礦井主提升機電控系統(tǒng)的優(yōu)化研究

黃國亮

(平煤股份建井一處，河南 平頂山 467000)

一 系統(tǒng)概況

平煤某煤礦采用多繩摩擦提升機，由功率2800kW的交流同步電動機驅(qū)動，變頻器為交直交三電平拓撲結(jié)構(gòu)并配有水冷系統(tǒng)。隨著礦井提升機電控系統(tǒng)對供電網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的要求不斷增加和供電質(zhì)量的下降，變頻器功率模塊被燒壞的可能性也大為增加，為保證礦井能夠高效運轉(zhuǎn)，決定對提升機的電控系統(tǒng)進行優(yōu)化，配置新一套電控系統(tǒng)與老系統(tǒng)互為備用，引進了某公司生產(chǎn)的全數(shù)字提升機電控系統(tǒng)進行改造。

二 提升機電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

新的提升機電控系統(tǒng)包括高低壓供電系統(tǒng)、變流裝置、定轉(zhuǎn)子切換柜、全數(shù)字矢量控制器、操作臺、PLC網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、上位機。采用“交直交主回路+交流同步電機+PLC網(wǎng)絡(luò)控制+全數(shù)字調(diào)節(jié)控制+上位機診斷監(jiān)控”的模式。

1.控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由三個S7300PLC站、Profibus-DP和MPI總線組成，MPI以組態(tài)配置保持全局通訊，所有需要交換的數(shù)據(jù)均保存于一個配置表中，Profibus-DP根據(jù)主從協(xié)議調(diào)用通訊模塊，進行編程通訊。將保護PLC設(shè)為主站，其余兩個PLC設(shè)為從站，由模擬量，數(shù)字量，編碼器計數(shù)模塊來采集現(xiàn)場信號，并通過程序編碼為指揮提升機運行的操作信號。記錄軸編碼器所產(chǎn)生的脈沖并進行量化處理，測算出箕斗的行程與速度，將其輸入調(diào)節(jié)系統(tǒng)對礦井提升機進行監(jiān)視和保護。控制系統(tǒng)給予STEP7軟件，通過結(jié)構(gòu)化和模塊化的思想完成提升機的自動、手動和檢修，實現(xiàn)加速、等速、爬行、減速和停車的功能，并可提供各種保護功能。

礦井提升機的去向信號、開車命令及提升類別信號送入PLC的輸入端，經(jīng)處理輸出各種指令或保護信號。主控PLC通過程序控制高壓換向器首得電，使高壓信號送入主電動機定子繞組，主電動機接入全部轉(zhuǎn)子電阻啟動，然后依次切除8段電阻，實現(xiàn)自動加速，最后運行在自然機械特性上。

交流提升機運行時，旋轉(zhuǎn)編碼器跟隨主電動機轉(zhuǎn)動，輸出2列A/B相脈沖，分別接到主控PLC的高速計數(shù)HSCO的A/B相脈沖輸入端，由主控PLC根據(jù)A/B脈沖的相位關(guān)系，自動確定HSCO的加、減計數(shù)方式。

2.變頻調(diào)速系統(tǒng)

全數(shù)字變頻調(diào)速器為DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，采用32為數(shù)字信號處理器，從而實現(xiàn)對單位功率因數(shù)的控制、速度閉環(huán)控制、矢量控制和電流閉環(huán)控制及故障診斷。

系統(tǒng)主回路為二極管箝位雙三電平拓撲結(jié)構(gòu)。整流與逆變結(jié)構(gòu)相同，出線側(cè)、進線側(cè)每相各串聯(lián)4個功率器件，二極管起續(xù)流與鉗位作用，直流母線能夠輸出半電壓、零電壓和正負電壓三種電平。與兩電平結(jié)構(gòu)功率器件相比，三電平結(jié)構(gòu)功率器件的電壓僅為前者的一般，能夠有效減少變頻系統(tǒng)的干擾，降低電動機與功率器件所承受的電壓，其開關(guān)頻率僅為兩電平結(jié)構(gòu)的1/2，能夠有效減少系統(tǒng)開關(guān)損耗，且拓撲結(jié)構(gòu)對實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計、增強系統(tǒng)可靠性和維護性也有十分明顯的作用。

