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一、概述
九龍礦副井提升電控系統(tǒng)于2001年改造后投入使用至今已接近十年，提升機電機傳動控制采用轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速控制，調(diào)速精度低；通過真空開關(guān)切換、換向需要留有足夠的操作時間，動態(tài)響應(yīng)慢，尤其處于低速爬行時段操作難度較大，整個提升周期不能進(jìn)一步縮短，降低了提升機的使用效率；設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、維護工作量大、檢修時間長，同時傳動系統(tǒng)效率低、能耗浪費較大；已經(jīng)處于加速淘汰的趨勢。
由于電子技術(shù)的高速發(fā)展，許多設(shè)備及其采用的技術(shù)已經(jīng)面臨更新改造甚至全面淘汰的狀態(tài)，尤其是近年高壓變頻技術(shù)的成熟和高壓變頻產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，對提升機電控系統(tǒng)技術(shù)性能和整體運行、控制方式的改進(jìn)起到了關(guān)鍵的推動作用。
改造后通過高壓變頻控制電機可以實現(xiàn)軟啟動、軟停機，無需換向柜等開關(guān)設(shè)備即可根據(jù)電控指令，自動按照最理想的提升機速度曲線圖實現(xiàn)平滑的啟、停、調(diào)速和換向，通過能量回饋實現(xiàn)電子制動，無需通過施閘減速制動實現(xiàn)精確定位,極大提高了自動化程度,降低了操作、維護人員的勞動強度，提升機的使用效率、系統(tǒng)的傳動效率均大幅提高，在提高提升產(chǎn)量的同時實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。
二、 基礎(chǔ)參數(shù)與運行工況
九龍礦副井使用洛陽礦山機械廠JKM3.25/4型多繩摩擦式提升機，滾筒直徑3.25m，提升高度717m，提升容器為一噸礦車雙層四車罐籠，提升速度8.7m/s，采用630kw雙電機拖動，電機型號：YR118-10，定子電壓6000V、定子電流81A、轉(zhuǎn)子電壓745V、轉(zhuǎn)子電流516A。
副井提升運行工況比較復(fù)雜，每勾提升重量都有差異，且正、負(fù)力提升頻繁，調(diào)速方式為轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速屬有級調(diào)速，調(diào)速范圍受限，調(diào)速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉(zhuǎn)子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差。在減速時和下放重物時，投入動力制動，不僅消耗外加直流電能，而且還將電動機上的再生電能消耗在轉(zhuǎn)子串接的電阻上，浪費了大量的電能，且運行維護量大、維護費用高、勞動強度大。
三、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與變頻調(diào)速的運行特性
1、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的運行特性
此方式通過可控硅切換，在電機的轉(zhuǎn)子回路串入不同阻值的電阻，起到調(diào)速運行的作用。
在電機啟動之初，所有短接開關(guān)處于分?jǐn)辔恢茫须娮璐?lián)接入電機的轉(zhuǎn)子回路。當(dāng)電機加速至一定轉(zhuǎn)速時，閉合最靠中性點側(cè)的短接開關(guān)，電機轉(zhuǎn)子所串電阻減少，隨著電機進(jìn)一步加速，絞車司機通過操作主令手柄依次閉合另外幾組短接開關(guān)，直至所有電阻被短接，電機運行至最高速。
在高速段，由于串入的電阻較少，因此電阻上損耗所占比例不大，但在低速段，如電機的爬行階段和加速起步階段，電網(wǎng)提供的絕大部分功率被電阻所消耗，浪費了大量的電能。
2、變頻調(diào)速的運行特性
變頻調(diào)速的運行方式是指將電機的轉(zhuǎn)子繞組短接，通過變頻器內(nèi)的電力電子器件將工頻電網(wǎng)50Hz的電壓轉(zhuǎn)換成其他頻率的電壓，加在電機的定子繞組上。通過調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機運行在期望的轉(zhuǎn)速上。
