(jī)速比為20：1，控制核心為三菱FX2N系列PLC，使用的變頻器為西門子G120系列變頻器，功率為75KW。變頻器在銅礦峪礦混合井提升系統(tǒng)中基于PLC控制，固定頻率調(diào)節(jié)輸出電壓來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速，可分為以下兩種運(yùn)行模式：

3.1 自動投入運(yùn)行

礦井提升機(jī)運(yùn)行安全是第一位的，無論提人提物，必須保證平穩(wěn)可靠運(yùn)行。要保證安全，運(yùn)行速度十分關(guān)鍵，必須控制在一定范圍內(nèi)，并可以穩(wěn)定停車。銅礦峪礦混合井提升機(jī)提升設(shè)備為箕斗和罐籠，箕斗負(fù)責(zé)提升掘進(jìn)廢石，罐籠負(fù)責(zé)提升人員和材料，提升機(jī)運(yùn)行分為箕斗運(yùn)行和罐籠運(yùn)行兩種狀態(tài)。

箕斗運(yùn)行全過程和罐籠運(yùn)行上行時，PLC程序設(shè)定一個減速點(diǎn)，到達(dá)減速點(diǎn)之前為高壓（6kV）提升，當(dāng)提升設(shè)備到達(dá)減速點(diǎn)，PLC控制高壓電撤除，變頻器投入運(yùn)行，輸出頻率為3.6HZ左右，PLC根據(jù)提升位置、運(yùn)行速度、負(fù)載等參數(shù)運(yùn)用PID算法調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓，實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備勻速平穩(wěn)運(yùn)行，到停車點(diǎn)穩(wěn)定停車，這樣既保證了提升安全，又避免了由于速度過快、緊急停車對設(shè)備的損害。

3.2 人工控制運(yùn)行

當(dāng)罐籠載人下行時，為保證乘罐人員安全，避免設(shè)備受較大制動力的沖擊，罐籠運(yùn)行速度必須控制在一定范圍內(nèi)，平穩(wěn)運(yùn)行。銅礦峪礦混合井提升機(jī)設(shè)置了人工腳踏控制裝置，來實(shí)現(xiàn)人工調(diào)速，該裝置由腳踏板、無接觸式自整角發(fā)送機(jī)（簡稱角機(jī)）和行程開關(guān)組成。

角機(jī)輸入為AC110V，輸出為AC 0～50V，由腳踏板踩踏幅度決定。角機(jī)輸出到PLC接口板，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將信號傳給PLC控制器。PLC根據(jù)接收到的數(shù)字信號，控制變頻器輸出電壓，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。提升機(jī)運(yùn)行過程中，卷揚(yáng)工踩踏腳踏板，變頻器投入運(yùn)行，輸出頻率為3.6HZ，踩踏幅度越大，變頻器輸出電壓越大，罐籠運(yùn)行越慢;踩踏幅度越小，變頻器輸出電壓越小，罐籠運(yùn)行越快。這樣就實(shí)現(xiàn)了對罐籠運(yùn)行速度的控制，保證罐籠平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

4 總結(jié)

礦井提升機(jī)在礦山生產(chǎn)經(jīng)營中發(fā)揮著舉足輕重的作用，是礦山生產(chǎn)中不可或缺的一環(huán)，提升機(jī)的安全可靠運(yùn)行是礦山生產(chǎn)順利進(jìn)行的必要條件。提升機(jī)運(yùn)行速度的有效控制是提升機(jī)安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，傳統(tǒng)的調(diào)速方式存在諸多缺陷，難以滿足現(xiàn)代礦山的嚴(yán)格要求，而基于PLC的變頻器調(diào)速系統(tǒng)因其穩(wěn)定性高、精度高、易操作、應(yīng)用范圍廣、智能化設(shè)計，而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代礦山的提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，并將在以后的發(fā)展中，進(jìn)一步改進(jìn)完善，發(fā)揮不可替代的重要作用，是未來發(fā)展的主流。

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（作者單位：北方銅業(yè)股份有限公司銅礦峪礦）