一、概述

    矿井提升有竖井提升和斜井提升，矿井提升机是矿山生产的关键设备，被喻为矿山的“咽喉”。它担负着矿山的矿石、废石、设备、材料、人员等的提升、下放任务。在矿山生产中占有非常重要的地位。

    某集团公司3-2矿体的斜井提升机，采用转子绕组串电阻的传统交流调速方式。该调速方式存在以下问题：第一，采用电磁式继电器较多，故障判断排除时间长。经过长期运行后故障率高，不仅修理成本高，而且影响出矿量；第二，提升控制自动化程度低，运行时噪声大，提升机房温度高，提升机司机容易疲劳，劳动强度大；第三，在连续低速提升重物时，电阻发热严重，经常烧坏电阻连线，能耗大；第四，调速为有级调速，对钢丝绳、减速机等的机械冲击大。   

二、改造方案和系统组成

    1改造方案

    采用变频调速装置、可编程序控制器、能量反馈单元、触摸屏等组成交流调速系统，代替原有的串电阻调速系统。

    2系统组成

    系统组成原理框图如图1

    变频回路包括：刀开关、断路器、变频器、变频器下端的接触器、能量反馈单元。其中能量反馈单元组成一个柜。

    控制回路:主要由主PLC控制、辅PLC控制、触摸屏、继电器辅助控制、操作台构成。其中主PLC控制和辅PLC控制互为主备，继电器辅助控制、主、辅PLC控制安装在同一个控制柜里，触摸屏作为上位机安装在操作台上。编码器作为位置和速度反馈信号，安装在电机和卷筒上。其中安装在电机上的测速编码器信号反馈给变频器，形成PG矢量控制。另一编码器信号反馈给PLC作出速度和位置运算。测速电机信号、油温油压信号及其它开关量信号进入PLC系统

三、工作原理

    1系统停止、手动、自动、下滑四种状态下的功能

    停止：在该状态下系统停止工作，所有操作均不能进行，绞车处于闸瓦制动状态;

    手动：在该状态下，当系统满足安全操作的前提下，根据仪表及触摸屏显示的参数，通过主令控制器对绞车进行上行、下行正常手动操作。

    自动：在该状态下，由上行、下行按钮自动完成上行、下行的全部过程，当行至中途时，可通过停止按钮人工干预停止，通过上行、下行按钮可再次启动。

    下滑：在系统出现严重故障不能正常进行上行、下行操作时，应将功能开关转换到该位置，通过主令控制器将绞车下滑到所确定的位置。

    通过双PLC数字控制技术，实现了《煤矿安全规程》中规定的绞车双线制保护及控制。绞车双线制保护及控制具有以下特点:

    (1)调速精度高，调速范围广，调速精度不低于0.05%.

    (2)双线制保护：采用一条硬件安全电路和2条软件安全电路相互冗余，使得系统更加安全可靠。

    (3)双线制控制：正常工作时，由于采用双PLC系统相互监视，相互冗余。当其中一个PLC系统发生故障时，另一个PLC系统仍可投入进行应急开车，提高了绞车系统的运行可靠性。

    2保护及连锁功能

    2.1安全制动时，配合液压站安全阀使提升机实现一级或二级制动，同时变频器进入回馈制动状态。

    2.2任何情况下，只有司机接到开车信号后才能使提升机运行。

    2.3当提升过程中发生润滑油压力过高、过低、润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温高时，触摸屏上有相应的故障信息显示，点亮相应信息灯，告知司机可以完成本次提升工作，当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。

    2.4当提升机因发生故障在中途停车，而且提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车：若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车信号，允许司机高速开车。

