淺析PLC—高壓變頻器在煤礦提升機上的應用

摘 要：針對交流提升機串電阻調速電控完成PLC改造后存在的缺點，通過改造方案的對比，提出了利用原有PLC引進高壓變頻器的技術改造方案，結果表明改造后運行平穩(wěn)可靠、精度高、節(jié)能效果明顯，縮短了提升時間，取得了良好的效益。

關鍵詞：PLC高壓變頻器；提升機；電控系統(tǒng)

引言

礦井提升機是礦井開采中的重要設備，礦井提升機的安全和可靠運轉不僅關系著礦井的生產(chǎn)，而且還涉及到礦井職工的生命安全，特別是電控系統(tǒng)在很大程度上制約著礦井的安全生產(chǎn)，因此使提升機的電控系統(tǒng)的安全設計成為礦井工程技術人員重點研究的重要課題[1]。對于礦井提升機的電控系統(tǒng)改造來講，不僅要利用好原有的設備，還要將原有設備和新設備密切地配合來保證系統(tǒng)的可靠性。目前，我國礦井提升機普遍采用的是電機轉子回路串電阻調速系統(tǒng)，通過逐級切斷串入的電阻，來達到分級調速的目的。這種調速方法屬于功率消耗型調速系統(tǒng)，耗電量較大；而且這種調速系統(tǒng)的控制性能不夠理想，還會給電網(wǎng)造成很大的諧波影響。提升機調速系統(tǒng)進行改造是必然趨勢，由于變頻調速的調速特性很好，過渡過程非常平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，將變頻調速技術、可編程控制器（PLC）技術應用到提升機電控系統(tǒng)當中，是提升機安全穩(wěn)定運行的可靠保障。

1 礦井提升機的概況

1.1 概述

西馬煤礦副井絞車在上世紀1985年8月安裝，絞車型號：JKM-2.8/4（Ⅱ），洛陽礦山機械廠生產(chǎn)。電機型號YR630-12/1430，哈爾濱電機廠生產(chǎn)。在2004年電控系統(tǒng)進行了技術改進，電控設備采用了天津民益公司生產(chǎn)的TKM-D2-PC2電控系統(tǒng)，采用了PLC-SCR編碼啟動電控系統(tǒng)取代了原來的繼電器-接觸器電控系統(tǒng)；用KDG可控硅低頻裝置代替了原來的KZC動力制動系統(tǒng)。電控系統(tǒng)采用SIEMENS的S7-300型PLC作為控制主元件，S7-200型PLC作為后備保護，實現(xiàn)了雙線保護。轉子切換采用了SLR編碼控制技術，用無觸點的可控硅交流開關切換轉子電阻，將啟動級數(shù)增加至20級。

1.2 目前系統(tǒng)缺點

西馬煤礦副井提升機電控2004年的技術改進，使提升機的安全性能有了進一步的提高，但經(jīng)過八年多運行還存在著缺點。

（1）改造后，仍然是采用交流電動機轉子回路串電阻調速，盡管采用了SCR20級編碼調速，還存在著開環(huán)有級調速，電機加速度難以準確控制，調速精度差，電機啟動電流及切換電流沖擊大，設備運行不平穩(wěn)，存在著電氣及機械沖擊。（2）轉子回路串接金屬電阻，在負力提升和低速時浪費電能嚴重。（3）維修量大，不方便，由于操作時交流接觸器頻繁動作，易造成觸點及線圈的燒壞，轉子更換碳刷頻繁[2]。（4）在減速點換速時，交流電控存在失控區(qū)，換速時電機出現(xiàn)震動，在副井提升特別是負力提升尤為明顯。

2 技術改造的理由

隨著產(chǎn)量、技術、規(guī)程和標準的不斷提高，現(xiàn)有絞車已經(jīng)滿足不了安全生產(chǎn)的需要，必須進行技術改造。改造理由：（1）隨著原煤產(chǎn)量的不斷提升，挖掘工作量急劇上升，在現(xiàn)有提升條件下，副井提升系統(tǒng)滿足不了生產(chǎn)需要。（2）原電控系統(tǒng)有些功能是電參量與機械閘形成閉環(huán)控制，跟隨性很差，導致電氣保護功能、控制精度和可靠性較差，控制系統(tǒng)相關的保護功能失效，系統(tǒng)運行安全得不到保證。（3）有環(huán)流低頻電源裝置元件多，閉環(huán)調節(jié)困難，閉環(huán)控制性能難以得到保障，常出現(xiàn)過流及可控硅損壞等故障，造成緊急制動，影響副井的正常運行[3]。（4）原系統(tǒng)的低頻制動，只是在減速后投入運行，不能保證電氣制動在全程隨時投入。

3 技術改進方案對比

目前，國內比較先進的礦用提升機電控系統(tǒng)有直流控制系統(tǒng)、轉子變頻控制系統(tǒng)和高壓變頻控制系統(tǒng)三種。下面分別對三種調速系統(tǒng)的優(yōu)缺點進行比較。

