多绳摩擦式提升机高压变频控制系统的研究应用

文/郭文秋 程智勇

一、研究背景

矿井主提升机作为矿山设备中的“四大件”之一，是矿井生产的关键设备，是矿井上下生产联系的咽喉。提升系统的安全可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。

葛亭煤矿采用高压变频调速技术和PLC控制技术对主井提升电控系统进行改造并一次性投入运行，极大地提高了主井提升系统的安全运行和生产效率，经济效益和社会效益显著，也符合当前安全第一和节能降耗的发展趋势。

二、控制系统技术研究

在深入分析矿井原主井提升控制系统存在的问题和全面研究国内外矿井提升控制技术的基础上，结合矿井主井提升控制系统运行的实际情况，提出单元串联多电平直接高压型变频调速的总体技术方案。该方案将全数字矢量高压变频技术和PLC控制技术应用于主提升机控制，摒弃了转子串电阻调速中的耗能电阻，实现了提升机在运行过程中的无极变频调速控制的安全保护及自动化控制。

1.高压变频调速控制系统

为保证提升机电控系统稳定可靠地运行，考虑到矿井提升机工作性质和环境的特殊性，在具体设计中注意了抗干扰性、冗余结构、模块式结构和控制系统的设计。在提升机电控系统设计中，采用单元串联多电平能量回馈型四象限高压变频控制系统，该系统应用先进的功率单元串联叠波方式、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法和功率器件IGBT，从原理上保证了提升运行的可靠性，可使变频器的输入输出波形得到极大改善。高压主电路与低压控制电路之间的通讯采用光纤传输，保证电隔离性能安全可靠，系统抗干扰能力强。

（1）高压变频调速柜。全数字高压变频调速柜采用矢量控制变频器，实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动。由具有活跃前端能量回馈特性的四象限高压变频调速装置及其他必要的电器组成，用于向交流电机供电，构成高性能、数字化的高压变频调速系统。调速柜具有能量回馈电网功能，节能效果显著。功率电路模块化，维护简单快速。高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠。具有低速输出转矩大，过载能力强，保护功能齐全，可靠性高等特点，满足了煤矿提升机的工况要求。

（2）高压变频调速器。高压变频器由移相隔离变压器柜、功率单元和控制柜三部分组成。采用矢量控制技术、功率单元串联叠波技术、有源逆变技术、能量回馈等多个先进的技术，形成了具有动态响应快、低速运行转矩大的电动机驱动特性。高压变频器采用交—直—交直接高压方式，主电路开关元件为IGBT，具有很高的可靠性。

（3）智能型主控台。智能型主控台采用操作台式结构，除位置、速度、温度、压力、电流等必要的信号采集传感器和终端执行设备外，所有控制回路及操作全部集中于操作台中。司机可通过操作主控台上的操作手把、开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和人机界面及时了解提升机的运行状态和运行参数。主控部分采用PLC控制器，配以可调闸模块、电源模块、语言报警模块等以及A/D、D/A转换模块，实现提升机的工艺过程控制和各种逻辑保护。主控台具有按行程速度给定、PID速度闭环控制、各类安全保护、自动化开车及各种工作状态显示等功能；具有逻辑编程简单、安全保护可靠、状态显示齐全、语言报警功能，实现与调度室计算机的联网。此外，主控台自身具有应急提升功能，在不加任何外部硬件情况下，当PLC出现问题时，可以实现故障状态下的低速运行。

2.PLC控制系统

提升机电气控制系统采用PLC控制来实现提升全过程的位置控制、速度控制、动态画面监视和绞车系统的各项保护功能，满足电磁兼容性技术要求，抗干扰能力强。

（1）软件结构。采用控制软件和上位机组态软件，控制软件是对提升机的启动、加速、减速、停车等过程控制信号进行采集和逻辑处理，软件设计采用模块化结构，程序编制采用梯形图。

（2）控制程序。程序设置有半自动、全自动、手动、检修和应急运行五种运行方式。正常情况下可采用半自动或手动运行检修；运行时，系统自动给定一个检修速度低速运行；故障时，在系统保护停机后，故障被确认但不能立即排除，此时可采用应急运行方式。

（3）计算机通讯。系统采用两台PLC实现提升全过程的位置控制、速度控制、动态画面监视和提升系统的各项保护，对涉及安全参数的测量环节、安全监视环节和安全回路均采用双线制，互为冗余，且冗余量不低于20%。PLC之间采用RS485通讯方式，可以和管理计算机联网，并能完全满足矿井提升工艺的过程要求，同时系统支持TCP/IP通讯方式，便于与矿井相关系统及矿井综合自动化系统的通讯连接。

（4）监控系统。提升机的动态监测由工控机或触摸屏和组态软件组成，可实现图表、汉字显示及打印，实时报警、轻重故障自诊断，深度、速度、压力等实时显示，提升机运行过程各类关键数据及事故过程记录，作为PLC的上位机，通过通信方式实现监控目的。整个系统监控画面由控制中心、历史曲线、报警窗口、速度曲线、系统说明以及各个电机的电路监控组成，可以看到提升系统的运行方式以及运行环节的工作数据。当有新报警产生时，在控制中心画面上就会出现报警灯闪烁。

三、效益分析

1.提升效率明显

采用变频控制系统后，主电机加速时间每次提升缩短2秒，取消低频拖动时间缩短8秒，每一提升循环总计缩短10秒，每小时提升量增加3钩，按每天20小时运行，每年运行345天，每钩6吨,全年多提煤124200吨，按每吨540元计算，每年新增效益6708.8万元。

2.节电效果非常明显

经实测，在相同工况条件下，提升机运行频率为40HZ，电机出力为70%，原来710KW提升机运行，电机出全力，按每天20小时运行，每年运行345天，据此推算，变频系统在投入运行后，每年可节约电费（0.56元/度）：710×（1－0.7）×20×345×0.56×0.85=699577 元，同时由于设备故障率低，大大减少了检修费用，直接和间接经济效益非常明显。

3.安全性能进一步提高

系统完善的自动化控制、保护和自诊断功能，包括过压保护、缺相保护、过流保护、欠压保护、功率器件过热保护、变压器过热保护、电机过载、过流保护、负载设备监控保护等，有力地保证了矿井主提升的连续运行和安全生产，避免了各类事故的发生。