提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金鵬生，呂洪勝，王福順

（山東黃金股份有限公司新城金礦，山東 萊州 261400）

礦井提升機(jī)是礦山豎井、斜井的主要生產(chǎn)運(yùn)輸設(shè)備，用于提升升降人員、設(shè)備，在地面和井下進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行，是地面、井下唯一的聯(lián)系通道。為適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行工況，礦井提升機(jī)在運(yùn)行過程中，需要運(yùn)行加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等多種模式。另外，礦井提升機(jī)的運(yùn)行時(shí)間長，耗電量大，故障率高。礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的研究最早開始于1958 年，洛陽礦山機(jī)械廠設(shè)計(jì)并制造的國內(nèi)第一臺(tái)DJ2×4 型多繩摩擦式提升機(jī)、JK/JKE 單繩纏繞式/內(nèi)裝式提升機(jī)。20 世紀(jì)90 年代引入交-交變頻調(diào)速提升控制系統(tǒng)，可獲得較寬的調(diào)速范圍，調(diào)速平滑性以及機(jī)械特性也較好。隨著智能控制技術(shù)、過程控制技術(shù)的發(fā)展，以PLC 控制器及變頻器為核心的提升變頻控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行，速度調(diào)節(jié)精確，可通過監(jiān)控平臺(tái)直觀監(jiān)測提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，可通過故障監(jiān)測系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并根據(jù)故障提示進(jìn)行故障恢復(fù)。為適應(yīng)礦井提升機(jī)多?？刂?、減少耗電量、降低故障發(fā)生率，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于閉環(huán)矢量控制的提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用旨在確保當(dāng)提升機(jī)系統(tǒng)在載荷突變的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對提升機(jī)的無級調(diào)速，從而避免對系統(tǒng)造成沖擊，提升提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。針對提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文著重對變頻器的選型、控制方案進(jìn)行闡述。

1.1 變頻器工作原理

所謂提升機(jī)變頻調(diào)速指的是系統(tǒng)通過調(diào)整電機(jī)的頻率達(dá)到對提升機(jī)提升速度的無級控制。其控制原理如式（1）所示：

式中：n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速，f 為三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行頻率，s 為三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p 為三相異步電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)。

分析式（1）可知：提升機(jī)的提升速度與其三相異步電機(jī)的運(yùn)行頻率成正比。我國電網(wǎng)頻率范圍為0Hz ～50Hz。因此，基于變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)提升速度的平滑調(diào)速。

1.2 變頻器的選型

變頻器的選型需主要考慮兩方面的因素：其一，其功率范圍需符合提升機(jī)電控系統(tǒng)中三相異步電動(dòng)機(jī)的額定功率的要求；其二，要求變頻器能夠確保提升機(jī)在載荷突變的工況下具備低頻轉(zhuǎn)矩的提升能力。

綜合考慮上述兩方面的因素，所選變頻器的型號為西門子公司的5HK62-5B 變頻器。

2 PLC電控系統(tǒng)硬件構(gòu)成分析

2.1 PLC 選擇分析

所設(shè)計(jì)提升機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)以PLC（可編程邏輯控制器）為核心，所用PLC 控制器為西門子公司生產(chǎn)的S7 系列，具有通訊能力強(qiáng)、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、運(yùn)行性能好、可靠性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。該系列PLC 控制器具有微型、小型、中高性能3 種，在使用時(shí)需要結(jié)合實(shí)際情況有針對性地選擇。

2.2 系統(tǒng)外圍硬件選擇分析

2.2.1 高壓真空開關(guān)柜

該設(shè)備是整個(gè)提升機(jī)變頻調(diào)速監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的動(dòng)力源頭，其主回路選用雙回路進(jìn)線的方式，2 條進(jìn)線回路均引自不同的母線，并能夠手動(dòng)切換，從而確保作業(yè)中一條線路發(fā)生故障后，能夠及時(shí)通過另一條線路供電，確保供電有效性。同時(shí)，高壓真空開關(guān)柜配設(shè)有高效斷電裝置，能夠有效規(guī)避運(yùn)行中的特殊情況。例如規(guī)避帶電接開關(guān)、帶負(fù)荷下推車等，提升作業(yè)安全。此外，高壓真空開關(guān)柜還具備檢測欠壓、絕緣、接地等功能，可對線路運(yùn)行故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過系統(tǒng)內(nèi)配設(shè)的電能計(jì)量表監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 變壓裝置

