關于紅柳礦井二號副立井場地提升機配電控制系統

何通

摘 要： 文章針對紅柳煤礦二號副立井場地副井提升機配電系統、傳動系統、控制系統作以介紹，該系統采用中礦大傳動有限公司生產的三電平變頻器及控制系統，可靠性高、運行性能好、節能效果明顯。

關鍵詞： 提升機;變頻器;控制系統

紅柳井田位于寧夏回族自治區中東部地區，行政區劃隸屬靈武市寧東鎮和馬家灘鎮管轄。紅柳煤礦為寧夏鴛鴦湖礦區規劃生產能力為10.00Mt/a的特大型礦井，礦井于2007年10月開工建設，2009年10月首采工作面投入試生產。經過幾年的建設，紅柳煤礦初期生產系統已經形成。2011年，為了解決礦井21采區通風距離遠，提高礦井北部的輔助運輸能力、提高掘進速度、緩解接續緊張等問題，在21采區西邊界中部二號回風立井西南側105m處增設二號副立井，副立井場地設副立井井塔。

副立井提升機是煤礦關鍵設備，主要負責人員和物資的運送，在煤礦的生產中起著重要的作用。副立井提升機運行工況復雜，如果提升機在運行中出現故障，輕則設備損壞、生產停止，重則人員傷亡。故礦井提升機系統需滿足生產效率高、安全可靠和自動化控制的運行要求。

紅柳煤礦井下采用“四·六”工作制，地面采用“三·八”工作制，年工作日330d，日提升時間16h。

紅柳煤礦二號副立井一號提升系統（大罐籠提升系統）裝備1臺JKM-5×6（Ⅲ）型塔式多繩摩擦提升機，提升容器為1個特制六繩雙層寬罐籠+1個六繩雙層平衡罐籠，擔負礦井人員、材料及設備提升任務。寬罐籠上、下層均滿足防爆柴油機無軌膠輪車、材料車、平板車、固定車廂式礦車直接進出的需要。本文針對紅柳副立井井塔提升機配電控制系統，主要分析了變頻器、控制系統的設計原則和功能。

1 提升機參數

（1）型號：懸掛式低速直聯交直交變頻同步電動機;

（2）數量：1臺;

（3）功率：3500kW;

（4）電壓：3150V;

（5）同步轉速：40r/min;

（6）過載能力≥2倍（時間≮60s）;

（7）勵磁：他勵;

（8）繞組形式：完全對稱雙繞組，雙Y接法;

（9）冷卻方式：強迫通風冷卻，軸向通風結構（IC37），帶風管接口;

（10）測溫電阻：電動機定子繞組內埋設12支分度號為Pt100鉑熱電阻。軸伸端、非軸伸端軸承各埋設2支分度號為Pt100鉑熱電阻，共4支。

2 配電部分

二號副立井井塔建有一座10/0.4kV變電所，雙回10kV電源取自附近的二號副立井場地35/10kV變電所10kV系統不同母線段。變電所由10kV高壓開關柜、變壓器柜、低壓配電柜組成，高、低壓系統均采用單母線分段系統，分列運行。變電所向提升機及其輔助設備分別提供10kV及380V電源。其系統框圖如圖1所示。

高壓柜內配有真空斷路器、電流互感器、電壓互感器、電力儀表、高壓熔斷器、氧化鋅避雷器、零序電流互感器、智能操控裝置、微機消諧裝置及微機綜合保護裝置等，所有高壓開關柜均具有“五防”功能，高壓柜工作狀態經PLC傳輸到上位機顯示。

3 傳動部分

提升機傳動部分由2臺定子整流變壓器、1臺勵磁整流變壓器、調節柜、變頻器柜、勵磁柜、單雙繞組切換柜、主電機冷卻風機變頻調速裝置、低壓輔助柜及水冷裝置組成。本文著重講述變頻器部分。

提升的主傳動采用交-直-交變頻雙繞組同步電動機傳動系統，傳動系統能夠適應提升系統的各種工況，按照預定的速度圖和提升要求實現四象限內的啟動運行，加速、等速、減速、低速爬行、停車、制動和換向等功能。

變頻器采用中礦大傳動有限公司變頻器，采用2套三電平變頻器+雙繞組同步機”的驅動方案。此方案可靠性高;具有驅動定子雙繞組電機冗余功能，兩臺變頻器同時運行時，每臺拖動定子雙繞組電機的一個繞組，具有全載全速運行能力;單臺變頻器運行時，可以把定子繞組的兩個繞組經切換柜串聯，由一臺變頻器拖動，具有全載半速運行能力，可以降低因為變頻器故障對提升的影響，同時可以對另外一套變頻器進行停電維修。此外，此變頻器還有以下特點：

