基于变频控制的提升机负荷不均衡系统研究

吴水章，秦玉忠

（1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039）

矿井提升机在连续运行过程中，由于装载料斗装料时颗粒不均匀、密度不一样、每个料斗装载的深浅不一致等因素，导致每个料斗装载的料重不相同；再加上巷道中坡度有一定的起伏差异、轨道宽窄的微小差异、空气阻力等自然条件的影响都可能会造成提升机负荷不均衡现象，因此造成负荷时而偏大，时而正常，影响提升机的正常运行，特别严重时可能跳闸或产生严重故障，导致提升机停运，影响正常生产。为此，针对提升机的负荷不均衡特点对它的控制系统进行研究和设计。

1 控制系统硬件和软件

依据AQ 1035—2007 煤矿用单绳缠绕式矿井提升机安全检验规范、《煤矿安全规程》（2016 版）及其他相关规范对提升机电气控制的要求，设计提升机PLC 控制系统。PLC 控制系统框图如图1。

提升机PLC 控制系统[1]主要包括变频器、PLC控制部分和传感器及其他信号等。

1）变频器选用艾默生CT SPM 系列变频器，它具备异步电动机参数自整定测试、自动辨识、自适应功能，可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对异步电动机进行有效的矢量控制[2]。

图1 PLC 控制系统框图Fig.1 Block diagram of PLC control system

2）PLC 控制部分采用西门子S7-1200PLC，配置数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、RS422/485 通讯模块等[3]，实现提升机起/停、安全保护、润滑站及液压站的启停配合等连锁控制。配有触摸屏，实时显示提升机系统运行状态参数。PLC 开关量输入信号包括增量编码器脉冲信号、操作台控制信号、变频器信号、制动液压站和润滑站信号、过卷过速闸间隙等传感器信号, 增量脉冲编码器用来测量提升机的绳速和相对位置[4]。PLC 开关量输出信号包括制动油泵、润滑油泵电机控制、主电机风扇控制、主电机正反转控制、电磁阀中继、报警指示、故障指示等。

3）设置打点信号，方便司机实现信号联络；配有数字电压电流表，检测主电机的电压和电流。电机温度通过铂热电阻检测后进入温度巡检仪，通过RS485 通讯传给PLC 处理。

软件程序设计采用模块化、功能化结构，便于维护、扩展和调试。系统程序由主程序、初始化子程序、高速计数子程序、流程控制子程序、故障处理子程序、数据循环处理子程序、中断子程序等组成[5]。

控制系统设有半自动、手动、检修、验绳、应急开车等操作方式[6]。检修和手动时提升机司机按工艺流程分别单独启停润滑泵、制动泵和变频器；半自动时提升机司机只需按下提升机启动或停止按钮，控制系统则按流程和工序依次启停润滑泵、制动泵、变频器等[7]。

2 控制系统策略

为了解决提升机负荷不均衡问题，分别采取以下策略解决[8]：

1）提升机转速电流双闭环矢量控制功能。变频器电机控制方式一般分3 种方式：标量V/F 控制、开环矢量控制和闭环矢量控制。闭环矢量控制就是使用反馈装置的电机控制，在提升机驱动主电机轴上安装1 个增量型编码器，将其信号反馈给变频器，具有零速满转矩功能。采用闭环时，规定时间内的常规过载值明显优于开环模式的相应值。针对提升机在运行过程中负荷不均衡的特点，艾默生CT SPM 系列变频器提供了一种转速电流双闭环控制方案，提升机速度电流双闭环逻辑框图如图2。图2 中2 个调节器分别为转速调节器和电流调节器，二者串级连接，即把转速调节器的输出作为电流调节器的输入。再用电流调节器的输出去控制IGBT 逆变器的触发装置[9]。

2）电源进线滤波功能。电源侧增加进线电抗器，可降低因相位不平衡或电网严重干扰造成的驱动器损坏，同时降低谐波电流。若采用额外线路电抗，建议增加的电抗器压降为2%左右。如有必要亦可采用更高值，但可能会因压降引起驱动器输出损耗（高速时转距降低）。电抗器电流额定值连续电流额定值：不低于驱动器连续输入电流额定值。重复峰值电流额定值：不低于驱动器连续输入电流额定值的2倍。所需额外电感为：

