變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用

王立偉

（山東濟(jì)礦魯能煤電股份有限公司陽城分公司，濟(jì)寧 272610）

在新時(shí)代背景下，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展開啟新篇章，煤炭市場(chǎng)供需基本平衡，行業(yè)效益逐步好轉(zhuǎn)，節(jié)能減排成為當(dāng)前煤礦開采的主要目標(biāo)。對(duì)煤礦內(nèi)相關(guān)電氣裝備進(jìn)行變頻改造，可以提高煤礦電氣設(shè)備的自動(dòng)化水平和節(jié)能效益。煤礦提升機(jī)是煤礦重要的電氣裝備，其應(yīng)用能效關(guān)乎煤礦的整體生產(chǎn)效益。因此，探究變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

1 煤礦提升機(jī)中變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

煤礦提升機(jī)的變頻調(diào)速是一種有速度傳感器的矢量控制技術(shù)，變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由主控、裝卸載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、變頻器、井底信號(hào)傳感器、進(jìn)口信號(hào)傳感器以及電動(dòng)機(jī)等部分組成[1]。在煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)模式下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子3 根引出線短接，井底與井口使用信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，確認(rèn)信號(hào)是煤礦提升機(jī)運(yùn)行的前提。主控顯示端與裝卸載系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、變頻器、井底口信號(hào)傳感器相連，經(jīng)旋轉(zhuǎn)編碼器計(jì)算顯示各部分的傳輸信息。例如，提升時(shí)，計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)匯總裝卸載系統(tǒng)的位置信息，旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)，主控端計(jì)算并顯示裝卸載系統(tǒng)的位置。每次提升前要將計(jì)數(shù)器復(fù)位，以裝卸載箕斗處于斜井內(nèi)的位置為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，以規(guī)避累積誤差。

2 變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用方案

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 變頻器配置

煤炭礦井提升機(jī)是煤炭企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，用于提升人員、礦物，其負(fù)載變化大，對(duì)變頻器運(yùn)行可靠性的要求較高。因此，可選擇矢量控制帶能量回饋高壓變頻器。該變頻器采用轉(zhuǎn)子帶速度反饋矢量控制技術(shù)，其運(yùn)行參數(shù)要求如表1 所示。

表1 矢量控制帶能量回饋高壓變頻器控制參數(shù)要求

根據(jù)免維護(hù)、使用年限長(zhǎng)的要求，設(shè)置隔離變壓器。變壓器的原邊以Y 形接法與高壓端直接相連，延邊以三角形接法與功率單元相連，為每個(gè)功率單元供應(yīng)三相電源，中性點(diǎn)懸浮，并利用電源變壓器副邊繞組間的相位差消除由單個(gè)功率單元引發(fā)的諧波電流，確保變頻輸入電流總諧波含量小于國家標(biāo)準(zhǔn)5%。

2.1.2 電路連接

煤礦提升機(jī)在運(yùn)行過程中存在加速、減速、等速、爬行等階段，不同階段對(duì)調(diào)速電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍的要求存在差異，變頻器與電動(dòng)機(jī)連接方式也不同。一般變頻器與電動(dòng)機(jī)電路連接可選擇標(biāo)準(zhǔn)雙饋運(yùn)行模式，即電動(dòng)機(jī)定子繞組固定連接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組連接變頻器。如果系統(tǒng)內(nèi)變頻器功率僅由轉(zhuǎn)子側(cè)向變頻器流動(dòng)，則系統(tǒng)調(diào)速范圍為亞同步速；如果變頻器功率可雙向傳輸，則系統(tǒng)調(diào)速范圍可覆蓋超同步速、亞同步速。但是，考慮煤礦提升機(jī)負(fù)載類型為位能型，系統(tǒng)負(fù)載阻力對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度影響較小，再加上煤礦提升機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行期間頻繁啟停，單個(gè)運(yùn)行周期較短，標(biāo)準(zhǔn)雙饋運(yùn)行模式下系統(tǒng)由靜止啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)差功率無限接近電機(jī)定子側(cè)輸入功率，增加額定功率。基于此，可以應(yīng)用單雙饋混合運(yùn)行接線模式，在起動(dòng)加速段、停車減速段，根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度差異，切換主系統(tǒng)電路連接方式，切換接線條件為電機(jī)轉(zhuǎn)差率達(dá)到0.5%（或系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行閾值回差的1/2）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率大于0.5%時(shí)，系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子繞組倒置，變頻轉(zhuǎn)子繞組饋電，定子繞組短路；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)差率小于0.5%時(shí)，變頻器直接接電動(dòng)機(jī)定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組短路。

