提升机变频调速系统设计

金鹏生，吕洪胜，王福顺

（山东黄金股份有限公司新城金矿，山东 莱州 261400）

矿井提升机是矿山竖井、斜井的主要生产运输设备，用于提升升降人员、设备，在地面和井下进行往复运行，是地面、井下唯一的联系通道。为适应实际运行工况，矿井提升机在运行过程中，需要运行加速、减速、正转、反转等多种模式。另外，矿井提升机的运行时间长，耗电量大，故障率高。矿井提升机电控系统的研究最早开始于1958 年，洛阳矿山机械厂设计并制造的国内第一台DJ2×4 型多绳摩擦式提升机、JK/JKE 单绳缠绕式/内装式提升机。20 世纪90 年代引入交-交变频调速提升控制系统，可获得较宽的调速范围，调速平滑性以及机械特性也较好。随着智能控制技术、过程控制技术的发展，以PLC 控制器及变频器为核心的提升变频控制系统能够实现四象限运行，速度调节精确，可通过监控平台直观监测提升机的运行状态，可通过故障监测系统及时发现故障并根据故障提示进行故障恢复。为适应矿井提升机多模控制、减少耗电量、降低故障发生率，设计并实现基于闭环矢量控制的提升机变频调速系统。

1 提升机变频调速系统的设计

变频调速系统的应用旨在确保当提升机系统在载荷突变的情况下能够实现对提升机的无级调速，从而避免对系统造成冲击，提升提升系统的稳定性和安全性。针对提升机变频调速系统的设计，本文着重对变频器的选型、控制方案进行阐述。

1.1 变频器工作原理

所谓提升机变频调速指的是系统通过调整电机的频率达到对提升机提升速度的无级控制。其控制原理如式（1）所示：

式中：n 为电机转速，f 为三相异步电动机的运行频率，s 为三相异步电动机的转差率，p 为三相异步电动机的极对数。

分析式（1）可知：提升机的提升速度与其三相异步电机的运行频率成正比。我国电网频率范围为0Hz ～50Hz。因此，基于变频调速可实现提升速度的平滑调速。

1.2 变频器的选型

变频器的选型需主要考虑两方面的因素：其一，其功率范围需符合提升机电控系统中三相异步电动机的额定功率的要求；其二，要求变频器能够确保提升机在载荷突变的工况下具备低频转矩的提升能力。

综合考虑上述两方面的因素，所选变频器的型号为西门子公司的5HK62-5B 变频器。

2 PLC电控系统硬件构成分析

2.1 PLC 选择分析

所设计提升机变频调速监控系统以PLC（可编程逻辑控制器）为核心，所用PLC 控制器为西门子公司生产的S7 系列，具有通讯能力强、标准化程度高、运行性能好、可靠性强等诸多优点。该系列PLC 控制器具有微型、小型、中高性能3 种，在使用时需要结合实际情况有针对性地选择。

2.2 系统外围硬件选择分析

2.2.1 高压真空开关柜

该设备是整个提升机变频调速监控系统运行的动力源头，其主回路选用双回路进线的方式，2 条进线回路均引自不同的母线，并能够手动切换，从而确保作业中一条线路发生故障后，能够及时通过另一条线路供电，确保供电有效性。同时，高压真空开关柜配设有高效断电装置，能够有效规避运行中的特殊情况。例如规避带电接开关、带负荷下推车等，提升作业安全。此外，高压真空开关柜还具备检测欠压、绝缘、接地等功能，可对线路运行故障进行实时监测，并通过系统内配设的电能计量表监测相关数据，为系统运行提供数据支持。

2.2.2 变压装置

此次设计中所选用的变压装置为干式变压装置，多布设于室内，其拥有不锈钢外壳，可实现F 级绝缘，运行时可将输入的高压转化为适用于变频装置、泵站、液压站等作业的低压。

2.2.3 低压开关柜

该装置内设有空气接触器、继电器、控制开关等组件，并配设了不间断电源，可以为系统运行的关键设备提供备用电源。作业时，只有当低压电源发生故障时，备用电源才会启动，以确保系统运行的稳定性和有效性。

3 变频控制方案分析

3.1 变频装置构成分析

变频装置的构成组件主要包含ACU（辅助控制单元）、NDCU（传动单元）、ISU（供电单元）、ICU（进线单元）和FIU（滤波单元）等。

3.2 变频装置控制分析

在作业过程中，变频装置的输出电压和频率与电机转矩、转速有很大的关系。因此，通过对变频装置输出电压和频率的调控，便可实现对电机转速的调控。

3.2.1 V/f 控制分析

为了确保提升机作业时具备更好的速度特性，在确保电机磁通不发生变化的前提下，更改电源频率。整体来说，V/f（电压/频率）控制器结构简洁，多采用开环控制的方式，通常在使用中无法实现良好的控制效果，因此，需针对转矩实施补偿，从而实现变低速转矩特性的效果。

