副井提升機變頻改造設計研究

董軍豪 杜慶楠

摘 要： 礦山生產離不開礦井提升機的應用。礦井提升機發(fā)揮著運輸材料、設備的積極作用，本文重點結合副井提升機變頻改造設計原則、設計需求和相關性能展開研究，以期實現(xiàn)礦井運作的安全、正常性。

關鍵詞：提升機；變頻改造；設計

當前礦山交流提升系統(tǒng)一般選擇“異步電機+轉子串電阻加速+高壓接觸器換向+動力制動、減速+PLC邏輯操作”的控制模式。該模式不利于節(jié)能降耗，無法保證運作效率；且調速質量低，安全系數(shù)不高；控制模式有待創(chuàng)新、技術水平不先進。而針對副井提升機進行的變頻改造，省去諸多繁瑣流程，達到節(jié)能調速目的，提升系統(tǒng)安全性。

1 分析提升機技術參數(shù)

以某礦井為例，取單繩纏繞類副井提升機，型號為2JK-2.5×1.2；卷筒直徑為2500mm；減速器速比值為1：30。其中，鋼絲繩最大靜拉力值90kN、直徑為28mm、靜拉力差值為55kN。提升斜長≤600m；提升速率為3.15m/s。

2 副井提升機變頻改造設計規(guī)范

現(xiàn)階段，國內礦山生產過程中副井提升機的變頻改造設計，需要遵循以下七方面設計法則，即《煤礦安全規(guī)程》、《煤礦地面單繩纏繞式提升系統(tǒng)設計規(guī)格》、《礦山電力設計規(guī)范》、《交流傳動礦井提升機電控設備技術條件》等。

3 系統(tǒng)構建

3.1 變頻調速柜

變頻調速，主要基于電源轉變頻率與電壓兩大參數(shù)項。變頻器可以借助開閉環(huán)、編碼器、矢量、總線和頻率與力矩這些因素，進而生成多類控制模式。該系統(tǒng)所選擇的變頻調速柜，參考規(guī)范傳動和變頻器，取 ACS80-04-0610-7-200KW-380V 四象限能量回饋，特征如下：

第一，此變頻器選擇直接類轉矩控制（即 DTC）的現(xiàn)代化電機控制方案，借助逆變設備的通斷功能，調整電機變量參數(shù)，及轉矩與磁通。變頻器在辨識電機運作的過程中，可迅速構建精準度高的電機模型，電機電流值與直流回路電壓值的檢查頻率為2.5μs/次，保證電機轉矩與磁通數(shù)值的精準度。而比較器的功能在于精確對比電機轉矩與磁通及控制器運算而形成的規(guī)范參數(shù)值，可實時明確逆變器的運作模式，保證副井提升機的高效運作。

第二，DTC 和一般PWM 磁通矢量傳動的差異體現(xiàn)在：DTC的開關運作均取決于獨立的電機轉矩與磁通。

第三，現(xiàn)代化的IGBT 功率模塊。該模塊的開關頻率較高。而本文所闡述的副井提升機變頻率主要為IGBT 回饋，其特征包括不需要能量對電路進行吸收；功率模塊與觸發(fā)電路一體化；器件數(shù)量降低可保證安全性。

第四，電動機零速滿轉矩。如ACS800 變頻器控制電機，能夠保證電機無測速儀器的狀態(tài)下實現(xiàn)可以零速啟動，迅速輸出滿轉矩，改善了副井提升機運作過程中的下滑隱患。

第五，安全精確的能源回饋技術。在電動機減速制動過程中，可利用逆變器運作時的再生功率來加大變頻調控器下的直流母線電壓。通過變頻器內部的芯片可作出相關指令內容，保證能源回饋系統(tǒng)的安全運行；使得電動機在減速制動過程中、放置重物過程中所形成的再生能源回饋至電網(wǎng)，保證副井提升機可于任一負載狀態(tài)中變頻調速。