在系統(tǒng)控制方面，通過高性能矢量控制法將電動機與功率變化裝置實現(xiàn)調(diào)速，對網(wǎng)側(cè)諧波、網(wǎng)測功率因數(shù)、電動機定子側(cè)等系統(tǒng)指標(biāo)進行控制，使系統(tǒng)在較小進線電抗和較低開關(guān)頻率運行，實現(xiàn)能量的雙向流動，避免變頻器對電網(wǎng)的污染。通過PWM電路的控制能夠使輸入電流接近正弦波，功率因數(shù)接近1.整流側(cè)的控制目標(biāo)位保持輸入電流與輸入電壓的同相位、反相位，保持直流母線電壓穩(wěn)定，通過有源前端技術(shù)能夠有效控制有功和無功電流，是進線側(cè)的功率因數(shù)為1.JIANG給定直流母線電壓和實際直流母線電壓輸入控制器，得出給定有功電流與無功電流，并在測量進線側(cè)進線電流，進行三相至兩相變化的坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換產(chǎn)生實際有功電流與無功電流，并將其與給定有功電流與無功電流相比。經(jīng)比例和積分控制器及比較環(huán)節(jié)后，在PWM的調(diào)制與IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷后產(chǎn)生需要的直流母線電壓。在直流母線電壓保持穩(wěn)定時，電動機做功后能量將由網(wǎng)側(cè)流向電動機側(cè)，電動機機制運行后，直流母線電壓升高，能量有電動機側(cè)流向網(wǎng)側(cè)，以滿足四象限運行工況。

3.上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)為研華工控機+組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)，組態(tài)軟件WinCC即Windows Control Center，能夠?qū)崿F(xiàn)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)、處理歷史數(shù)據(jù)、過程控制、安全報警、動畫顯示、打印報表和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。監(jiān)控系統(tǒng)包括7個子系統(tǒng)，即高低壓供電系統(tǒng)、提升系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)、故障記錄系統(tǒng)、速度圖系統(tǒng)、電控原理展示系統(tǒng)和歡迎界面。系統(tǒng)啟動后，用戶可根據(jù)畫面選擇窗口，按照提示進行操作。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，不管用戶當(dāng)前位于哪個界面，屏幕都會立即彈出紅色警告小窗口，顯示出故障發(fā)生位置和時間，若顯示了較多的故障信息，則可拖住滾動條進行查找，故障處理結(jié)束后，窗口也會自動消失，故障未被排除之前也可手動關(guān)閉警告窗口。

三 總結(jié)

將可編程程序控制器引入礦井提升電控系統(tǒng)，不僅加強了系統(tǒng)對故障的判別能力，也將極大地提高系統(tǒng)的安全可靠性和生產(chǎn)效率。該煤礦在對礦井提升機的電控系統(tǒng)進行了以上完善并調(diào)試后，礦井主提升機的提升電流、提升速度和提升周期等指標(biāo)均有了很大的提高，達到了性能要求，且監(jiān)控操作與保護功能也較為完善，礦井提升機的可靠性大大提高，有效避免了因控制系統(tǒng)故障、變頻驅(qū)動系統(tǒng)故障而導(dǎo)致的提升機停車故障，極大的促進了礦井的持續(xù)生產(chǎn)，使其經(jīng)濟和社會效益大大提高，故該方案具有良好的推廣價值。

［1］何萬庫.礦井提升機交流拖動系統(tǒng)的變頻調(diào)速改造［J］.起重運輸機械.2010(01).

［2］樊秀芬.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦用多機驅(qū)動帶式輸送機的應(yīng)用［J］.煤礦機電.2010(04).