    2.5全矿停电时，由PLC系统保证提升机能实现二级制动，并做好提升机的后备保护。

    2.6盘式制动器的工作制动力矩可调.紧急制动(安全制动)能产生二级制动，避免机械冲击。

    3行程控制功能

    行程控制是由PLC系统完成，主要将提升机的升降过程划分成不同提升速度要求的行程区间。根据每一行程区间的实际情况和不同速度要求变换变频器的速度给定值，并形成闭环平滑地调节提升机的升降速度:行程控制不仅控制提升机整个升降行程过程的速度，而且控制提升机的停车和制动过程。行程控制可以很好地防止提升机过卷、过放、脱轨和翻车等事故发生，特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。

    4制动控制功能

    提升机的正常制动有回馈制动、抱闸制动等方式、回馈制动的实现是在交一直一交电压型变频器的直流环节引入逆变环节。当提升机的实际运行速度高于给定运转速度时，电动机相当于一台发电机，直流环节电压升高，给逆变器提供能量并回馈电网，电动机自动运行在制动状

态。以达到变频器准确停车的目的，很好地防止机械冲击和快速下滑。抱闸制动一般在停车时使用，当运行到停车位时，行程控制器对变频器发出停车信号，同时，对抱闸制动器发出抱闸控制信号，实施抱闸制动。当发生脱轨等事故时，操作控制实行紧急抱闸制动。

本系统采用的回馈制动方式，在制动过程中，提升机运行平稳，并且将制动能量回馈到网，有一定的节能效果。6920V制动时序如下图

    5主要器件功能

    5.1可编程序控制器功能

    系统除紧急保护功能外的所有控制均由可编程序控制器((PLC完成。系统配置的可编程序控制器，采用能适应恶劣工业环境、抗干扰能力强；具备两个可同时使用的通讯端口(编程器端口和通用端口)，通过与液晶触摸屏的通讯，可直观方便地显示系统运行状态、故障状态、运

行参数、可显示全部开关元件的状态及各种故障、报警信息；接收系统配置的电压变送器、电流变送器、编码器等传来的信号，经过运算、处理后，对绞车进行控制、监视、保护。在紧急制动时(安全制动)，由可编程序控制器控制盘形闸产生二级制动，避免机械冲击。简化系统可编程序控制器控制流程图，如图2。

    5.2变频器功能

    变频器接收旋转编码器传来的速度反馈信号，形成PG矢量控制，实现电机的无级调速。本系统配置6920V系列变频器及能量回馈单元,

■一体化方案：采用电动机驱动与起重逻辑控制有机结合的方式，省去了原系统中的PLC，减少潜在故障点，简化系统接线、调试简单灵活，代表未来起重机控制的发展方向；

■宽电压设计更能满足恶劣的电源环境

■起重机专业逻辑设计：集多年起重机行业设计的经验，设计了专家级、广泛应用的起升机构的控制和安全逻辑，包括时序配合、防溜钩、等功能，为配套客户提供完美的解决方案；

■在采矿、冶金、筑路行业的上料系统有专门的定长设计，使控制更安全可靠。精确的力矩控制:失速防止功能、故障复位再试功能;加装应用旋转编码器6900可实现全频域磁通电流矢量控制，在0.5Hz使电机保持150%输出转矩。

变频装置主要技术参数

(1)输入电源电压AC304-456V，频率50HZ；电压允许波动范围+/-20％；频率允许波动范围48-65HZ；

(2)输出频率范围0～50Hz连续可调；

(3)额定重载输出功率：160kW。

(4)过载能力150%，1分钟；180%，20s

(5)有较高的功率因数cosφ＞0．98；

(6)低频运转时，有自动转矩提升功能及转差补偿功能能，保证150％ 的额定转矩；

(7)变频器设有过压、欠压、过流、过载，功率元件过热和电机缺相等保护，设有故障记忆功能，能保留最近5次故障的功能号码和最后一次故障的参数；

(8)总谐波含量THD<5％。

主要技术原理

  (1)采用全数字速度传感器闭环矢量控制，使系统调速范围宽、调速精度高。变频器在低频运行时，也保证有150％以上额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2倍，矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)分别加以控制，并同时控制两分量问的幅值和相位，即控制定子电流矢量，这种控制方式称为矢量控制方式。这样就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。