變頻調(diào)速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差頻率控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過對電機的建模運算，實現(xiàn)電機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，具有最優(yōu)的控制性能。本文所述安弗森系列高壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應(yīng)礦井提升機負(fù)載的需要。
在矢量控制方式下，變頻器能夠根據(jù)測量到的電壓、電流信號以及事先測得的電機參數(shù)，根據(jù)內(nèi)建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉(zhuǎn)矩和電機轉(zhuǎn)速。而后根據(jù)該轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的偏差，對輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)，如需要的輸出轉(zhuǎn)矩大于設(shè)定的“最大轉(zhuǎn)矩”，按照最大轉(zhuǎn)矩輸出。
四、安弗森變頻器系統(tǒng)組成及功能
1、高壓系統(tǒng)
采用真空高壓開關(guān)柜，其中：2路高壓電源進(jìn)線、2路高壓饋電、1路高壓聯(lián)絡(luò)柜、1路高壓母聯(lián)開關(guān)柜，采用真空斷路器，配彈簧儲能電動操作機構(gòu)。
2 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)裝置
（1) 變頻器與PLC電控硬連接
變頻器和PLC電控采用硬連接：電控把開關(guān)量正向起停、反向起停、緊急停機、模擬量頻率給定送給變頻器，可以控制變頻器運行；變頻器把開關(guān)量運行、故障、就緒、模擬量輸出電流、輸出頻率給電控系統(tǒng)，即可以正常工作。配合如下圖所示。
（2) 變頻器柜體介紹
變壓器柜：變壓器柜內(nèi)裝有為功率單元提供三相電源的移相變壓器。柜門上設(shè)有干式變壓器溫度控制儀，為變壓器提供溫度告警和過熱保護。柜前門內(nèi)側(cè)裝有行程開關(guān)，當(dāng)柜門打開時告警。柜后門裝有電磁鎖，當(dāng)高壓電進(jìn)入柜內(nèi)，電磁鎖自動鎖死，需用專用的電磁鎖鑰匙才能打開柜子的后門。
單元柜：單元柜內(nèi)安裝的功率單元和三相電抗器分成三組，每組排列成一排，每組串聯(lián)成一相，每相串聯(lián)6個功率單元和三相電抗器。串聯(lián)后A1、B1、C1三個功率單元Y形短接，三相最后三個單元A6、B6、C6輸出接高壓輸出室的接線銅排上。在短接處的電纜上穿有霍爾電流傳感器，檢測輸出電流。
3、低壓配電柜
雙回路進(jìn)線，為電控系統(tǒng)的輔助設(shè)備供電，并實現(xiàn)雙電源切換。配有UPS不間斷電源，以便在主電源故障情況下，能夠使皮帶機實現(xiàn)可靠的安全制動，為計算機提供電源，保證計算機的運行和數(shù)據(jù)保持。
4、提升數(shù)控柜
安弗森的雙套不同配置的AN1系列可編程控制器。雙PLC之間既有軟件上的聯(lián)鎖，還有硬件上的聯(lián)鎖和看門狗電路，對PLC的運行進(jìn)行監(jiān)視，防止因為PLC死機或其他意外原因造成PLC故障時能及時監(jiān)測并參與安全保護。
主控PLC由主機架、電源板、CPU板、通訊板、高速計數(shù)板、模擬量I/O板、數(shù)字量I/O 板、調(diào)制解調(diào)器等硬件組成，輸入輸出口留有一定的余量。主控PLC應(yīng)用軟件能完成提升機手動、半自動、檢修、換層、慢動、緊急控制開車等運行方式的控制要求。
5、保護功能設(shè)置
（1）立即施閘的故障：高、低壓電源斷電故障、直流快速開關(guān)跳閘、勵磁回路故障、電樞回路故障、提升容器過卷、調(diào)節(jié)及控制回路故障、主電機失磁、制動系統(tǒng)油壓故障、提升系統(tǒng)超過最大速度15%及減速段過速10%、2m／s定點過速、鋼絲繩滑動超限、錯向操作、按下安全制動鈕、電源斷電、快開跳閘、主回路過壓、過流、主回路失壓等。
（2）先按設(shè)定減速度減速，然后緊急停車的故障：定子、轉(zhuǎn)子及變流器發(fā)生局部故障、主機軸瓦過熱、變壓器溫度偏高、運行過程中通風(fēng)機故障、信號電源欠壓、液壓制動系統(tǒng)油溫偏高、液壓制動系統(tǒng)油位偏低、閘瓦磨損、閘盤偏擺、彈簧疲勞等。
（3）完成本次提升后，不允許再次開車的故障：主電機超溫、低壓電源漏電、信號電源接地及其它接地故障、室溫過高、控制柜溫度過高等。
6、網(wǎng)絡(luò)化操作臺
輔控PLC除了具備電子數(shù)字監(jiān)控器的功能外，操縱臺上需要從PLC輸入、輸出口進(jìn)行接線的，均從輔控PLC就近接線，輔控PLC安裝在操作臺臺體內(nèi)，并與主控PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，各種信號線通過通訊電纜完成，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。操作臺上裝有指示燈、儀表、選擇開關(guān)、按鈕、音響設(shè)備、數(shù)字深度指示器等，能實現(xiàn)提升機運行的各種控制工藝的要求。
