矿井提升机调速系统设计

范瑞波

（大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司，山西大同037100）

矿井提升机是煤矿生产中不可或缺的设备，具有运行速度快、控制复杂、特性复杂、惯性质量大等特点，运行环境恶劣，是连接煤矿井下和地面的重要装置[1]。整个矿井提升机系统中，电控装置是电气传动界的一个热门研究方向，其技术水平代表着矿井提升机的整体水平。常规的控制系统存在的主要缺点与不足之处有效率低、能耗高、可靠性差、操作复杂、故障率高等。在电气传动系统中引入变频调速技术是保障提升系统安全高效运行的一个重要的发展方向[2]。

1 矿井提升机电控系统种类与要求

提升机电控系统主要有直流和交流2种类型。全数字直流调速系统由电抗器、晶闸管变流器、数字调节单元和直流快速开关等组成，其核心为微处理器。由于全数字直流调速系统可以使直流调速系统的可靠性和精度得到有效提高，因此直流调速系统目前应用较为广泛。

交流提升机电控系统主要有以下3种形式[3]：（1）高压变频调速系统，由相关电器和高压变频调速装置组成；（2）串电阻调速电控系统，由串电阻调速、绕线电机和可编程控制器安全工艺控制组成；（3）基于晶闸管交变频调速系统，适用于低速控制、功率大的情况。

根据矿井提升机的工况特点，须达到以下几点要求：（1）具有良好的过载能力和启动性能，可以高精度地平滑调节速度；（2）加速度达到国家安全生产规程的相关要求，满足四象运行；（3）有完善的故障监测装置；（4）具备可调闸控制系统；（5）速度给定装置要求调速方便且范围大、速度平稳、准确可靠；（5）具有行程控制器和显示控制器。

2 变频调速系统总体结构

矢量变频调速控制是变频器+PLC变频调速系统的变频的控制方式[4]，该调速系统是调节电子供电频率而控制电机的转速。PLC可以监控和保护提升系统，使提升系统更加可靠安全。

在煤矿井下的恶劣工作环境中，变频调速能够使提升机的自然机械特性与机械特性基本平行，同时起到良好的节能作用。

整个系统由变频器、动力装置、操作台、液压站以及控制监视系统，总体结构如图1所示。

图1 矿井提升机变频调速系统总体结构图

变频调速器可将输入工频电能转换成频率可调的电能，并提供给交流电动机控制其转速。动力装置的作用是为运送物料或人提供动力，主要由制动器、主电机、减速器、卷筒和底座组成；控制监视系统在提升系统中发挥纽带连接的作用，可对整个系统故障时和正常工作时的相关参数进行在线监测；矿井提升系统的控制核心是操作台，设置2个手柄用于速度辅助给定和制动力给定的2个手柄，可控制提升机的加速、减速、平稳运行、启动及停车等各项工作。

3 变频调速控制系统工作原理

依据矢量控制思想对整个系统依进行设计[5]。380V的三相动力电源由隔爆接线腔的R、S、T三个接线柱接入隔爆主腔内，逆变器对工频三相交流电进行变频后，输出预定频率的交流电，从而驱动电机工作。变频器输出频率与电动机输出速度呈线性变化，从而实现调速。

在矿井提升机运行时，PLC编程设定的主速度曲线可对提升机的运行进行控制，A/D转换器对该曲线进行转换后，使其成为能够控制变频器运行的曲线。主电动机的转速信号可由经旋转编码器进行检测并传递给PLC，PLC接收到该信号以后，根据此对提升机的运行距离进行计算。操作台发布控制提升机运行的命令。通过与PLC的通信，控制监视系统显示出电动机的各种实时工况，操作人员可据此进行分析诊断和故障处理。

4 变频控制部分设计

图2为变频调速系统主电路图。该变频器具有接地保护、短路保护和过载保护功能，采用无速度传感器矢量控制和拟传导技术，主要零部件功能如下所述[6]。

图2 变频调速系统主电路图

4.1 空气断路器

空气断路器是电力拖动系统和低压配电网络中非常重要的一种电器，具有控制和保护功能。它不仅可以对短路、欠压、过载进行保护，频繁的启动电机，还能够完成接触和分断电路外。选择空气断路器应注意以下3个参数：额定极限短路分断能力、额定运行短路分断能力和主触头允许通过的最大额定电流。

4.2 交流接触器

交流接触器可以起到启动和切断电源的作用，利用主接点来开闭电路，用辅助接点执行控制命令，广泛用于低压电路中。交流接触器有电磁式、永磁式和真空式3种；主要由触头系统、灭弧装置、电磁系统、绝缘外壳及附件等组成。

4.3 交流电抗器La

实际应用表明，电抗器和变频器配合使用不仅可以减少变频器谐波对电网的污染，还可以提高变频器的功率因数，并可避免过浪涌电流和电压对变频器造成冲击。电抗器布置在变频器输入端，抑制谐波传向电网，减轻谐波干扰其他电器设备，限制电网上的冲击电流和电压的异常波动。

4.4 噪声滤波器LB

该装置是一种有效抑制无线电干扰的模拟式电路或器件。运行过程中，设备产生的高密度、宽频谱的电磁信号充满整个工作空间，产生的电磁环境会干扰设备的正常运转。噪声滤波器具有以下作用：（1）防止电源设备对电路的控制工作受到外来电磁噪声的干扰；（2）防止电源负载的工作受到外来电磁噪声的干扰；（3）抑制其他设备及电源设备自身产生的EMI。

5 PLC控制部分设计

PLC控制具有保护监视和控制主令操作等作用，是本系统的关键环节。保护监视功能主要指对过卷、超速、过载、行程等内容进行监视，如果这些内容发生异常情况时，通过安全回路或报警能够报闸停车；主令操作控制是操作台和提升机间的指令传递，改变对应电控系统的工作状态，从而使提升机按理想的速度图和力图工作。

5.1 PLC控制特点

对于一般提升机的电控系统，采用PLC大大可简化原来TKD系统。PLC编程具有如下几个显著特点：（1）抗干扰能力强，可靠性高；（2）具有较强的适应性和灵活性；（3）功能实现简单；（4）开发周期短；（5）维修方便；（6）体积小，能耗低；（7）性价比高，功能强。

5.2 下放和提升

提升机下放时，按下下降按钮，K2吸合，闭合常开触点，断开常闭触点，形成下降闭锁；提升时，按下上升按钮，K2吸合，使K1回路断开，形成上升闭锁。

5.3 停车和启动

使矿井提升机停车时，机械报闸制动以后，按下停止按钮，继电器失电，断开常开触点，动力电源与变频器断开；提升机启动时，按下启动按钮，输出继电器便吸合，闭合常开触点，三相电便接入调速回路。

5.4 工频和变频

正常工作时，继电器KM3失电，继电器KM2得电，为变频调速运行。变频器接入调速回路，并接受PLC反馈信号和操作台控制信号，进行调速控制。当需要对电机进行点动调节时或变频器出现故障时，按下工频按钮，使继电器KM3闭合，继电器KM2断开，电机进入工频状态。

6 结束语

矿井提升机是矿井的咽喉，是矿井生产必不可少的设备。本文结合矿井提升机的实际工况，结合应用变频器和PLC，改造现有电控系统，能够使提升机S形速度给定得到很好的实现，对保障矿井安全高效生产具有重要意义。