提升机负荷不均衡控制系统中变频控制技术的应用研究

（晋能控股煤业集团同家梁矿 山西 037025）

前言

当矿井提升机处于工作状态时，通常装载料斗中转载的物料颗粒不均匀以及深浅不一致等，导致出现料斗重量不一致的现象。此外，由于巷道中坡度存在一定的差异性，轨道宽窄存在一定的不同或者空气阻力等，这些都会将导致提升机负荷出现不均匀的现象，不利于提升机正常工作，严重时将导致提升机出现停止运行。因此，需要探究提升机不均匀的特点，进而对控制系统进行优化设计。

1.控制系统硬件和软件

图1 PLC控制系统框图

通过分析我国现行的《煤矿安全规程》对提升机电器控制系统进行设计，如图1表示PLC控制系统框图。

通常PLC提升机控制系统包括如下几个单元：第一，变频器；第二，PLC控制单元；第三，传感器与信号开关等。

（1）变频器选用艾默生CT SPM，可以实现对异步电机参数进行如下操作：第一，自动识别；第二，自适应；第三，整定测试，能够对异步电机的参数进行识别，同时依据内部设置的控制算法进行调整，最终能够对异步电机进行控制。

（2）PLC选用德国西门子57-1200PLC，通常在其内部设有如下几个单元：第一，数字输入输出单元；第二，模拟量输入输出单元；第三，RS422/485通讯单元等。通常PLC开关量输入信号包括如下几个信号：第一，增量编码器方面的脉冲信号；第二，来自于操作台的控制信号；第三，变频信号；第四，来自于制动液压站的信号；第五，来自于润滑站的信号等。与此同时PLC开关量输出信号包括如下几个：第一，制动油泵信号；第二，主电机风扇控制信号；第三，电磁阀中继电器信号；第四，报警指示信号；第五，故障指示信号等等。

（3）在于司机视线信号交互时可以宣红打点信号，给主机电压与电流设置相应的数字电流与电压表，这样可以更好地对其进行检查。

对于软件而言，可以选用模块化以及功能化的形式，从而有利于后期的维护，以及调试等。通常系统程序包括如下几个程序：第一，主程序；第二，初始化程序；第三，高速计数程序；第四，流程控制子程序；第五，数据循环程序；第六，故障处理与中断程序等。

2.控制系统策略

为了能够有效地解决提升机在负荷不均的现象，可以选用如下解决办法：

（1）提升机转速电流采用双闭环矢量控制功能，一般变频器电机有三种控制方式：第一，标量V/F控制；第二，开环矢量控制；第三，闭环矢量控制。通常情况下，闭环矢量控制主要设置一个反馈装置的电机，同时需要在提升机驱动主电机轴上设置一个增量型的编码器，进而可以将信息反馈给变频器，同时可以实现零速满转矩。当选用闭环时，在规定时间内的过载数值大于处于开环状态下的数字。鉴于提升机载荷不均匀的现象，可以通过变频器中设置的转速电流双闭环措施。通常情况下，可以在提升机调速方案必须包含两个调节器：第一，转速调节器；第二，电流调节器。通常将两个调节器串联连接起来，这样可以将转速调节器输出转化成为电流调节器的输入。

（2）电源进线滤波功能。通常可以在电源侧设置进项电抗器，这样能够避免因不平衡造成驱动器出现故障，与此同时对谐波电流进行控制。假如选用额外线路电抗，可以将电抗器压降低到2%范围内。电抗器电流额定值不能驱动连接器输入电流的额定值。对于重复峰值电流额定值而言，规定其不能小于驱动器输入电流的2倍。相应的额外电感计算公式如下：

式中：L表示相应的电感，单位为H；Y表示相应的进线电抗器压降百分比，单位为%；U表示相应的线间电压，单位为V；f表示相应的电源频率，单位为Hz；l表示相应的驱动器额定输入电流，单位为A。

（3）能耗制动功能。驱动器可以借助电机进行减速或者采用机械的方式阻止电机加速，从而发生制动现象，这样所产生的制动能量即返回了驱动器。当驱动器对电机进行制动时，驱动器所吸收的功率为驱动器功耗。当处于节电过程中，那么驱动器可以借助PI对制动电机进行控制，PI控制可以对减速时间进行延长，从而可以有效地避免出现直流母线电压超过设定值。假如想借助驱动器降低电机速度，那么可以设置制动电阻器。表1表示相应的40℃制动电阻最小值以及相应的峰值额定功率，其中*表示独立驱动器下的最小电阻值。通常可以将驱动器当做公共直流母线，必须对该数值进行再次设置。假如该线路并未设置直流母排连接，那么相应的电阻值设定在15%以内。当处于连续制动的过程中，那么制动电阻不间断的消耗能量将超过驱动器设定值。通常情况下，制动电阻必须能够负担以毫秒为单位的功耗。假如出现较大的电阻值时，从而可以依据设定的规定有效地降低瞬时额定功率。由于在工作的过程中，制动器启动的次数相对较差。那么相应的驱动器额定功率往往大于制动电阻的额定功率。可是在使用的过程中，制动电阻瞬时额定功率必须满足极限条件下的制动情况。同时在对制动器进行优化的过程中，必须充分考虑制动负载的情况。因此制动电阻阻值必须大于设定的最低电阻值，从而在制动器出现故障时能够有效地起到安全维护的作用。假如电阻值过高，那么将出现制动效果不佳的线性，从而严重导致驱动器出现故障。

表1 40℃时制动电阻最小阻值及峰值额定功率

（4）变速器的调速以及相应的精度，在编码器中变频器设置有带速编码反馈闭环控制系统，从而可以满足各种范围的调速。表2表示变频器开环以及相应的闭环矢量控制的调速范围与精度。

表2 开环与闭环调速范围和精度比较表

（5）具有高速计数功能检测速度，将增量型编码器设置在提升机滚筒轴上面，当接收到编码器脉冲信号时，将其传输给PLC，从而能够借助高速计数功能对提升机的出绳速度进行计算。

（6）电流检测功能，通常可以借助变频器得到电流检测的结果，主要表现为如下两个方面：第一，借助变频器输出端子将模拟量传输给PLC，并且进行处理。第二，借助RS485将数据传输给变频器，并且对信号进行读取。

（7）制动油压恒定功能，通常情况下，制动泵油压主要借助比例溢流阀实现油压的控制，而制动帮油压主要通过比例溢流阀进行控制，同时PLC模拟量可以通过比例溢流阀进行控制。

3.结语

该系统控制的核心为西门子PLC控制单元，同时借助变频器内部设置的闭环矢量实现高精度宽范围的控制，保证提升机平稳的启停，从而可以实现配置制动单元的能量消耗与加减速产生的能量释放。该系统具有如下几个方面的功能：其一，转速电流双闭环矢量控制；其二，能耗制动；其三，电流检测；其四，电源滤波；其五，高速计数等。同时设置各种操作方式，进而操作人员可以依据工艺流程对润滑泵、制动泵以及电磁阀的得失电进行控制，从而可以有效地控制速度，实现降耗增效的目的。

经过分析选用艾默生CT SPM变频器，同时选用西门子PLC进行控制，能够较好地处理提升机负荷不均衡的问题，从而能够有效地提高工程效率，最大限度的降低能耗，从而有效地保证提升机安全可靠的运行。