风光 小港煤矿提升绞车高压变频改造纪实

1引言

　　提升机是矿井的关键和重大安全设备之一，用作提升矿物和物料及设备等，是矿井系统设备的咽喉。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。传统大多数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；中高速运动振动大，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

　　山东明兴矿业集团有限公司座落在莲花山下、汶水之畔，位于新泰市城区西十公里小港村西，是一家以煤为主、多业并举的综合性生产企业集团，属国有中型二级企业。小港煤矿是明兴矿业集团的下属煤矿之一，现矿井地质储量3134.1万吨，核定为90万吨/年。该矿井为立井，主井提升机为双筒式矿井提升机，双滚筒单绳缠绕式，矿井深度 235m，双罐笼，由于当时技术条件的限制，该提升机绞车采用线绕式异步电动机，用转子串电阻的方法调速。

　　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绞车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。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，改造时无需更换。这里比较一下转子串电阻的调速方式和变频器调速方式的优缺点，详见表1。

经矿领导多方面考察、对比，煤矿决定对原提升绞车系统进行改造，最终选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的风光牌JD-BP37-400T型高压变频器提升系统对主井提升机进行改造。

3 改造方案

　　3.1原提升设备参数

　　主要设备参数如表2所示。

3.2高压提升机变频器参数

　　新风光电子公司是国内最早的从事提升机变频器研究的专业厂家，风光牌高压提升机变频器被列入国家火炬计划，产品荣获国家重点新产品、山东省科技进步奖，产品被列入国家重点节能技术推广目录第一批名单，风光高压提升机变频器填补了单元串联式多电平高压变频器不能四象限运行的国内空白，产品技术具国内领先水平。

　　风光高压提升机变频器采用先进的矢量控制技术，加速时可以实现最大的转矩输出，加速时间缩小至最短，而减速时，可以控制电机在四象限运行，输出制动转矩，减速时间缩至最短，同时，将势能转化为电能，回馈至电网，从而达到节能的目的。风光高压提升机变频器具体参数如表3所示。

3.3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。改造系统控制思路如图1所示：

主回路改造原理如图2所示：

图2中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新风光高压提升机变频器系统的特点

　　JD-BP37-400T型高压提升变频调速器采用进口IGBT为主控器件，采用先进的矢量控制调速技术，以DSP为控制核心，精心巧妙科学的程序逻辑，以彩色液晶触摸屏为人机对话界面，科学人性化的界面语言，全中文的语言显示，便于操作及查询。风光牌高压提升机变频器，即可用于鼠笼式电机也可用于绕线式电机，即可用于新矿井配套安装，也可用于老矿井改造。风光6kV高压提升变频器，采用若干个低压逆变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，每相分为6个功率单元，三相共18个单元，采用36脉冲整流，输入端的谐波成分远低于国标规定。高压提升变频器系统结构如图3所示。功率单元电路如图4所示。

控制器核心由高速32位芯片运算来实现，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。控制器及各控制单元板中采用先进的单片机等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。此外还有一个CPU，负责管理LED显示屏和键盘。

　　另外，控制器与功率单元之间采用多通道光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，并且各个功率单元的控制电源采用一个独立于高压系统的统一控制器，方便调试、维修、现场培训，增强了系统的可靠性。

　　高压提升变频器是整个电控系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。它接受操作台电控系统的操作命令，同时它又将运行状态，包括工作频率、电机电流、电源电压、电流及故障信息随时送给电控系统。变频器本身又将工作信号及工作状态自动记录以备查阅，依据用户要求连接打印设备，每班数据打印，形成设备报表。变频器的所有输入、输出接口均进行了隔离，避免对变频器引入干扰。当电机处于负力提升时，变频器实时检测进行能量回馈电网。

5高压提升机变频器与电控系统的配合

　　高压提升机变频器是整个改造系统的一个核心部分，它具有与电控系统相适配的各种接口。配合自动控制的操作台运行时，电控台向变频器发出“正转运行”、“反转运行”和“变频急停”三路开关量信号，以及一路4～20mA“给定转速”信号。变频器向电控台发出“变频器待机”和“变频器故障”两路开关量信号，以及用于显示的模拟量输出信号。电控台控制高压断路器分、合闸，变频器输出的“合闸允许”与“紧急分断”分别连入相应的控制回路中。绞车上安装的轴编码器向电控台发出电机转速及绞车位置信号。电控台接受绞车司机的操作指令。

　　变频器执行电控系统的指令，完成启动、停止及其加减速的动作。当制动手柄与主令手柄推离零位后，经过可编程控制器的运算发出模拟量信号作为高压变频器的模拟输入给定，同时发出“正转运行”或“反转运行”指令，高压变频器接收到电控台发出的指令，按照根据绞车速度曲线图设定好的加速时间进行升速。随着高压变频器输出频率由最低升至最高后，提升机进入高速段。当提升容器运行至减速点时，电控台通过输入给定控制变频器，变频器依据设定好的减速时间逐渐由最高频率向设定的爬行速度对应的频率降速，提升机从高速阶段进入减速段运行。当前速度降至爬行速度时，提升机进入到低速段运行，并保持该速度。提升容器运行到卸载位置时，电控台进行抱闸操作，同时发出“变频器急停”指令，至此完成一次提升过程。

　　整个提升机系统中设有深度指示失效、限速、过卷、反转、制动油过压、闸瓦磨损、松绳、速度监视、制动油超温、润滑油超压欠压、变频器的轻重故障等保护功能。系统能根据故障性质作出响应，必要时实施紧急制动或二级制动，确保设备及人员的安全。

　　6 改造过程

　　 改造工程流程如下：先把变频器安装到位，进行主回路线路改造，然后进行操作台的固定安装，连接操作台与变频器之间的连线，调试操作台与变频器的信号传递，正常后把变频器和操作台联入到原操作系统中统调，带重载调试这是改造中的重点部分。整个改造工程流程如图5所示：

7基本控制

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）再生能量通过功率单元来处理，如图6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。

8现场应用情况及效果

　　改造工程于2011年9月利用煤矿生产间歇进行，10月份正式投入运行。从目前运行情况看，提升绞车变频改造后，实现了电动机的真正软启动，缩短了提升时间，减少维护工作量，提高了生产效率。大大提高了提升机的安全运行。

　　变频改造后，提升机绞车运行中主要有如下好处：

　　（1）省去了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。

　　（2）克服了接触器、电阻器绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生率，提高了系统的可靠性。

　　（3）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。

　　（4）实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电动机转速，运行平稳，无转差冲击。

　　（5）提升机加减速过程的平稳控制，运行过程缆绳摆幅明显减小，人员升降舒适性明显提高。

　　（6）基本无维护工作量，操作简单，减低了维护人员和操作人员的工作强度。

　　（7）系统具有更完善的软硬件保护环节。

9结束语

　　风光高压提升机变频器在主井提升机转子串电阻电控系统改造中，不仅提高了提升系统的安全性和可靠性，而且大大减低了维护费用，节能效果明显，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。