高压变频器在矿山提升机上的应用

1 引言

　　提升机是矿井的关键和重大安全设备之一，广泛用于煤炭、有色金属、黑色金属、非金属、化工等矿山的竖井、斜井的提升系统，用作提升矿物和物料、设备及运送人员等，是矿井系统的咽喉。在整个生产过程中，占有非常重要的地位，它不仅关系到矿井的正常安全生产和生产效率，而且直接影响上下井人员的生命财产安全，因此，它的电气传动及控制装置一直是各国传动界的一个重要研究领域。大多数传统的矿井提升机采用绕线转子异步电动机转子回路串电阻的交流调速系统，这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全、不可靠，对再生能量处理不力，斜井提升机运行中调速不连续，容易掉道，故障率高。矿用提升机的技术更新改造要求迫在眉睫。而采用dsp全数字变频调速技术的现代交流调速系统代表矿井提升机技术的先进水平。

2 原矿山提升机调速系统简介

　　大阳煤矿是山西兰花科技创业股份有限公司的重点煤炭企业，是兰花公司第一个利税大户和第一座高产高效矿井，现有员工1800余人，固定资产1.8亿元，年生产能力达150万吨，属国有中型矿井，晋城市安全质量标准化示范矿井，“安全文明生产”特色矿井。大阳煤矿副井原有一台矿井提升机，该提升机采用线绕式异步电动机，用转子串电阻的方法调速。该提升机电控系统存在如下不足：

　　（1）挡位调节，调速不连续，运行中机械振动大，矿车冲击大，制动不安全，常易出现“掉道”现象；

　　（2）启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的2～3倍，有时会更大，如果加速快，甚至会引起总开关跳闸；

　　（3）调速时大量的电能消耗在电阻上，不但浪费严重，也造成工作环境的恶劣，空间噪声大；

　　（4）维修量大，不方便，由于操作时交流接触器频繁动作，易造成触点及线圈的烧坏，转子更换碳刷频繁；

　　（5）耽误生产，矿井是连续24h工作，生产量大，任务繁重，由于电控系统设计落后，制造工艺落后，即使是短时间的维修，也会给生产带来损失。

　　随着交流变频技术的发展和成熟，变频调速性能的优越性日益显现。以变频器为核心的调速系统，在交流矿井提升机上也越来越多的被采用，彻底改变了沿袭几十年的交流提升机转子串电阻分级调速的模式，使提升机获得平稳、安全、可靠的运行状态。避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。采用变频控制的提升机，基本上可以获得与直流电机相同的调速和制动性能，而对电机的要求相对要低，适用普通异步电动机，无需改造。这里我们比较一下转子串电阻的调速方式和采用变频器调速方式的优缺点，如附表所示。

　　兰花集团公司领导下决心对该提升机电控系统进行改造，通过对目前高压提升机变频器在矿井提升机系统中的使用情况深入调查后，决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的高压提升机变频器和山西华威电控公司生产的变频提升机电控系统，见图1。

　　大阳煤矿矿井提升机基本参数：

　　提升机：洛阳矿山机械厂

　　提升机类型：jk2-2.5

　　滚筒直径：2.5m

　　最大静张力：9t

　　最大静张力差：5.5t

　　容绳量：700m

　　最大速度：3.5m/s

　　主电动机：湘潭电机厂

　　主电机型号：jr157-10

　　电机功率：260kw

　　定子电压：6kv

　　转速：585r/min

　　额定电流：33a

3 采用jd-bp系列高压提升机变频调速系统优点

　　（1）风光高压提升机变频调速系统对电网电压的波动有较强的适应能力，电网输入电压在-20%～+15%电网电压波动时，变频器通过输出电压自动补偿算法可维持满载输出，保证长期正常运行。供电瞬时失电5个周波内可满载运行不跳闸，允许切换间隔3s。不受电网电压和负载变化的影响。

　　（2）风光高压提升机变频器控制方法采用空间矢量控制原理，响应速度快、调速范围宽（2～120hz，依据现场情况可以设定）和动态特性精度高，稳定性好、起动转矩大（可达到额定转矩的2倍以上），可以实现重载的平稳起动。

　　（3）电机可以实现无级调速，加、减速过程平滑，电流冲击小，大大减轻了机械冲击的强度。

　　（4）dsp芯片控制和plc外端电路接口相结合，使系统具有很高的可靠性，有很强的故障自诊断功能，具有完整的故障监测电路和精确的故障报警保护。能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，并保存故障发生的时间、原因、故障点及故障时的运行参数。便于运行检修人员辨别和解决所出现的问题。