第六，現(xiàn)代化機械制動應用技術。一旦變頻器處于無力矩輸出狀態(tài)便開啟抱閘，容易形成風險。 ACS800 變頻器采取電流互感器對輸出電流進行監(jiān)測，通過向量分解來明確電機定子磁場方位，核算CPU 、IGBT 調制電壓和頻率參數(shù)。此外，借助通訊網(wǎng)絡把電流和轉矩數(shù)值輸至PLC 柜，整體評估力矩值能否調控夠液壓并開啟抱閘，保證周期的有效性；運作過程中可克服重物形成的摩擦與向上阻力。

3.2 控制方面

第一，PLC 控制柜。構建內容有兩套西門子公司 S7-300 系列PLC 、接觸設備、開關電源和繼電設備。特征體現(xiàn)在：實現(xiàn)副井提升機全面控制性能；多路開關電源，方便操作臺、繼電設備和信號、現(xiàn)場儀表的操作；通訊組網(wǎng)；液晶屏。

第二，PLC需要整合、歸納每一輸入、輸出量的信息數(shù)據(jù)、控制程序以及反饋信息。本文所闡述的系統(tǒng)選擇了兩套西門子公司 S7-300系列，以作備用，有利于實現(xiàn)PLC的安全運作。將通訊網(wǎng)絡建立到變頻器和PLC 、人機界面內，可實時顯示變頻器的關鍵參數(shù)，加強系統(tǒng)運行效率。

4 系統(tǒng)基本功能

1）安全回路冗余。本系統(tǒng)選擇雙 PLC 加硬安全回路繼電裝置，達到“雙線制”冗余調整與全方位的風險預控機能。2）強化速率、行程檢測性能。系統(tǒng)可滿足速率與行程檢測的全方位要求，精確值>0.05m，主要通過人機交互界面、數(shù)字式、模擬圖形等來顯示；一旦電流高出額定值的 115%，則可以自行報警。3）自主降速性能。系統(tǒng)可自性傳遞降速控制信號，且設置聲光信號，保證可在運作過程中自行降速。4）故障狀態(tài)記憶。制動停車過程中，可尋思記憶于人機界面內，并精確反映故障階段容器方位和風險種類。5）斷電記憶。系統(tǒng)在斷電階段，可高效保存參數(shù)信息、副井提升機方位、狀態(tài)等；供電正常后，自行恢復所保存的信息數(shù)據(jù)。6）開車模式多元化。絞車運作狀態(tài)包括自動和手動、檢修模式。a.自動模式：閘和速度的給定為自動化，符合于安全回路下打點信號與路徑記憶，按下自動開車按鈕之后，絞車會遵循已經設置完畢的速度來高效操作。b.手動、檢修模式：閘和絞車速度、路徑的給定操控取決于制動及主令手把。c.選擇先進控制技術來控制閉環(huán)速度，能夠遵循給定參數(shù)在負力減速、負載環(huán)境下安全運作，保證交流拖動系統(tǒng)可在負力背景下滿足直流拖動系統(tǒng)調速要求。副井提升機變頻改造的創(chuàng)新設計，可完善交流繞線式電機轉子串電阻調速對系統(tǒng)的調控，優(yōu)化速率調節(jié)，達到節(jié)能降耗的目的。

5總結

副立井提升機變頻改造設計，有利于優(yōu)化系統(tǒng)功能，控制系統(tǒng)實現(xiàn)柔性化，通過副井提升機的變頻改造設計，免去了電控系統(tǒng)結構的諸多繁瑣內容，使用簡便且編程工作高效，相對于以往的系統(tǒng)維護工作程度來說，已經降低50%左右，耗電量已減少30%，為副井提升機的安全運作提供了強有力的保障。

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作者簡介：董軍豪，本科，主要從事煤礦機電運輸技術管理工作；杜慶楠，河南理工大學電氣工程與自動化學院教授，碩士生導師。