此次設(shè)計(jì)中所選用的變壓裝置為干式變壓裝置，多布設(shè)于室內(nèi)，其擁有不銹鋼外殼，可實(shí)現(xiàn)F 級絕緣，運(yùn)行時(shí)可將輸入的高壓轉(zhuǎn)化為適用于變頻裝置、泵站、液壓站等作業(yè)的低壓。

2.2.3 低壓開關(guān)柜

該裝置內(nèi)設(shè)有空氣接觸器、繼電器、控制開關(guān)等組件，并配設(shè)了不間斷電源，可以為系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備提供備用電源。作業(yè)時(shí)，只有當(dāng)?shù)蛪弘娫窗l(fā)生故障時(shí)，備用電源才會(huì)啟動(dòng)，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和有效性。

3 變頻控制方案分析

3.1 變頻裝置構(gòu)成分析

變頻裝置的構(gòu)成組件主要包含ACU（輔助控制單元）、NDCU（傳動(dòng)單元）、ISU（供電單元）、ICU（進(jìn)線單元）和FIU（濾波單元）等。

3.2 變頻裝置控制分析

在作業(yè)過程中，變頻裝置的輸出電壓和頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速有很大的關(guān)系。因此，通過對變頻裝置輸出電壓和頻率的調(diào)控，便可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。

3.2.1 V/f 控制分析

為了確保提升機(jī)作業(yè)時(shí)具備更好的速度特性，在確保電機(jī)磁通不發(fā)生變化的前提下，更改電源頻率。整體來說，V/f（電壓/頻率）控制器結(jié)構(gòu)簡潔，多采用開環(huán)控制的方式，通常在使用中無法實(shí)現(xiàn)良好的控制效果，因此，需針對轉(zhuǎn)矩實(shí)施補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)變低速轉(zhuǎn)矩特性的效果。

3.2.2 轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制以V/f 控制為基礎(chǔ)，結(jié)合電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電源頻率和運(yùn)行所需轉(zhuǎn)矩，對變頻裝置輸出頻率進(jìn)行調(diào)控。

3.2.3 矢量控制

矢量控制的原理為，基于磁場定向原理，借由對異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩的調(diào)控。主要控制流程為，將異步電機(jī)定子電流的矢量分解為產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩和磁場電流分量2 個(gè)，并分別控制它們，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對2 個(gè)電流分量的分別控制。

3.2.4 直線轉(zhuǎn)矩控制

直線轉(zhuǎn)矩控制的核心是，將轉(zhuǎn)矩作為中心，對轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行調(diào)控。在控制作業(yè)過程中，直線轉(zhuǎn)矩控制無法進(jìn)行螺旋坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，僅是通過對電機(jī)定子電壓和電流的監(jiān)測，測算出電機(jī)運(yùn)行的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并借由與預(yù)設(shè)值的比對，確定差值，從而實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)行的直接控制。

4 上位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)分析

4.1 上位機(jī)結(jié)構(gòu)與功能分析

4.1.1 上位機(jī)監(jiān)控結(jié)構(gòu)分析

為了進(jìn)一步提高提升機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，要實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控終端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的集中管控。因此，上位機(jī)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測提升機(jī)的運(yùn)行位置和狀態(tài)等。如此一來，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，上位機(jī)能夠第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題并發(fā)出預(yù)警。