2.1.3 硬件保護(hù)

在煤炭礦井提升機(jī)運(yùn)行期間，起動(dòng)過載時(shí)電機(jī)易堵轉(zhuǎn)，造成起動(dòng)制動(dòng)頻率過高。為此，可在配置帶斷相保護(hù)熱繼電器的基礎(chǔ)上，以熱繼電器額定電流為依據(jù)，結(jié)合煤炭礦井提高機(jī)實(shí)際負(fù)載與工藝流程要求，進(jìn)行過載保護(hù)程序設(shè)計(jì)。熱繼電器的整定值選取電動(dòng)機(jī)額定電流的1.03 倍，可根據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)際負(fù)載上下波動(dòng)5%。熱繼電器的整定值計(jì)算公式為

式中：IF為熱繼電器的整定值；I0為電動(dòng)機(jī)額定電流。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 PLC 主控設(shè)計(jì)

煤炭礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制機(jī)構(gòu)選擇可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制模式。PLC 控制模塊由模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digtial，A/D）模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換（Digtial to Analog，D/A）模塊、中央處理器（Central Processing Unit，CPU）模塊、電源模塊、5×24 V 輸入模塊、5×24 V 輸出模塊以及2 個(gè)計(jì)數(shù)模塊組成。

A/D 模塊負(fù)責(zé)將電流、精度、電壓、速度等控制系統(tǒng)輸送的外部模擬信號(hào)（8 路模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為PLC 內(nèi)部處理用的數(shù)字信號(hào)。A/D 模塊前面板配置紅色發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）指示燈與插拔形接線端子窗口，當(dāng)紅色LED 燈亮起表示出現(xiàn)故障，反之則表示無故障。插拔形接線端子窗口主要用于接線。

D/A 模塊負(fù)責(zé)將PLC 輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為煤礦提升機(jī)控制系統(tǒng)所需的模擬信號(hào)（4 路模擬信號(hào)）。D/A 模塊前面板配置紅色LED 指示燈、插拔形接線端子，LED 燈用于表示模塊故障狀態(tài)，插拔形接線端子主要用于編碼器嚙合接線。

CPU 是總線上模塊間的數(shù)據(jù)傳輸控制功能模塊，可執(zhí)行用戶程序。CPU 模塊前面板包括系統(tǒng)故障指示燈、待機(jī)指示燈、后備電池故障指示燈、備用指示燈、運(yùn)行指示燈以及電源指示燈，分別表示為SF、STOP、BATF、FRCE、RUN、DC5V。各指示燈能夠顯示紅、黃、綠這3 種顏色，分別表示故障、待機(jī)、運(yùn)行正常。CPU 模塊運(yùn)行方式的開關(guān)為鑰匙開關(guān)，在待機(jī)模式下鑰匙可拔出，此時(shí)CPU 不執(zhí)行用戶程序，允許通過編程裝置在線修改用戶程序。在運(yùn)行模式下鑰匙不能拔出，CPU 執(zhí)行用戶程序，無法在線修改用戶程序。

電源模塊可將220 V 交流電壓轉(zhuǎn)換為24 V 直流電壓，電源模塊前面板有1 個(gè)指示24 V 直流輸出電壓的指示燈、24 V 直流送電/斷電開關(guān)以及帶玻璃保護(hù)蓋的交流電壓選擇開關(guān)（220 V/120 V），帶保護(hù)蓋接線端子位于電源模塊下部。