式中：L 为电感，H；Y 为进线电抗器压降百分比，%；U 为线间电压，V；f 为电源频率，Hz；I 为驱动器额定输入电流，A。

图2 提升机速度电流双闭环逻辑框图Fig.2 Double closed loop logic block diagram of ropeway velocity current

3）能耗制动功能。驱动器使电机减速，或因机械干扰阻止电机加速时，即发生制动，制动能量由电机返回驱动器。驱动器制动电机时，驱动器可吸收的最大再生电源等于驱动器功耗（损耗）。缺省状态下，驱动器以PI 控制制动电机，PI 控制必要时会延长减速时间以避免直流母线电压超出用户定义之设定点。若希望驱动器迅速降低电机速度或吸收发电负载能量，则须安装制动电阻器。40 ℃时制动电阻最小阻值及峰值额定功率见表1。表1 中*为独立驱动器设定最小电阻值。当驱动器作为公共直流母排系统的一部分时，该值需重新设定。在没有直流母排连接的并行系统中，电阻值必须在±5%以内。高惯性负载或连续制动情况下，制动电阻连续功耗可能高达驱动器额定功率水平。制动电阻总功耗取决于从负载中汲取的能量。瞬时额定功率指脉宽调制制动的开通期间最大短时功耗。制动电阻须可承受较短间隔（毫秒）的功耗。较高的电阻值，要求按比例降低瞬时额定功率。多数场合下，制动仅偶尔启动。因此，制动电阻的额定功率一般远低于驱动器额定功率。但是，制动电阻的瞬时额定功率及额定能量须足以应付可能出现的极限制动情况。制动电阻器优化须仔细考虑制动负载。所选制动电阻阻值不得低于指定的最低电阻值，较大电阻值可节省成本，且制动系统出现故障时可保证安全。但若所选电阻值过高，制动能力反而会下降，导致驱动器在制动过程中故障跳脱。

4）变频器调速范围及调速精度。变频器采用带速度编码器反馈的闭环控制方式，使系统调速范围宽、调速精度高。变频器开环与闭环矢量控制方式调速范围和调速精度比较见表2。

表1 40 ℃时制动电阻最小阻值及峰值额定功率Table 1 Minimum resistance value and peak rated power of brake resistance at 40 ℃

表2 开环与闭环调速范围和精度比较表Table 2 Comparison of speed range and accuracy between open loop and closed loop

5）高速计数功能检测速度。在提升机滚筒主轴上安装1 个增量型编码器，将编码器脉冲信号送给PLC，通过高速计数方式计算提升机牵引绳出绳线速度。

6）电流检测功能。电流检测通过变频器获取，一种方式是通过变频器模拟量输出端子直接送给PLC模拟量处理；另一种方式通过RS485 通讯方式直接从变频器读取电流。

7）制动油压恒定功能。制动泵油压由比例溢流阀控制，比例溢流阀电流由PLC 模拟量输出模块输出的4～20 mA 电流通过功率放大器提供；油压通过压力变送器来检测；通过提供恒定的电流获得恒定的制动油压，当油压发生变化时可动态的调整模拟量模块输出电流来保持油压的恒定[10]。

3 结 语

基于变频控制的提升机负荷不均衡系统, 采用西门子PLC 作为提升机控制系统核心，通过艾默生CT SPM 系列变频器闭环矢量控制方式实现宽范围高精度调速、平稳启停，配置制动单元加能耗电阻实现位能负载和加减速产生的能量释放；具有转速电流双闭环矢量控制、电源滤波、能耗制动、高速计数、电流检测、制动油压恒定等功能；设有半自动、手动、检修等操作方式，根据工艺流程实现润滑泵、制动泵、电磁阀和变频器的正常启停，达到速度可控、负荷动态均衡处理、降耗增效的目的。

通过合理选型，采用艾默生CT SPM 系列变频器闭环矢量控制，利用西门子PLC 集中控制，很好地动态解决了提升机在复杂条件下产生的负荷不均衡问题，提高了生产效率，降低了能耗，保证了提升机安全可靠运行。