　　（5）风光高压提升机变频器真正实现四象限运行，内置回馈单元，实现再生能量回馈给电网，国内最早研制四象限运行高压变频器的厂家，技术水平国内领先。

4 改造方案

　　为了确保安全可靠，让变频调速系统与原调速系统并存，互为备用，随时可以切换，如图1所示。

　　4.1 高压提升机系统主回路图

　　高压提升机系统改造主回路接线图如图2所示。

　　为满足安全生产，并根据客户要求，此次系统改造保留了原有的工频系统，工频电源经过原工频操作接到变频旁路开关柜的工频输入端子。k1、k2、k3为三台高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，k1、k3与k2采用电磁互锁操动机构，实现电磁和机械互锁。k4为转子侧双掷开关，变频运行时，k4切换到变频侧，绕线电机转子线圈经双掷开关k4后处于短接状态；工频运行时，k4切换到工频侧，绕线电机转子线圈经k4接至原调速电阻装置。当k1、k3闭合，k2断开，k4切换到变频侧，电机变频运行；当k1、k3断开，k2闭合，k4切换到工频侧，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

　　另外，为了保证安全，变频器高压连跳信号和上一级的高压断路器也实现互锁，变频器高压连跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈，变频器出现故障时，上一级的高压断路器断开，实现高压故障连跳功能。

　　4.2 提升机变频系统控制回路

　　兰花集团大阳煤矿提升机变频系统控制回路分为两个部分：

　　（1）变频器内部的控制回路，由高速32位的dsp芯片、plc、人机界面共同完成。控制器核心由高速32位dsp芯片运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。plc控制器用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

　　（2）山西华威电控生产的提升机操作控制台，由plc、人机界面共同完成。plc控制器用于变频系统和原工频系统所有操作信号的逻辑处理，实现变频器的自动、半自动运行。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时实现提升机泵站压力、位置、速度等的实时监控。

　　4.3 风光高压提升机变频器系统结构

　　风光高压提升机变频器，采用若干个低压变频器功率单元串联的方式实现直接高压输出，所用的6kv高压提升变频器，变压器有18组付边绕组，分为6个功率单元∕相，三相共18个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分满足国标规定。jd-bp37型高压提升变频调速系统由移相变压器、功率单元和控制器组成。

　　4.4 操作与控制

　　由于变频器提供了适应提升机现场应用的完善的接口，依据提升机控制系统的不同，采用适当的接线方式，就可以实现灵活的操作方式。

　　变频调速系统可以实现自动运行和手动运行两种方式：

　　（1） 自动运行方式

　　利用机内plc强大的控制能力，通过设置适当的参数，变频器就可以实现自动化运行，极大地提高了提升机的运行效率。

　　如图3所示，以正转为例，开机时低速爬行时间t1、减速信号动作后延时t2、中速运行时间t3、停机前爬行时间t4都可以根据现场情况自由设置。提升机运行过程中，除开、停机外，正转、反转可以不需要人工干预。

　　（a） 正转时运行速度曲线 （b） 反转时运行速度曲线

　　（2） 手动运行方式

　　在该方式下，操作者通过提升机控制台控制电机转速，以实现电机的爬行、加速、减速、恒速运行，但在系统给出减速信号后，为保证整个系统安全，变频器仍然会启动机内自动减速程序。

　　（3）基本控制

　　交流制动。本提升机用变频器，交流制动对提升系统的安全运行起到重要作用，当重车在中间停车时，检测到停机信号后给控制器发出信号，让变频器由高频迅速地降到低频（1hz左右），给提升机一低频制动，让提升机从高速能较快速地降为低速，待plc检测到机械制动起作用的信号后，plc发出信号让控制器去掉交流制动信号，使提升机靠机械抱闸装置停稳。启动时，先对提升机施加一交流制动信号，建立启动力矩，待检测到机械抱闸信号后发出信号给控制器去掉交流制动信号，然后由控制器加上启动电压让提升机开始转动。

　　运行速度的控制。为了减少运行过程中的机械冲击，在提升机启动和停止过程中，做到加速度连续，不同的频率，对应不同的加、减速速率，在本装置的控制中，将不同频率时的加、减速速率规划成一个表格，运行中用查表的方法确定对应频率时的加、减速速率，使提升机平滑运行，减少机械冲击。再生能量通过功率单元来处理，如图4所示。

　　电机处于发电状态，功率单元母线电压vbus升高，当母线电压超过电网电压的1.1倍时，高速cpu根据比较器和相位检测的结果输出六路spwm波形，使逆变块a中的igbt工作，通过输入电感，电动机的再生能量最后通过移相变压器回馈到电网，装置充分利用了移相变压器对谐波的抵消作用，对电网无谐波污染、功率因数高、控制简单、损耗小，返回到电网谐波小于国家标准。