5×24 V 輸入模塊負(fù)責(zé)將控制系統(tǒng)輸送的外部數(shù)字信號(hào)電平（32 路24 V 開關(guān)量信號(hào)）轉(zhuǎn)換為PLC 內(nèi)部信號(hào)電平，其前面板配置綠色LED 指示燈、插拔形接線端子。其中：綠色LED 燈可用于表示輸入信號(hào)狀態(tài)，燈亮起表示輸入高電平，燈不亮表示輸入低電平；插拔形接線端子可用于用戶接線，在接線端子首次插入時(shí)與編碼鎖嚙合。

5×24 V 輸出模塊負(fù)責(zé)將PLC 內(nèi)部信號(hào)電平（16 路繼電器觸點(diǎn)信號(hào)）切換為控制系統(tǒng)外部信號(hào)電平。該模塊前面板設(shè)置綠色LED 指示燈、接線窗口（用戶接線用插拔形接線端子）。其中，綠色LED 燈用于顯示各輸出信號(hào)狀態(tài)，燈亮起表示輸出高電平，燈不亮表示輸出低電平。接線窗口與編碼鎖嚙合插入。

2.2.2 控制流程

根據(jù)煤炭礦井提升機(jī)運(yùn)行流程，PLC 控制系統(tǒng)由控制部分、調(diào)節(jié)部分、監(jiān)控部分、上位界面組成[2]。控制部分是煤礦提升機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行的保障，為雙PLC 備用冗余控制，一主一副，當(dāng)主控PLC 出現(xiàn)短期、無法解除的故障時(shí)，啟動(dòng)備用PLC 控制器以完成控制。調(diào)節(jié)部分為故障反饋較少的直流調(diào)節(jié)。監(jiān)控部分通過視窗控制中心（Windows Control Center，WinCC）的工控軟件編譯上位界面，可視化展示數(shù)據(jù)。監(jiān)控部分與調(diào)節(jié)部分之間設(shè)置局域網(wǎng)，以滿足煤礦統(tǒng)一自動(dòng)化管理要求。上位界面可顯示提升與后備保護(hù)、故障自診斷、電源回路保護(hù)狀態(tài)、各路控制信號(hào)狀態(tài)、速度液壓機(jī)壓力、提升機(jī)實(shí)時(shí)位置、異步電動(dòng)機(jī)定子電流、速度運(yùn)行圖（含異步電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速）、安全回路狀態(tài)以及各個(gè)組成部分狀態(tài)等參數(shù)，支持操作者在遠(yuǎn)程監(jiān)控上位機(jī)上進(jìn)行必要傳感器參數(shù)設(shè)定、提升機(jī)松繩故障的調(diào)節(jié)處理等操作。

在煤炭礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制過程中，系統(tǒng)運(yùn)行模式可設(shè)為應(yīng)急、低速、手動(dòng)、主動(dòng)4 種狀態(tài)。無故障時(shí)，煤炭礦井提升機(jī)為主動(dòng)或手動(dòng)模式；上位監(jiān)控部分發(fā)現(xiàn)故障并確定檢修位置后，系統(tǒng)為低速運(yùn)行模型，速度為0.5 m·s-1；系統(tǒng)遇到未知重大故障時(shí)，轉(zhuǎn)為應(yīng)急模式，緊急停止。各個(gè)狀態(tài)切換時(shí)采用多點(diǎn)接口（Multi Point Interface，MPI）+ 程序總線網(wǎng)絡(luò)（Process Field Bus，PROFIBUS）的雙網(wǎng)絡(luò)連接。在可編程控制器接收信號(hào)后，系統(tǒng)將信號(hào)劃分為終端施閘、立即施閘、報(bào)警、電氣制動(dòng)多種類型，并根據(jù)信號(hào)類型轉(zhuǎn)換自動(dòng)、手動(dòng)、低速、應(yīng)急等狀態(tài)。