7、軸編碼器與測速發(fā)電機
主軸傳動裝置上的軸編碼器信號進(jìn)入主控PLC，導(dǎo)向輪傳動裝置上的軸編碼器信號進(jìn)入輔控PLC，作為兩路完全獨立的數(shù)字行程監(jiān)控器的位置信號，通過網(wǎng)絡(luò)通訊，兩路數(shù)字監(jiān)控器相互比較、冗余控制，實現(xiàn)速度的包絡(luò)線保護、鋼繩滑動、位置閉環(huán)控制，確保數(shù)字監(jiān)控器的準(zhǔn)確、可靠、安全。
主軸傳動裝置上的測速機用于速度保護，與數(shù)字監(jiān)控器的速度進(jìn)行比較監(jiān)視進(jìn)一步確保數(shù)字監(jiān)控器的可靠性。
五、變頻改造后效益分析
改造提升機用變頻器是在原提升機電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代原工頻調(diào)速系統(tǒng)，同時保留工頻調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運行的可靠性。
改造之后：
1、實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩(wěn)可靠。
2、啟動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。
3、啟動轉(zhuǎn)距、低頻轉(zhuǎn)距、制動轉(zhuǎn)距均符合規(guī)定要求。
4、運行速度曲線成S形，使加、減速平滑，無撞擊感。
5、遠(yuǎn)控及顯示正常，操作方便、觀測直觀。
6、安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設(shè)有連鎖保護、自動限速保護功能等。
7、當(dāng)減速及重物下放時，能實現(xiàn)制動回饋。
六、總結(jié)
針對目前國內(nèi)交流變阻調(diào)速提升機存在的速度控制性能差、能耗大，不易操作的現(xiàn)狀，礦井提升機大功率變頻器，滿足了提升機的各種運行方式，具有調(diào)速性能好、安全可靠、運行平穩(wěn)、操作簡單、低頻轉(zhuǎn)矩大、節(jié)電效果顯著、功率因數(shù)高、諧波含量低等優(yōu)點。
尤其是采用了再生制動方式的變頻器，使提升機在減速段或重物下放操作時變頻器能自動轉(zhuǎn)入發(fā)電反饋狀態(tài)，使制動更平穩(wěn)，操作更簡單，有速度傳感器的矢量控制的應(yīng)用，使得變頻器具有低頻轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑、調(diào)速范圍廣、精度高、操作簡單的特點，運用了高壓變頻器的成熟技術(shù)，使得運行安全穩(wěn)定、故障率低、基本免維護，技術(shù)先進(jìn)、保護齊全，操作方便，節(jié)能效果顯著（與原電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可節(jié)電10%-30％以上），功率因數(shù)高（0.95以上），諧波含量極少，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。
四象限高壓變頻器在交流提升機轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造及新提升機電控系統(tǒng)配置中，提高了礦山提升機控制技術(shù)和裝備水平。高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)不僅大大提高了礦山交流提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，確保了提升機高質(zhì)量運行，而且其技術(shù)性能達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動，是交流提升機電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。實現(xiàn)提升全過程變頻調(diào)速閉環(huán)控制，滿足提升機各種運行工況及特殊載荷運行條件，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。實現(xiàn)提升全過程變頻調(diào)速閉環(huán)控制、無級調(diào)速和多速度等級運行，滿足副井提升機各種運行工況及特殊載荷運行條件。
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