矿井提升机直流调速器的升级改造及应用*

2022-07-26姚竣

云南冶金 2022年2期

姚竣

（彝良驰宏矿业有限公司，云南昭通 657600）

1 提升机调速器功能及原理

提升机作为地下矿山的主要运输设备，在生产中起着重要作用，其工作原理是电机通过减速机及主轴带动卷筒旋转，卷筒上缠绕的钢丝绳拖动提升容器作往复运动，提升位置和速度由安装于电机轴和提升机主轴上的编码器反馈至控制系统和调速器进行控制[1]，如图1所示，其中调速器在提升机中起着力矩、速度等关键功能的控制。综合提升机的原理及控制特点，提升机必须通过调速器实现如下功能：

图1 提升机系统原理图Fig.1 Schematic diagram of hoist system

1）位置控制功能：控制和显示提升机在井筒内运行的任意行程位置；

2）速度控制功能：提升机空载或满载的情况（加速、减速、全速）需通过调速器实现；

3）有重载启动性能，任意载重量情况下任意速度运行；

4）特性曲线要硬，要保障负载变化时，提升速度不受影响，防止负载不同时降速过大，影响提升工作；

5）工作方式容易转换，能方便地进行上提和下放，操作方便、控制灵活。

某矿山在用的大部分缠绕式提升机关键部件直流调速系统都较为老旧，该调速器投入市场已经10余年，受技术条件限制，调速器的调速性能较差，部件老化、故障频发，加之产品逐渐停产，导致购买配件困难、维护成本相对较高等问题，为减少设备故障、降低维护成本、提升设备本质安全，急需对老旧的调速系统进行升级改造。

2 现用调速器存在的问题

某矿山现有6套缠绕式提升机投产年代为2008～2018年，需改造的调速系统主要为DCS500直流调速器，该调速器投运时间较早，不仅部件老化严重、故障频发，而且还存在以下问题。

2.1 信号干扰问题

由于控制器与调速器通讯协议方式不同，大部分的信号传输采用硬线连接，老旧机房受环境限制，布线均不太规范，存在高低压电缆同沟的情况，导致调速器速度反馈信号干扰，运行过程中时常出现超速故障，励磁电流波动较大提升机误报失磁故障[2]。

2.2 调速器加速过程中急停

提升机加减速过程通过调速器内继电器输出，运行过程中继电器高频率的通断使得继电器很快损坏，加减速阶段突然停车，钢绳受到冲击容易发生跑车风险。

2.3 调速器控制精度低

老旧调速器采用电枢电势控制，没有通过转速传感器反馈信号，电机的转速是通过调节电枢电势实现的。这种调速方式转速调节范围只能在电机额定转速以内，其值是装置计算的，调速波动大、控制精度低，负载转矩对速度的影响较大，特别是在加减速阶段存在顿挫感。

2.4 备件购买困难

老旧变流器使用周期较长，部件老化故障频发，加之产品逐渐停产，导致购买配件困难、维护成本相对较高，随着替代产品的推出，最终出现无法采购配件的情况。

3 调速方式的确定

结合提升机的原理及特点及老旧调速器存在的问题，要保证通讯不受干扰、同时在速度变化的情况下要保证转矩同负载相平衡，调速控制可采用转速及电流双闭环控制的方式最佳，为实现转速及电流两种负反馈分别起作用，可设置两个调节器[3]，分别调节速度和电流，速度负反馈同电流负反馈二者间实现嵌套连接，把转速调节器的输出用作电流调节器的输入，再用电流的输出器控制变换器，在结构上电流作为内环，转速作为外环，形成速度、电流控制双闭环系统。系统能实现电机最大电流（转矩）受限的情况下，充分利用电机允许过载的能力，在过渡过程中始终保持电流为允许最大值，使得电力拖动系统尽可能以最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立刻降下来，从而进入稳态运行。

西门子6RA80调速器的转速调节器利用速度给定值和实际速度值进行比较，根据它们的差值，输出相应的电流给定值到电流调节器，为了实现较好的动态响应，在调节回路中还设有预控制器[4]，这样可以通过转速调节器输出的附加转矩给定值来实现转速调节，该附加给定值同传动系统中的摩擦和转动惯量有关，可通过自动优化来确定补充量。

电流调节器是一个PI调节器，电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检查，经过负载电阻、整流，再经过模数转换后，送至电流调节器，电流调节器的输出为触发装置的控制角，同时用于触发装置的预控制器。

该装置的额定直流电流范围为（12～2 800）A，还可通过采用并联的方式提高额定电流的范围，直流装置型号可根据电枢整流电路分为四象限和两象限调试装置，其中两象限采用一组三相全控桥式整流电路，四象限调速装置采用两组三相全控桥式整流电路，该电路无环流反向并联电路，该调速功能可以实现提升机任意负载、任意速度的平稳运行，加减速平滑过渡，图2为四象限运行时晶闸管-电动机系统的结构示意图。

图2 四象限运行时晶闸管-电动机系统的结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of thyristor-motor system during four-quadrant operation

4 西门子6RA80直流调速器选择

6RA80 SIMOREG DC MASTER系列调速器由电枢单元、励磁单元、速度调节器、电流调节器、电枢反电势闭环控制单元、斜坡函数发生器、给定值处理器、输入接口控制器等组成[5]，各部分的控制功能由2台微数字处理器完成，通过参数设置将软件程序进行“连接控制”。

该调速器为全数字四象限紧凑型整器，外形尺寸同老旧调速器相近，调速器自带prfbus端口可采用通讯及硬线方式同控制器之间给定及反馈信号能形成冗余控制，调速器内部的继电器采用了光耦[6]，同时调速器可根据需要设置选择所需的双环等控制方式。

5 调速器改造步骤

拆除老旧的调速器，安装6RA80调速器，对照图纸接好电源线，将信号线及通讯线接入新调速器，检查确认保证无误，通电正常后开始调试。

5.1 调试步骤

5.2 输入输出功能设定

5.3 速度设定

5.4 优化调试

6 应用效果

西门子6RA80直流调速器通过在某矿山1#、2#、3#斜井升级使用，解决了提升机调速系统老化、备件购买困难等问题，并取得了以下效果：通过在主回路前端增加了进线电抗器，以减少进线电源波动及对传动系统造成的干扰；将主控系统加减速减速继电器使用光电偶与调速器进行连锁控制[7]，增加了以太网、PROFIBUS-DP网通讯，较之前的单一I/O点硬线控制，避免了干扰导致运行速度波动问题，实现主控制器、辅助控制器同调速器的冗余联锁保护[8]。

总之，将原调速系统改造为西门子6RA80直流调速系统，经过一年多的运行，调速系统运行稳定、故障率低，控制精度高，为其他矿山提升机的使用、升级改造提供了宝贵的借鉴经验，值得推广运用。