礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范瑞波

（大同煤礦集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西大同037100）

礦井提升機(jī)是煤礦生產(chǎn)中不可或缺的設(shè)備，具有運(yùn)行速度快、控制復(fù)雜、特性復(fù)雜、慣性質(zhì)量大等特點(diǎn)，運(yùn)行環(huán)境惡劣，是連接煤礦井下和地面的重要裝置[1]。整個(gè)礦井提升機(jī)系統(tǒng)中，電控裝置是電氣傳動界的一個(gè)熱門研究方向，其技術(shù)水平代表著礦井提升機(jī)的整體水平。常規(guī)的控制系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)與不足之處有效率低、能耗高、可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高等。在電氣傳動系統(tǒng)中引入變頻調(diào)速技術(shù)是保障提升系統(tǒng)安全高效運(yùn)行的一個(gè)重要的發(fā)展方向[2]。

1 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)種類與要求

提升機(jī)電控系統(tǒng)主要有直流和交流2種類型。全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)由電抗器、晶閘管變流器、數(shù)字調(diào)節(jié)單元和直流快速開關(guān)等組成，其核心為微處理器。由于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)可以使直流調(diào)速系統(tǒng)的可靠性和精度得到有效提高，因此直流調(diào)速系統(tǒng)目前應(yīng)用較為廣泛。

交流提升機(jī)電控系統(tǒng)主要有以下3種形式[3]：（1）高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，由相關(guān)電器和高壓變頻調(diào)速裝置組成；（2）串電阻調(diào)速電控系統(tǒng)，由串電阻調(diào)速、繞線電機(jī)和可編程控制器安全工藝控制組成；（3）基于晶閘管交變頻調(diào)速系統(tǒng)，適用于低速控制、功率大的情況。

根據(jù)礦井提升機(jī)的工況特點(diǎn)，須達(dá)到以下幾點(diǎn)要求：（1）具有良好的過載能力和啟動性能，可以高精度地平滑調(diào)節(jié)速度；（2）加速度達(dá)到國家安全生產(chǎn)規(guī)程的相關(guān)要求，滿足四象運(yùn)行；（3）有完善的故障監(jiān)測裝置；（4）具備可調(diào)閘控制系統(tǒng)；（5）速度給定裝置要求調(diào)速方便且范圍大、速度平穩(wěn)、準(zhǔn)確可靠；（5）具有行程控制器和顯示控制器。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

矢量變頻調(diào)速控制是變頻器+PLC變頻調(diào)速系統(tǒng)的變頻的控制方式[4]，該調(diào)速系統(tǒng)是調(diào)節(jié)電子供電頻率而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PLC可以監(jiān)控和保護(hù)提升系統(tǒng)，使提升系統(tǒng)更加可靠安全。

在煤礦井下的惡劣工作環(huán)境中，變頻調(diào)速能夠使提升機(jī)的自然機(jī)械特性與機(jī)械特性基本平行，同時(shí)起到良好的節(jié)能作用。

整個(gè)系統(tǒng)由變頻器、動力裝置、操作臺、液壓站以及控制監(jiān)視系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

變頻調(diào)速器可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能，并提供給交流電動機(jī)控制其轉(zhuǎn)速。動力裝置的作用是為運(yùn)送物料或人提供動力，主要由制動器、主電機(jī)、減速器、卷筒和底座組成；控制監(jiān)視系統(tǒng)在提升系統(tǒng)中發(fā)揮紐帶連接的作用，可對整個(gè)系統(tǒng)故障時(shí)和正常工作時(shí)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測；礦井提升系統(tǒng)的控制核心是操作臺，設(shè)置2個(gè)手柄用于速度輔助給定和制動力給定的2個(gè)手柄，可控制提升機(jī)的加速、減速、平穩(wěn)運(yùn)行、啟動及停車等各項(xiàng)工作。

3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理

依據(jù)矢量控制思想對整個(gè)系統(tǒng)依進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。380V的三相動力電源由隔爆接線腔的R、S、T三個(gè)接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，逆變器對工頻三相交流電進(jìn)行變頻后，輸出預(yù)定頻率的交流電，從而驅(qū)動電機(jī)工作。變頻器輸出頻率與電動機(jī)輸出速度呈線性變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

在礦井提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，PLC編程設(shè)定的主速度曲線可對提升機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，A/D轉(zhuǎn)換器對該曲線進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，使其成為能夠控制變頻器運(yùn)行的曲線。主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速信號可由經(jīng)旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行檢測并傳遞給PLC，PLC接收到該信號以后，根據(jù)此對提升機(jī)的運(yùn)行距離進(jìn)行計(jì)算。操作臺發(fā)布控制提升機(jī)運(yùn)行的命令。通過與PLC的通信，控制監(jiān)視系統(tǒng)顯示出電動機(jī)的各種實(shí)時(shí)工況，操作人員可據(jù)此進(jìn)行分析診斷和故障處理。

4 變頻控制部分設(shè)計(jì)