（1）變頻器采用了先進的“背靠背”雙三電平交直交變頻方式，過載能力強，在提升機允許的任何負載下，都可以保證提升電機四象限安全運行要求。

采用三電平主回路拓撲結構，電流畸變率低，電磁噪聲小，動、靜態性能優良，且開關頻率低，損耗小，效率高。

（2）變頻器對電網的無功沖擊和高次諧波干擾非常小，輸出近似正弦的電壓和電流波形，整個調速范圍內諧波畸變（包括電壓和電流）THD小于4%。

（3）變頻器主要元器件采用原裝進口品牌。

（4）變頻器具備零速懸停功能。在制動系統敞閘情況下，變頻器具有零速滿轉矩懸停功能，實現提升機重載懸停，防止溜車，并實現到位零速停車后無沖擊安全抱閘，保證系統安全穩定運行。

（5）變頻器設計懸停鎖罐張力釋放功能。提升機在提升重物達到目的水平停車，提升容器釋放重物后鋼絲繩收縮將導致提升容器回提，錯開停車位，導致到位檢測出現誤動作或無法裝載，張力補償功能解決了這個問題，變頻器根據提升容器釋放重物前后的張力差，驅動提升機實時調節、補償提升容器位置差。

（6）主回路采用IGBT，相比采用IGCT功率器件的三電平變頻器主回路結構要簡單。圖2為兩種功率器件變頻器結構圖：

（7）此變頻器由中礦大傳動有限公司自主研發，大大降低了以往使用西門子、ABB進口變頻器的高昂費用，且備件費用、服務費用遠低于國外產品。

4 控制部分

控制系統以PLC為核心，由PLC柜、操作臺、閘控系統、上位機等組成。PLC柜中采用SIEMENS S7-300系列PLC，共兩臺，采用雙線制控制，一組為操作保護PLC，另一組為行程PLC。選用高性能的可編程控制器，采用分布式控制方式，即調節、主控、行程監控、制動等設置各自獨立的控制器，各控制器采用總線通訊方式。系統可實現手動操作、半自動操作、自動操作、檢修運行、換層運行和緊急操作的運行方式。

4.1 調節系統

調節系統雙閉環控制系統，分別為數字式速度和電流閉環系統，此調節系統具有優良的動、靜態品質指標。另外，調節控制具有以下功能：預設速度基準值;限制加、減速過程的沖擊;位置控制、速度控制;啟動時預置力矩;轉矩和電流基準，包括最大值限制;定子電流調節;勵磁電流調節;根據提升容器在井筒中的起始位置，自動生成“S”運行曲線并調節控制;監測鋼絲繩滑動，自動校正同步;過卷復位等功能。

4.2 安全回路

系統的安全回路有三套，一套為繼電器直動回路，兩套分別由操作保護PLC和行程PLC構成。由操作保護PLC、閘控PLC與繼電器構成雙線制提升機安全保護回路。來自提升機各部分的保護信號分為立即施閘、井口施閘、電氣制動和報警4類。其中井口施閘、電氣制動和報警類事故信號直接引入到PLC中，PLC將其處理后送監視器顯示故障類型并控制聲光報警系統報警并施閘，而立即施閘類事故信號除引入到PLC中處理、顯示、報警外，還直接引入到安全直動回路，并系統施閘。保護系統框圖如圖3所示：

4.3 制動系統

制動系統液壓站為一用一備，與控制系統進行通信。液壓制動系統能保證接收到來自提升機電氣控制系統的信號，并給予正確處理。

4.4 操作臺

操作臺采用操作方便的分體式結構，共由左操作臺、右操作臺和指示臺三部分構成，并且在操作臺內含有S7-300系列PLC，用來顯示系統的運行狀態，和主PLC采用總線通信的方式。

控制臺能滿足操作方式選擇、信號顯示、運行狀態顯示、故障顯示及報警等要求，并具有打印記錄功能，確保安全運行。

4.5 上位機監控系統

二號副立井井塔提升機控制系統配備上位機，上位機具備齊全的顯示功能及人機對話及記錄。

5 結語

紅柳礦井二號副立井場地副井提升機房已安裝完成，操作簡單，運行工況良好。中礦大自主研發的此系列變頻器已在全國應用幾十套，且部分是對原有的西門子、ABB系統進行改造，打破了進口變頻的壟斷，大大降低了礦方使用成本，以后必將得到更多的應用。

參考文獻：

[1]何風友.譚國俊.礦井提升機計算機控制技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003.

[2]沙童飛.基于PLC的礦井提升機智能型電控系統的設計與研究[D].安徽理工大學，2018.