2.2.3 功能實(shí)現(xiàn)

行程控制程序是煤炭礦井提升機(jī)變頻調(diào)速正常運(yùn)作的保障，由主用或備用PLC 控制器自動(dòng)跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)變頻控制[3]。行程控制系統(tǒng)由2 臺(tái)可編程控制器獨(dú)立運(yùn)行，互相測(cè)控。同時(shí)，根據(jù)軟件安全運(yùn)行要求，將深度指示儀失效、超速（含等速段、爬行段、減速段）、上下過卷、松繩、備用PLC 控制器失效、主用PLC 控制器失效、閘故障、液壓站油壓過高、變頻器故障以及異步電動(dòng)機(jī)編碼器失效等故障信號(hào)串聯(lián)。當(dāng)其中一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，立即切斷安全回路，并自動(dòng)處理故障。以超速故障自動(dòng)處理設(shè)計(jì)為例，前期定義煤炭礦井提升機(jī)的上升過程速度、下降過程速度，并設(shè)定提升機(jī)上升過程中箕斗所載負(fù)載為同一速度，設(shè)定下降環(huán)節(jié)箕斗載人時(shí)速度與箕斗載物時(shí)速度為不同數(shù)值。程序運(yùn)行時(shí)，判定煤炭礦井提升機(jī)運(yùn)行方向，對(duì)比速度傳感器反饋的實(shí)際速度值、速度定義值。當(dāng)確定實(shí)際速度值超出速度定義值后，自動(dòng)將超速信號(hào)反饋到軟安全回路，驅(qū)動(dòng)警示燈發(fā)出警報(bào)。

閘控程序由PLC 與液壓站配合實(shí)現(xiàn)恒定減速，主控PLC 經(jīng)輸入輸出端口、網(wǎng)絡(luò)接口與閘控PLC 之間進(jìn)行信息交互。閘控PLC 向主控PLC 傳輸油溫、油壓、控制閥動(dòng)作狀態(tài)、超溫、超壓、低壓等信號(hào)；主控PLC 則向閘控PLC 傳輸緊急停車、正常停車、敞閘及其他必要信號(hào)[4]。

3 變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用效果

在變頻調(diào)速裝置制作完成后，利用煤炭礦井停產(chǎn)檢修時(shí)間進(jìn)行安裝。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、試運(yùn)轉(zhuǎn)，該裝置在各種工作狀況條件下均可滿足煤礦提升工藝要求，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著[5]。

在煤炭礦井深度為262.3 m 時(shí)，現(xiàn)行高壓變頻運(yùn)行最高頻率為46.25 Hz，運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為61 s，加速段、等速段、爬行段、減速段的時(shí)間分別為13 s、25 s、12 s、11 s，等速段速度為6.86 m·s-1，爬行段速度為1.15 m·s-1，最大速度為7.40 m·s-1。這些數(shù)據(jù)表明煤礦提升機(jī)變頻調(diào)速裝置運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間準(zhǔn)確，不隨負(fù)載變化、操作人員操作差異而變化，達(dá)到煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，可規(guī)避超速運(yùn)行隱患。同時(shí)，變頻調(diào)速裝置可將能量回饋給電網(wǎng)，節(jié)能效率超過30%。

4 結(jié)語

矢量型高壓變頻器在煤礦提升機(jī)中的應(yīng)用，有助于提升煤礦提升機(jī)的運(yùn)行能效。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)立足空間矢量變換理論，結(jié)合煤礦提升機(jī)的提升高度及電機(jī)功率，增設(shè)高壓變頻器控制系統(tǒng)。使原工頻與新安裝變頻調(diào)速系統(tǒng)共用PLC 控制中心，將高壓部分兩路供應(yīng)電力能源，一路為工頻正常使用，一路為變頻作為備用。這樣才能充分發(fā)揮變頻調(diào)速優(yōu)勢(shì)，降低煤礦提升機(jī)運(yùn)行中的能耗。