4.1.2 上位機(jī)所需功能

上位機(jī)所需功能主要包括：①對提升機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行立體、精準(zhǔn)地確定和呈現(xiàn)。②當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障后，上位機(jī)能夠立即顯示故障發(fā)生位置，從而指導(dǎo)作業(yè)人員及時(shí)排除故障。③提升機(jī)常規(guī)作業(yè)過程中上位機(jī)可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)各個(gè)監(jiān)控裝置的數(shù)據(jù)。④提升機(jī)運(yùn)行中的部分操作，比如跳閘、手柄給定、深度校正等能夠借由上位機(jī)遠(yuǎn)程操控。⑤具備完善的查詢功能。上位機(jī)可以存儲(chǔ)記錄之前整個(gè)月的作業(yè)數(shù)據(jù)，以便于作業(yè)人員隨時(shí)查詢前期數(shù)據(jù)，更好地了解設(shè)備的運(yùn)行狀況。

4.2 上位機(jī)配套軟件設(shè)計(jì)分析

上位機(jī)運(yùn)行配套所需軟件采用WINCC 視窗控制中心進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，先打開WINCC 操作界面，建立單用戶項(xiàng)目；隨后在WINCC 中構(gòu)建PLC 運(yùn)行所需的I/O 端口和中間M 點(diǎn)變量；最后再結(jié)合提升機(jī)監(jiān)控項(xiàng)目運(yùn)行的相關(guān)要求，在WINCC 圖形便捷裝置中繪制電壓、電流顯示，運(yùn)行曲線顯示，深度顯示等狀態(tài)圖。

5 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用效果

提升機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)速度的平滑控制、達(dá)到節(jié)能的效果。因此，將從對提升機(jī)速度的控制效果和節(jié)能效果兩方面驗(yàn)證變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

5.1 平滑調(diào)速功能的驗(yàn)證

將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于我礦提升機(jī)的控制系統(tǒng)中。該提升機(jī)的主要任務(wù)是運(yùn)輸，其在一次往返運(yùn)動(dòng)過程中對提升速度控制曲線如圖1 所示。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)對提升速度的控制效果

如圖1 所示，提升機(jī)初加速距離為7m，整體加速距離為73m，帶起達(dá)到8.38m/s 時(shí)，系統(tǒng)以恒定速度運(yùn)行370m，而后開始減速。在整個(gè)行程過程中，提升容器的速度變化曲線均是平滑過渡的，也就是說提升機(jī)速度在相鄰兩個(gè)運(yùn)行階段中速度的切換相對平穩(wěn)，滿足平滑調(diào)速的要求。

5.2 節(jié)能效果的驗(yàn)證

變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于提升機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)過程中，提升機(jī)在低速區(qū)運(yùn)行的時(shí)間明顯較以往調(diào)速系統(tǒng)的時(shí)間長。經(jīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)，提升機(jī)在低速區(qū)運(yùn)行的時(shí)長約占一個(gè)周期的30%。此外，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)的制動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了采用能耗單元對提升機(jī)的制動(dòng)，此舉不僅避免了提升機(jī)在制動(dòng)過程中的機(jī)械沖擊，而且還具備一定的節(jié)能效果。總之，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)可直接節(jié)能為20%。

此外，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用減少了液壓元器件的應(yīng)用，從而減少了對液壓元器件的損耗，直接降低了損耗件的更換費(fèi)用。

綜上所述，自變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于杜兒坪礦提升機(jī)的控制系統(tǒng)一年后，直接節(jié)約電能和設(shè)備維護(hù)費(fèi)用約為9 萬元。

6 結(jié)論

提升機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運(yùn)輸設(shè)備，是金屬礦山生產(chǎn)的咽喉部位。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于載荷突變且頻繁啟停對提升機(jī)造成一定的沖擊，進(jìn)而降低了提升機(jī)的壽命，直接影響了綜采工作面生產(chǎn)的效率和安全性。為此，將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于提升機(jī)的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)的行程、制動(dòng)以及操作等方面的控制，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對提升容器速度的平穩(wěn)、無級控制，而且還能夠降低提升機(jī)的能耗，達(dá)到節(jié)能的效果。