　　对高压变频器而言，输入电流谐波和输出电压谐波是关键指标，这两项指标经国家权威部门的检测，均低于国标gb/14549-93和国际ieees519-1992标准中的要求。

　　国家权威部门（天津发配电及电控设备检测所和国家电控配电设备质量监督检验中心）的检测共有23项，全部合格，检测日期是2005年11月。

5 风光提升机变频器网络化系统

　　网络化操纵台，双plc双线制控制。操作系统、调速系统、监控系统之间通过工业局域网络进行系统通讯及信号交换，留有与信号系统进行联网的接口，具有远程监控传输功能。加、减速过程平滑调节。

　　（1）操作和安全保护系统选用两套不同配置的plc，互为冗余控制，对提升机运行关键的信号（如速度、容器位置、安全、减速、过卷等等）均采用多线制保护，互为监视。

　　（2）具有手动、半自动、检修及应急控制等各种控制方式。保证速度图为s曲线。

　　（3）具有以下多种保护功能：

　　防过卷保护；防过速保护；防过负荷保护、防欠电压保护；限速保护；深度指示器失效保护；闸瓦过磨损保护；松绳保护；信号方向闭锁等。

　　（4）安全保护有三种状况（轻故障允许一次开车，严重故障，较严重故障），并实现不同的处理措施：

　　轻故障允许一次开车，本次运行结束后不维修好，不能再次开车。选用双套plc，双plc之间既有软件上的联锁，又有硬件上的联锁和看门狗电路，对plc的运行进行监视，防止因plc死机或其他意外原因，造成plc故障时能及时监测并参与安全保护。操作台上装有19″液晶触摸屏、指示灯、仪表、选择开关、按钮、音响设备等，能实现提升机运行的各种控制工艺的要求，实现静、动态参数及故障参数中文彩屏显示，故障自诊断及查询。

　　较严重故障实现先减速到1m/s后实施安全制动（包括机械深度指示器失效、松绳保护、编码器位置偏差过大、制动油路故障、闸瓦磨损、主回路过压、接地或欠压等）。

　　严重故障实现立即启动安全回路实施安全制动（包括等速过速、限速过速、包络线超速、爬行段超速、高低压电源故障、过流、变频器故障、错向、plc故障、过卷、急停操作、网络通讯故障、2只测速元件同时损坏、主回路失压、速度比较错误、残压高、电机温度过高等）。

　　主控plc软件能完成提升机手动、半自动、自动、检修、慢动、紧急控制开车等运行方式的控制要求。控制与监视提升系统各路电源，满足其控制功能及各项安全保护。对调速系统行程速度给定的控制，自动减速保护，停车时自动抱闸停车。与信号系统、控制系统之间的提升信号闭锁，具有完善的保护功能及远程诊断功能。

　　辅控plc具备电子数字监控器的功能，进行深度值、速度值、限速值等的指示，通过与主控系统的联锁。实现过卷、定点限速、全速过速、减速过速、开车错向、断轴保护等另一套安全保护，并参与系统控制。主/辅控plc均安装在操作台台体内，并与监控系统进行网络通讯，各种信号线通过通讯电缆完成，实现网络化控制。

6 现场应用情况及运行效果

　　大阳煤矿提升机变频设备改造工程调试一次成功，变频器已经平稳运行半年时间。使用变频器后有以下优点：

　　（1）变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低。

　　（2）调速方便，连续平滑调节。

　　（3）实现了低频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小，避免了掉道现象。

　　（4）启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过1.3倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，没有大电流出现，减小了对电网的冲击。

　　（5）增加了交流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免了“溜沟”现象。

　　（6）采用回馈制动技术，成功解决了位能负载再生发电能量处理问题，保证了变频器的安全运行。

　　（7）节能效果显著。据实测，在低速段节能明显，一般可达到37%以上。

　　（8）采用变频控制后，原绕线式电机可改为普通电机，这不但降低了成本，普通电机比绕线式电机可节约投资1/3，而且避免了转子炭刷的烧损及维护。

7 结束语

　　矿山提升机变频调速系统具有控制性能优良、操作简便、运行效率高、维护工作量小等诸多优点。四象限高压变频器在交流提升机转子串电阻电控系统改造及新提升机电控系统配置中，提高了矿山提升机控制技术和装备水平。变频调速系统不仅大大提高了矿山交流提升系统的安全性和可靠性，确保了提升机高质量运行，实现了高转矩、高精度、宽调速范围驱动，是交流提升机电控系统发展的方向，应用前景广阔。