變頻器在礦井提升機控制系統(tǒng)中的應用

高立強

（西山煤電（集團）有限責任公司設備租賃分公司， 山西 太原 030053）

引言

礦井提升機是礦山提升系統(tǒng)的重要設備[1-2]，礦井物料的運輸和礦井人員的運輸都與礦井提升機有著密不可分的關系。在我國，傳統(tǒng)的礦井提升機的控制系統(tǒng)主要由繼電器和接觸器組成，同時通過電動機轉子回路中進行串接附加電阻得以實現(xiàn)礦井提升機的啟動和調速。但這種控制系統(tǒng)存在可靠性較差、發(fā)生故障幾率高、系統(tǒng)操作復雜、電耗較大、工作效率低等缺點。針對礦井提升機的缺點，眾多國內(nèi)學者對此進行了研究，靳繼波等[3-4]提出了采用變頻器對礦井提升機系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，設計后的系統(tǒng)實現(xiàn)了提升機的柔性啟動及無級變頻調速，降低了換擋及制動條件下的沖擊能量，有效地提升了提升機的運行穩(wěn)定性。本文利用變頻器設計可編程控制器控制系統(tǒng)，較好地實現(xiàn)了礦井提升機的啟動及速度控制，為煤礦高效生產(chǎn)提供了一定的借鑒。

1 變頻器的選定

礦井提升機在運行過程中一般會經(jīng)歷6 個階段，分別為起步階段、加速階段、減速階段、勻速階段、爬行階段及其停車階段。對提升機控制系統(tǒng)進行研究其實就是對提升機的轉速及轉矩進行控制，本文采用直接轉矩的方案進行電機的控制，實現(xiàn)控制轉矩對提升機的狀態(tài)控制。提升機的各轉矩間的關系可以表示為：

式中：Td為系統(tǒng)的總轉矩，N·m；Te為電動機的轉矩，N·m；Ti為傳動系統(tǒng)的固有轉矩，N·m；Tn為傳動輪的力矩，N·m；J 為轉動慣量，kg·m2；g 為重力加速度；ε 為系統(tǒng)的加速度。通過計算可以得出系統(tǒng)在各個階段的轉矩。

根據(jù)礦井提升機恒轉矩的負載情況進行變頻器的選擇，功率的表達公式可以表示為：

式中：P 為異步電機的功率，kW；T 為異步電機的轉矩，N·m；n 為異步電機的轉速，r/min。

提升機在進行下降工況時，此時系統(tǒng)需要一定的制動轉矩對提升機速度進行控制，而在提升機進行提升工況時，由于載荷較大，提升速度十分緩慢，所以需要一定的轉矩來控制速度，在進行變頻器的選擇時需要滿足一定的轉矩要求。由于啟動瞬間電流較大，所以變頻器應當具備一定的識別電流能力，避免啟動瞬間出現(xiàn)過點保護的情況。在選定變頻器時需要將變頻器的容量選定為異步電機的1.2～1.5倍，從而實現(xiàn)電流在未達到極限時轉矩的輸入滿足要求。根據(jù)以上論述選定變頻器為ACC600，ACC600 變頻器是由ABB 公司生產(chǎn)的ACS600 系列中提升機專用款，其結構原理圖如圖1 所示。

圖1 ACC600 變頻器結構原理示意圖

ACC600 變頻器具有識辨功能，在電機啟動瞬間，電機的運行狀態(tài)會傳輸至變頻器，此時進入電機啟動辨識程序，確定提升機的工作狀態(tài)，給定最佳的控制方案。同時變頻器具備斷電不停機的功能，在停電瞬間變頻器不會立即停電，此時電機會將一部分動能進行轉化，轉化成電能進行儲存，使得電機可以持續(xù)運行，保證保護功能順利啟動，不會造成電機的斷電失控。變頻器在啟動瞬間就會提供足夠的轉矩，滿足上述要求。ACC600 同樣具備一系列的保護功能[5-6]。

2 提升控制系統(tǒng)的分析

礦井提升控制系統(tǒng)主要由PLC 控制單元、液壓站、變頻器、操作臺、上位機監(jiān)視界面等組成。控制系統(tǒng)的結構框圖如圖2 所示。

圖2 提升機控制系統(tǒng)框架圖

提升機控制系統(tǒng)選定可編程PLC 為控制單元，可以實現(xiàn)高速計算，利用放置在電機、卷輪及飛輪上的編碼器計算其相應的運行速度，及時將提升機的運行狀態(tài)進行反饋。同時根據(jù)液壓站和潤滑站的油溫及油壓信號對提升機的故障進行及時判斷和監(jiān)測。根據(jù)開關信號和傳感器信號對控制電機的目標轉速及目標轉矩進行輸出，實時將運行狀態(tài)傳輸至上機位，便于監(jiān)控人員實時監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)故障[7]。

變頻器具有過流、過壓、超溫、缺相等保護功能，具備在緊急情況下安全停車的功能。在接收到控制單元的轉矩轉速信息后，通過計算輸出相應電壓，實現(xiàn)電機的控制。同時接收到PLC 指令確定提升機的運行狀態(tài)，當變頻器輸入轉矩大于設定值時開放機械閘，當進行停車時開啟機械閘，將變頻器的轉矩降低至零，防止提升機的溜車[8]。

操作臺是設備與操作人員連接的媒介，在操作臺上需要設定開關按鍵、手動及自動模式轉化按鍵。操作人員利用操作手柄進行提升機運行的控制，同時可以通過設定參數(shù)來實現(xiàn)提升機的平穩(wěn)運行，方便提升機發(fā)生故障時的緊急制動。

上位機監(jiān)視系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時顯示提升機運行狀態(tài)及運行出現(xiàn)的故障信息，并將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行實時記錄，便于后期操作人員了解及研究提升機的工作行程，也便于提升機的故障排查及后期故障監(jiān)測系統(tǒng)的設計[9]。

PLC 軟件包括了主程序、故障診斷程序、通訊子程序、控制子程序等，主程序在提升機運行過程中，如果無故障發(fā)生時一直處于信號采集、提升控制及通訊程序中循環(huán)，但當提升機發(fā)生故障時，此時主程序執(zhí)行故障處理，跳出循環(huán)。主程序流程圖如圖3-1 所示。

控制的子程序主要用于對開車條件的確定，在提升機運行過程中及時對運行的偏差進行校正，確定提升機是否存在故障。當接受到啟動的信號后，啟動提升機，提升機開始加速運動，當速度達到勻速運動的速度時，保持勻速運動，停止加速。當運行至減速點時，運行速度開始降低，提升機進入爬行工況。當運行至停車點時，速度降低至零，達到停車制動，狀態(tài)復位，等待下次啟動。子程序流程如圖3-2 所示。

圖3 主程序及子程序流程圖

上位機可以實時監(jiān)測提升機的運行狀態(tài)，所以需要在上位機上顯示提升機的速度、位置，當提升機發(fā)生故障時需要在窗口彈出報警且有聲光報警，同時可以實現(xiàn)提升機相關參數(shù)的設定，且能保存和查詢提升機的運行及故障記錄。根據(jù)以上要求選定LabVIEW 軟件，根據(jù)需要進行模塊的制作。同時由于提升機工況環(huán)境較為惡劣，所以需要在系統(tǒng)中增加一定的抗干擾功能，使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行[10]。