3.1 直流控制

直流調速的優(yōu)點：調速性能好、調速范圍廣，易于平滑調節(jié)；起動、制動轉矩大；過載能力強、能承受較頻繁的沖擊負荷；系統(tǒng)安全可靠，動態(tài)性能、靜態(tài)性能指標高。缺點：以晶閘管整流設備為基礎的直流調速系統(tǒng)的諧波污染嚴重，功率因數(shù)低，且目前大部分煤礦現(xiàn)有提升機配用的是交流異步電動機。如采用直流調速系統(tǒng)，需將現(xiàn)有提升電機更換為直流電機，相應增加改造成本。

3.2 轉子變頻

轉子變頻的優(yōu)點：適應舊系統(tǒng)升級改造，且系統(tǒng)改造方便，接線簡單；硬件結構簡單，故障點少；啟動及加速過程沖擊電流小，減輕了電網(wǎng)的沖擊；能量回饋節(jié)省電能。缺點：轉子變頻調速時電動機最大電磁轉矩下降；功率因數(shù)低，電流諧波大；調速范圍窄，調速精度比較低；低速時特性變差；對于舊系統(tǒng)改造有一定的局限性。

3.3 高壓變頻

高壓變頻的優(yōu)點：適應舊系統(tǒng)升級改造；電控系統(tǒng)簡單，安裝調試方便；功率因數(shù)高，電流諧波??；調速效率高；調速范圍寬，調速精度高；調速平滑性好；啟動及加速過程沖擊電流小，延長設備壽命；技術先進，可靠性高；恒轉矩低速爬行時速度平穩(wěn)；有效消除了減速失控區(qū)；低速大轉矩，能量回饋效率高；節(jié)能效果顯著。缺點：變頻器的技術復雜；維護檢修困難。

通過對三種礦用提升機電控系統(tǒng)的對比，綜合評價和結合實際情況西馬煤礦副井提升機電控改造選用高壓變頻調速控制系統(tǒng)。

4 方案實施

原有的PLC硬件系統(tǒng)不動，只對提升機的調速系統(tǒng)進行改造。拆除原有的提升機調速系統(tǒng)的設備，保留高壓開關柜、低壓電源柜，升級PLC控制柜、操作臺及監(jiān)控系統(tǒng)，新安裝一套全數(shù)字高壓變頻調速系統(tǒng)。調速系統(tǒng)選用北京合康億盛變頻科技股份有限公司生產(chǎn)的HIVERT系列6kV/1250kW高壓變頻器?？删幊炭刂破鱌LC和高壓變頻器相結合應用于提升機控制系統(tǒng)中，能夠使礦井提升機的控制性能和自動化水平、安全性、可靠性都達到了新的高度，克服了原礦井提升機控制系統(tǒng)存在的可靠性差、故障率高、電能浪費大以及安全保護、閉鎖、監(jiān)測系統(tǒng)不完善等缺點，大大提高了礦井的安全程度和經(jīng)濟效率。

5 PLC-高壓變頻提升機電控系統(tǒng)的特性

（1）采用具有活躍前端能量回饋特性的四象限變頻器，具有優(yōu)良的軟、硬件保護功能和控制功能，實現(xiàn)了高轉矩、高精度、寬調速范圍的變頻驅動方案。（2）具有接近于1的功率因數(shù)和大于95%的能量轉換效率，電流諧波成分少，無須功率補償器和諧波抑制設備。（3）具有類似或優(yōu)于直流電動機的機械特性。運行速度曲線成S形，加減速平滑，無撞擊感。（4）系統(tǒng)具備全面的故障檢測，可靠的故障報警保護功能。安全回路獨立于其它正?；芈?，采用計算機軟保護加高靠性的繼電器雙層保護回路，獨立運行互為安全冗余，其工作狀態(tài)可在監(jiān)視器上監(jiān)視。（5）節(jié)能效果顯著，大大降低了用電量。（6）有效地利用了原電控系統(tǒng)的設備，節(jié)省了投資。

6 效益分析

（1）高壓變頻系統(tǒng)以后，相比原低頻拖動系統(tǒng)仍然降低了電能損耗，經(jīng)統(tǒng)計，2013年6月至2013年11月，共6個月的平均噸煤電耗為1.211kw·h，相比往年同期1.375kw·h降低了11.93%。（2）高壓變頻系統(tǒng)以后，每個提升循環(huán)可節(jié)約10s時間，每小時可比原系統(tǒng)多提升2.72個循環(huán)，提高了副井提升的工作效率。（3）經(jīng)過測試，整個副井提升機系統(tǒng)的功率因數(shù)達到了0.95以上，與原系統(tǒng)相比，提高了0.15以上，對改善電網(wǎng)環(huán)境起到了很好的作用。

7 結束語

文章針對西馬煤礦副井提升機PLC-SCR編碼啟動電控系統(tǒng)存在的缺點，結合生產(chǎn)形勢和煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，提出了利用原有PLC引進高壓變頻器的交流調速技術改造方案。通過實踐證明PLC-高壓變頻器的改造方案是可行的，克服了PLC-SCR編碼啟動電控系統(tǒng)的缺陷，并且取得了良好的效益。

參考文獻

[1]高壓變頻器在礦山提升機上的應用[EB/OL].2012-02-09.

[2]康知平.變頻節(jié)電技術在提升機上的應用[J].煤炭科技，2014，1：67-68.

作者簡介：齊晨曦（1981-），男，遼寧沈陽人，電氣工程師，機電室主任，學士。