PLC控制流程如图2示。

5.3能量回馒单元

    主要作用是提高变频器的制动能力，并将绞车下放重物的制动能量回馈电网，达到节能的目的

5.4操作台的主要功能

    操作台装有手动操作的主令控制器.可手动调整制动力和绞车运行速度.并配有手动和脚踏紧急制动开关，当发生紧急情况时快速制动

5.5液晶触摸屏的功能

    通过与可编程序控制器的通讯直观显示系统运行状态、故障状态、运行参数‘如显示绞车运行速度、提升容器位置、电动机电流和电压等)，可显示全部开关元件的状态及各种故障、报警倍息;可修改可编程序控制器改内部参数设置(需有相应权阳:具有密码保护功能可根据权限设置、修改操作员密码.不同安全等级的操作员具有不同的操作权限

四、系统配置

    1变频器选择

    变频器驱动的电动机为:JR 127- 8 115k W

    额定电压:380V

    硕定电流:227A

    根据:变频器额定输出电流≥电动机数定电流×1.1的原则

      227×1.1=249.7A

    查6920V系列变频器样本:

    容量132kVA的额定输出电流为:255A

    容量160k VA的额定输出电流为:302A

    综合考虑坑下环境和运输条件，最终选择变频器容量为I60kVA

    型号：6920V-3160G

    2可编程序控制器选择

    综合考虑上过卷、下过卷、手动上行、手动下行、自动上行、自动下行、正常停车、紧急停车、安全回路、液压站控制、盘形闸控制、各工作指示灯、报份指示灯等.以及各工况之间的互相连锁控制.并考虑一定的冗余。最终选择可编程序控制器为三菱品牌,点数为48点。

    型号: FX2N-48M-001

    3能量回馒单元选择

3.1制动电压选择

    制动电压选择过低.当电网电压升高时，会造成制动单元误动作。而制动电压选择过高，对设备的安全运行构成威胁对380V系统，制动电压一般选700V。

    3.2制动电流选择

    制动电流是指制动时流过制动电阻和制动单元的直流电流。

    选择依据：制动必须完全吸收电机的再生电能

    制动吸收功率(U×I)=电机再生电能(瓦)=1000×P×η

    P____电机额定功率(kW)

    U____制动单元直流工作点，通常取700V

    I____ 制动电流(A)

    η____回馈时机械能的转换效率，通常取η=0.7

    计算得:I=115

    3.3功率选择

    电机再生电能必须被吸收并回馈电网

    PR=P×Kf×η×ε

    PR————回馈单元功率(Kw)

η____回馈时机械能的转换效率，通常取η=0.7

    ε____制动功耗安全系数.取ε =1.4

    Kf____制动频率，指再生过程占整个电机工作的时间比例

    查相关资料Kf取60%

    计算得PR =67.62 kW

    选取回馈单元功率70 kW

五、改造收益

    1运行效果

    系统投入运行后，绞车操作方便、运行平稳，绞车控制室的环境温度、噪音得到极大改善。为操作工提供了良好的工作环境

    2节能效果

    2008年1-5月份提升单耗为2.92度/t.，2009年1-5月份提升单耗为1.66度/t，单耗降低1.26 度/t，单耗下降率43.15%, 2008年提升矿石132334吨，节电16.67万度，综合电价按0.528元/度计算，年少支出电费8.804万元。

    总之，变频调速系统在井下提升机系统中的应用，可以很好地解决调速和启动等问题，实现了软启动、软停车，减少了机械冲击使运行更加平稳可靠；起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化了操作、降低了工人的劳动强度;运行速度曲线成S形，使加减速平滑、无撞击感；安全保护功能齐全.除一般的过压、欠压、过载、短路、温升等保护外，还设有联锁保护、自动限速保护等，在坑下斜并绞车推广用变频调速系统代替串电阻调速系统，是提高矿山坑下斜井绞车技术含量，并且开辟节能挖潜的一条新途径。