圖2為變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路圖。該變頻器具有接地保護(hù)、短路保護(hù)和過載保護(hù)功能，采用無速度傳感器矢量控制和擬傳導(dǎo)技術(shù)，主要零部件功能如下所述[6]。

圖2 變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路圖

4.1 空氣斷路器

空氣斷路器是電力拖動系統(tǒng)和低壓配電網(wǎng)絡(luò)中非常重要的一種電器，具有控制和保護(hù)功能。它不僅可以對短路、欠壓、過載進(jìn)行保護(hù)，頻繁的啟動電機(jī)，還能夠完成接觸和分?jǐn)嚯娐吠?。選擇空氣斷路器應(yīng)注意以下3個(gè)參數(shù)：額定極限短路分?jǐn)嗄芰?、額定運(yùn)行短路分?jǐn)嗄芰椭饔|頭允許通過的最大額定電流。

4.2 交流接觸器

交流接觸器可以起到啟動和切斷電源的作用，利用主接點(diǎn)來開閉電路，用輔助接點(diǎn)執(zhí)行控制命令，廣泛用于低壓電路中。交流接觸器有電磁式、永磁式和真空式3種；主要由觸頭系統(tǒng)、滅弧裝置、電磁系統(tǒng)、絕緣外殼及附件等組成。

4.3 交流電抗器La

實(shí)際應(yīng)用表明，電抗器和變頻器配合使用不僅可以減少變頻器諧波對電網(wǎng)的污染，還可以提高變頻器的功率因數(shù)，并可避免過浪涌電流和電壓對變頻器造成沖擊。電抗器布置在變頻器輸入端，抑制諧波傳向電網(wǎng)，減輕諧波干擾其他電器設(shè)備，限制電網(wǎng)上的沖擊電流和電壓的異常波動。

4.4 噪聲濾波器LB

該裝置是一種有效抑制無線電干擾的模擬式電路或器件。運(yùn)行過程中，設(shè)備產(chǎn)生的高密度、寬頻譜的電磁信號充滿整個(gè)工作空間，產(chǎn)生的電磁環(huán)境會干擾設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。噪聲濾波器具有以下作用：（1）防止電源設(shè)備對電路的控制工作受到外來電磁噪聲的干擾；（2）防止電源負(fù)載的工作受到外來電磁噪聲的干擾；（3）抑制其他設(shè)備及電源設(shè)備自身產(chǎn)生的EMI。

5 PLC控制部分設(shè)計(jì)

PLC控制具有保護(hù)監(jiān)視和控制主令操作等作用，是本系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。保護(hù)監(jiān)視功能主要指對過卷、超速、過載、行程等內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)視，如果這些內(nèi)容發(fā)生異常情況時(shí)，通過安全回路或報(bào)警能夠報(bào)閘停車；主令操作控制是操作臺和提升機(jī)間的指令傳遞，改變對應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而使提升機(jī)按理想的速度圖和力圖工作。

5.1 PLC控制特點(diǎn)

對于一般提升機(jī)的電控系統(tǒng)，采用PLC大大可簡化原來TKD系統(tǒng)。PLC編程具有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：（1）抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；（2）具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性；（3）功能實(shí)現(xiàn)簡單；（4）開發(fā)周期短；（5）維修方便；（6）體積小，能耗低；（7）性價(jià)比高，功能強(qiáng)。

5.2 下放和提升

提升機(jī)下放時(shí)，按下下降按鈕，K2吸合，閉合常開觸點(diǎn)，斷開常閉觸點(diǎn)，形成下降閉鎖；提升時(shí)，按下上升按鈕，K2吸合，使K1回路斷開，形成上升閉鎖。

5.3 停車和啟動

使礦井提升機(jī)停車時(shí)，機(jī)械報(bào)閘制動以后，按下停止按鈕，繼電器失電，斷開常開觸點(diǎn)，動力電源與變頻器斷開；提升機(jī)啟動時(shí)，按下啟動按鈕，輸出繼電器便吸合，閉合常開觸點(diǎn)，三相電便接入調(diào)速回路。

5.4 工頻和變頻

正常工作時(shí)，繼電器KM3失電，繼電器KM2得電，為變頻調(diào)速運(yùn)行。變頻器接入調(diào)速回路，并接受PLC反饋信號和操作臺控制信號，進(jìn)行調(diào)速控制。當(dāng)需要對電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動調(diào)節(jié)時(shí)或變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，按下工頻按鈕，使繼電器KM3閉合，繼電器KM2斷開，電機(jī)進(jìn)入工頻狀態(tài)。

6 結(jié)束語

礦井提升機(jī)是礦井的咽喉，是礦井生產(chǎn)必不可少的設(shè)備。本文結(jié)合礦井提升機(jī)的實(shí)際工況，結(jié)合應(yīng)用變頻器和PLC，改造現(xiàn)有電控系統(tǒng)，能夠使提升機(jī)S形速度給定得到很好的實(shí)現(xiàn)，對保障礦井安全高效生產(chǎn)具有重要意義。