提升机变频调速系统的设计与验证

赵转梅

（山西焦煤西山煤电杜儿坪煤矿机电科外维一队， 山西 太原 030022）

引言

鉴于煤炭是我国国民经济增长的核心动力，在未来很长一段时间内其仍然在我国能源结构中占据主导地位。为提升综采工作面的产煤效率，除了从根本上改善采煤工艺，提升采煤技术，还需提升工作面综采设备的自动化水平和可靠性、稳定性。提升机作为综采工作面的关键运输设备，其主要任务是实现物料、设备以及人员在工作面和地面之间的运输[1]。为了确保提升机与其他综采设备的生产效率相匹配，需从提升其稳定性和安全性对提升机进行改造。变频调速系统是提升提升机运行稳定性和可靠性的主要措施，本文基于PLC 和变频器设计一款适用于工作面的变频调速系统。

1 提升机系统的总体设计

1.1 提升机系统的组成

为确保提升机满足实际生产的需求，提升机系统如图1 所示。

图1 提升机系统的构成

如图1 所示，提升机系统主要由主轴装置、减速器、电动机、电控系统、液压制动系统以及深度指示器等组成[2]。本文所设计提升机变频调速系统的载体为JKMD 型号提升机，该型提升机的关键参数如

表1 JKMD 提升机关键参数

1.2 提升机系统设计要求

要求所设计的提升机系统满足如下要求：

1）提升机系统满足《煤炭安全规程》的相关要求；

2）要求系统具有完备的保护功能，实现对提升系统运行的保护；

3）要求系统具有自检功能，且对自检数据保存时间至少为3 天；

4）当系统运行出现故障时，要求系统具有欠压、过流、短路以及松绳等保护功能[3]。

1.3 提升机系统的结构

提升机系统总体设计结构框图如图2 所示。

图2 提升机系统总体设计框图

如图2 所示，提升机系统包括主控系统、监测系统、信号处理系统以及交流变频调速系统。本文着重对其中的变频调速系统进行设计。

2 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[4]。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。

2.1 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0～50 Hz。因此，基于变频调速可实现提升速度的平滑调速。

2.2 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[5]。

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。

3 提升机变频调速控制系统的设计

变频调速控制系统的设计主要针对提升机的行程控制、制动控制以及操作控制三部分。

3.1 行程控制

基于变频调速系统，对提升机的行程控制主要包括提升过程的控制和下降过程的控制。

对于提升过程而言，包括有抱闸—启动恒加速运行（中速启动运行）—恒减速运行（低速运行）—恒加速运行（高速运行）—恒减速运行（停车减速）- 抱闸。对于下放过程而言，为提升过程的逆过程。

基于行程控制实现了变频调速系统对不同阶段提升机速度的控制，对避免提升机过卷、过放、脱轨等事故的发生具有显著意义。

3.2 制动控制和操作控制

基于变频调速系统，使用能耗单元可实现对提升机的制动。基于上述制动方式能够避免提升机在制动过程中出现机械冲击和快速下滑的现象。此外，通过控制变频器的正转和反转，实现对提升机的提升和下降操作，即基于变频调速系统实现对提升机的操作控制。

4 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。

4.1 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煤矸石，其在一次往返运动过程中对提升速度控制曲线如图3 所示。

图3 变频调速系统对提升速度的控制效果

如图3 所示，提升机初加速距离为7 m，整体加速距离为73 m，带起达到8.38 m/s 时，系统以恒定速度运行370 m，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。

4.2 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。

5 结语

提升机作为综采工作面的关键运输设备，是煤矿生产的咽喉部位。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。