提升機負荷不均衡控制系統中變頻控制技術的應用研究

（晉能控股煤業集團同家梁礦 山西 037025）

前言

當礦井提升機處于工作狀態時，通常裝載料斗中轉載的物料顆粒不均勻以及深淺不一致等，導致出現料斗重量不一致的現象。此外，由于巷道中坡度存在一定的差異性，軌道寬窄存在一定的不同或者空氣阻力等，這些都會將導致提升機負荷出現不均勻的現象，不利于提升機正常工作，嚴重時將導致提升機出現停止運行。因此，需要探究提升機不均勻的特點，進而對控制系統進行優化設計。

1.控制系統硬件和軟件

圖1 PLC控制系統框圖

通過分析我國現行的《煤礦安全規程》對提升機電器控制系統進行設計，如圖1表示PLC控制系統框圖。

通常PLC提升機控制系統包括如下幾個單元：第一，變頻器；第二，PLC控制單元；第三，傳感器與信號開關等。

（1）變頻器選用艾默生CT SPM，可以實現對異步電機參數進行如下操作：第一，自動識別；第二，自適應；第三，整定測試，能夠對異步電機的參數進行識別，同時依據內部設置的控制算法進行調整，最終能夠對異步電機進行控制。

（2）PLC選用德國西門子57-1200PLC，通常在其內部設有如下幾個單元：第一，數字輸入輸出單元；第二，模擬量輸入輸出單元；第三，RS422/485通訊單元等。通常PLC開關量輸入信號包括如下幾個信號：第一，增量編碼器方面的脈沖信號；第二，來自于操作臺的控制信號；第三，變頻信號；第四，來自于制動液壓站的信號；第五，來自于潤滑站的信號等。與此同時PLC開關量輸出信號包括如下幾個：第一，制動油泵信號；第二，主電機風扇控制信號；第三，電磁閥中繼電器信號；第四，報警指示信號；第五，故障指示信號等等。

（3）在于司機視線信號交互時可以宣紅打點信號，給主機電壓與電流設置相應的數字電流與電壓表，這樣可以更好地對其進行檢查。

對于軟件而言，可以選用模塊化以及功能化的形式，從而有利于后期的維護，以及調試等。通常系統程序包括如下幾個程序：第一，主程序；第二，初始化程序；第三，高速計數程序；第四，流程控制子程序；第五，數據循環程序；第六，故障處理與中斷程序等。

2.控制系統策略

為了能夠有效地解決提升機在負荷不均的現象，可以選用如下解決辦法：

（1）提升機轉速電流采用雙閉環矢量控制功能，一般變頻器電機有三種控制方式：第一，標量V/F控制；第二，開環矢量控制；第三，閉環矢量控制。通常情況下，閉環矢量控制主要設置一個反饋裝置的電機，同時需要在提升機驅動主電機軸上設置一個增量型的編碼器，進而可以將信息反饋給變頻器，同時可以實現零速滿轉矩。當選用閉環時，在規定時間內的過載數值大于處于開環狀態下的數字。鑒于提升機載荷不均勻的現象，可以通過變頻器中設置的轉速電流雙閉環措施。通常情況下，可以在提升機調速方案必須包含兩個調節器：第一，轉速調節器；第二，電流調節器。通常將兩個調節器串聯連接起來，這樣可以將轉速調節器輸出轉化成為電流調節器的輸入。

（2）電源進線濾波功能。通常可以在電源側設置進項電抗器，這樣能夠避免因不平衡造成驅動器出現故障，與此同時對諧波電流進行控制。假如選用額外線路電抗，可以將電抗器壓降低到2%范圍內。電抗器電流額定值不能驅動連接器輸入電流的額定值。對于重復峰值電流額定值而言，規定其不能小于驅動器輸入電流的2倍。相應的額外電感計算公式如下：

式中：L表示相應的電感，單位為H；Y表示相應的進線電抗器壓降百分比，單位為%；U表示相應的線間電壓，單位為V；f表示相應的電源頻率，單位為Hz；l表示相應的驅動器額定輸入電流，單位為A。

（3）能耗制動功能。驅動器可以借助電機進行減速或者采用機械的方式阻止電機加速，從而發生制動現象，這樣所產生的制動能量即返回了驅動器。當驅動器對電機進行制動時，驅動器所吸收的功率為驅動器功耗。當處于節電過程中，那么驅動器可以借助PI對制動電機進行控制，PI控制可以對減速時間進行延長，從而可以有效地避免出現直流母線電壓超過設定值。假如想借助驅動器降低電機速度，那么可以設置制動電阻器。表1表示相應的40℃制動電阻最小值以及相應的峰值額定功率，其中*表示獨立驅動器下的最小電阻值。通常可以將驅動器當做公共直流母線，必須對該數值進行再次設置。假如該線路并未設置直流母排連接，那么相應的電阻值設定在15%以內。當處于連續制動的過程中，那么制動電阻不間斷的消耗能量將超過驅動器設定值。通常情況下，制動電阻必須能夠負擔以毫秒為單位的功耗。假如出現較大的電阻值時，從而可以依據設定的規定有效地降低瞬時額定功率。由于在工作的過程中，制動器啟動的次數相對較差。那么相應的驅動器額定功率往往大于制動電阻的額定功率。可是在使用的過程中，制動電阻瞬時額定功率必須滿足極限條件下的制動情況。同時在對制動器進行優化的過程中，必須充分考慮制動負載的情況。因此制動電阻阻值必須大于設定的最低電阻值，從而在制動器出現故障時能夠有效地起到安全維護的作用。假如電阻值過高，那么將出現制動效果不佳的線性，從而嚴重導致驅動器出現故障。

表1 40℃時制動電阻最小阻值及峰值額定功率

（4）變速器的調速以及相應的精度，在編碼器中變頻器設置有帶速編碼反饋閉環控制系統，從而可以滿足各種范圍的調速。表2表示變頻器開環以及相應的閉環矢量控制的調速范圍與精度。

表2 開環與閉環調速范圍和精度比較表

（5）具有高速計數功能檢測速度，將增量型編碼器設置在提升機滾筒軸上面，當接收到編碼器脈沖信號時，將其傳輸給PLC，從而能夠借助高速計數功能對提升機的出繩速度進行計算。

（6）電流檢測功能，通常可以借助變頻器得到電流檢測的結果，主要表現為如下兩個方面：第一，借助變頻器輸出端子將模擬量傳輸給PLC，并且進行處理。第二，借助RS485將數據傳輸給變頻器，并且對信號進行讀取。

（7）制動油壓恒定功能，通常情況下，制動泵油壓主要借助比例溢流閥實現油壓的控制，而制動幫油壓主要通過比例溢流閥進行控制，同時PLC模擬量可以通過比例溢流閥進行控制。

3.結語

該系統控制的核心為西門子PLC控制單元，同時借助變頻器內部設置的閉環矢量實現高精度寬范圍的控制，保證提升機平穩的啟停，從而可以實現配置制動單元的能量消耗與加減速產生的能量釋放。該系統具有如下幾個方面的功能：其一，轉速電流雙閉環矢量控制；其二，能耗制動；其三，電流檢測；其四，電源濾波；其五，高速計數等。同時設置各種操作方式，進而操作人員可以依據工藝流程對潤滑泵、制動泵以及電磁閥的得失電進行控制，從而可以有效地控制速度，實現降耗增效的目的。

經過分析選用艾默生CT SPM變頻器，同時選用西門子PLC進行控制，能夠較好地處理提升機負荷不均衡的問題，從而能夠有效地提高工程效率，最大限度的降低能耗，從而有效地保證提升機安全可靠的運行。