3.2.2 转差频率控制

转差频率控制以V/f 控制为基础，结合电动机实际运转时的电源频率和运行所需转矩，对变频装置输出频率进行调控。

3.2.3 矢量控制

矢量控制的原理为，基于磁场定向原理，借由对异步电机转矩电流的调控，实现对电机转矩的调控。主要控制流程为，将异步电机定子电流的矢量分解为产生转矩和磁场电流分量2 个，并分别控制它们，进而实现对2 个电流分量的分别控制。

3.2.4 直线转矩控制

直线转矩控制的核心是，将转矩作为中心，对转矩和磁链进行调控。在控制作业过程中，直线转矩控制无法进行螺旋坐标的转换，仅是通过对电机定子电压和电流的监测，测算出电机运行的磁链和转矩，并借由与预设值的比对，确定差值，从而实现对其运行的直接控制。

4 上位机组态设计分析

4.1 上位机结构与功能分析

4.1.1 上位机监控结构分析

为了进一步提高提升机运行的安全性和可靠性，要实现对监控终端监控数据的集中管控。因此，上位机需要实时监测提升机的运行位置和状态等。如此一来，一旦系统出现故障后，上位机能够第一时间发现问题并发出预警。

4.1.2 上位机所需功能

上位机所需功能主要包括：①对提升机实时运行状态进行立体、精准地确定和呈现。②当提升机运行过程中出现故障后，上位机能够立即显示故障发生位置，从而指导作业人员及时排除故障。③提升机常规作业过程中上位机可以实时统计各个监控装置的数据。④提升机运行中的部分操作，比如跳闸、手柄给定、深度校正等能够借由上位机远程操控。⑤具备完善的查询功能。上位机可以存储记录之前整个月的作业数据，以便于作业人员随时查询前期数据，更好地了解设备的运行状况。

4.2 上位机配套软件设计分析

上位机运行配套所需软件采用WINCC 视窗控制中心进行设计，设计作业时，先打开WINCC 操作界面，建立单用户项目；随后在WINCC 中构建PLC 运行所需的I/O 端口和中间M 点变量；最后再结合提升机监控项目运行的相关要求，在WINCC 图形便捷装置中绘制电压、电流显示，运行曲线显示，深度显示等状态图。

5 变频调速系统应用效果

提升机系统中应用变频调速系统的主要目的是实现对提升机速度的平滑控制、达到节能的效果。因此，将从对提升机速度的控制效果和节能效果两方面验证变频调速系统的应用效果。

5.1 平滑调速功能的验证

将变频调速系统应用于我矿提升机的控制系统中。该提升机的主要任务是运输，其在一次往返运动过程中对提升速度控制曲线如图1 所示。

图1 变频调速系统对提升速度的控制效果

如图1 所示，提升机初加速距离为7m，整体加速距离为73m，带起达到8.38m/s 时，系统以恒定速度运行370m，而后开始减速。在整个行程过程中，提升容器的速度变化曲线均是平滑过渡的，也就是说提升机速度在相邻两个运行阶段中速度的切换相对平稳，满足平滑调速的要求。

5.2 节能效果的验证

变频调速系统应用于提升机的实际生产过程中，提升机在低速区运行的时间明显较以往调速系统的时间长。经统计结果表明，基于变频调速系统，提升机在低速区运行的时长约占一个周期的30%。此外，基于变频调速系统的制动控制，实现了采用能耗单元对提升机的制动，此举不仅避免了提升机在制动过程中的机械冲击，而且还具备一定的节能效果。总之，基于变频调速系统可直接节能为20%。

此外，变频调速系统的应用减少了液压元器件的应用，从而减少了对液压元器件的损耗，直接降低了损耗件的更换费用。

综上所述，自变频调速系统应用于杜儿坪矿提升机的控制系统一年后，直接节约电能和设备维护费用约为9 万元。

6 结论

提升机作为综采工作面的关键运输设备，是金属矿山生产的咽喉部位。在实际生产中，由于载荷突变且频繁启停对提升机造成一定的冲击，进而降低了提升机的寿命，直接影响了综采工作面生产的效率和安全性。为此，将变频调速系统应用于提升机的控制系统中，实现对提升机的行程、制动以及操作等方面的控制，不仅能够实现对提升容器速度的平稳、无级控制，而且还能够降低提升机的能耗，达到节能的效果。