周雨松，梁偉艷，張軍峰

（1.西安利雅得電氣股份有限公司，陜西西安710075；2.天水電氣傳動研究所有限責(zé)任公司，甘肅天水741020）

1 引言

礦井提升機是礦井的咽喉設(shè)備，擔(dān)負(fù)著井下井上之間設(shè)備及人員的輸送任務(wù)，尤其是交通罐提升機，更是礦山中的一級負(fù)荷，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》及《供配電設(shè)計規(guī)范》，必須配置相互獨立的雙路或3 路電源。對交通罐提升機，一般配置3 路供電電源，其中2 路來自礦山的工業(yè)電網(wǎng)，第3 路來自發(fā)電機組。針對這樣的要求，本文分析設(shè)計了一種在工業(yè)電網(wǎng)和發(fā)電機組切換下工作的礦井提升機變頻控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 工業(yè)電網(wǎng)

礦山的工業(yè)電網(wǎng)一般短路容量比較大，電網(wǎng)波動相對較小，同時允許能量回饋電網(wǎng)。

2.2 發(fā)電機組電網(wǎng)

發(fā)電機組電網(wǎng)一般短路容量小，電網(wǎng)波動大，且禁止能量向發(fā)電機組回饋。

2.3 礦井提升機控制系統(tǒng)

礦井提升機是一種位勢性負(fù)載，因此對提升機控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)必須能夠四象限運行［1］。

2.4 設(shè)計思路

基于對礦井提升機控制系統(tǒng)基本要求以及工業(yè)電網(wǎng)與發(fā)電機組電網(wǎng)特點的分析，本文設(shè)計了一種在工業(yè)電網(wǎng)和發(fā)電機組切換下工作的礦井提升機變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)必須具備四象限運行能力，同時還不能向發(fā)電機組回饋能量，這樣我們有如下兩種解決思路：

（1）一種思路是采用單象限變頻器，配置制動單元和制動電阻，其傳動系統(tǒng)圖如圖1所示。

當(dāng)提升機控制系統(tǒng)在減速或重載下放時，電動機為發(fā)電狀態(tài)，能量通過制動單元，消耗在制動電阻上。這種方法無論是在工業(yè)電網(wǎng)下還是在發(fā)電機組電網(wǎng)下，系統(tǒng)的配置和工作狀態(tài)完全相同，沒有任何能量回饋電網(wǎng)。它的缺點是能量不能回饋，均消耗在制動電阻上，系統(tǒng)能耗大。但這是一種比較常見成熟的方案，很多設(shè)備廠家都可以提供這種變頻器的應(yīng)用方案，下文中不再贅述。

圖1 單象限變頻器配制動單元及制動電阻的傳動系統(tǒng)圖

（2）另一種思路是采用四象限變頻器，同時配置制動單元和制動電阻，其系統(tǒng)圖和圖1很接近，只是將二極管整流部分改成了IGBT 整流，這樣能量可以回饋電網(wǎng)。

當(dāng)系統(tǒng)工作在工業(yè)電網(wǎng)下時，切除制動單元和制動電阻，變頻器四象限工作，在提升機系統(tǒng)減速或重載下放時，電動機為發(fā)電狀態(tài)，能量直接回饋電網(wǎng)，實現(xiàn)回饋制動；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電機組電網(wǎng)時，變頻器切換為單象限工作，投入制動單元和制動電阻，在提升機系統(tǒng)減速或重載下放時，電動機為發(fā)電狀態(tài)，能量通過制動單元，消耗在制動電阻上。這種方法結(jié)合了工業(yè)電網(wǎng)下四象限能量回饋和發(fā)電機組下單象限變頻能量消耗的兩種特點。由于礦井提升機絕大部分時間均工作在工業(yè)電網(wǎng)下，僅在極少數(shù)應(yīng)急情況下才工作在發(fā)電機組電網(wǎng)下，因此能極大的減少能耗保證系統(tǒng)性能，同時又能兼顧緊急情況下系統(tǒng)安全可靠運行，是一種很好的解決思路。

3 具體方案

圖2 提升機變頻控制系統(tǒng)方案配置圖

根據(jù)以上第二種思路，本文設(shè)計了一種在工業(yè)電網(wǎng)和發(fā)電機組切換下工作的礦井提升機變頻控制系統(tǒng)，其具體方案配置如圖2所示。由上圖可知，本提升機變頻控制系統(tǒng)配置了電源柜APG、程控柜APC、饋電柜HV5、變壓器TS、司機臺CD／CL／CR、液壓站LS、信號系統(tǒng)SG、井筒開關(guān)WE、監(jiān)控計算機PL、主電機MT 以及四象限變頻器（包括進(jìn)線ALC、濾波ALM、有源整流AIM、逆變MMI）和制動控制器BKM、制動電阻BKR 等。

3.1 提升機部分參數(shù)

型號：JKMD－2.25×2（I）

電機功率：200kW 電機電壓：380VAC

電機轉(zhuǎn)速：743r／min 電機頻率：50 Hz

3.2 變頻器選型

四象限變頻器采用西門子公司的SINAMICS S120 系列變頻器。SINAMICS S120 變頻器是一款高性能單電機或多電機傳動裝置。它是一種集V／F、矢量控制及伺服控制于一體的驅(qū)動控制系統(tǒng)，它不僅能控制普通的三相異步電動機，還能控制同步電機、扭矩電機及直線電機。其結(jié)構(gòu)具有配置靈活、系統(tǒng)模塊化、排布緊湊、柜體美觀等特點，幾乎可適應(yīng)于任何交流應(yīng)用場合，特別適合于需要協(xié)調(diào)控制由多個電機組成的傳動系統(tǒng)，比如造紙機、軋機、提升機、試驗臺等［2］。

S120 變頻器主要包括進(jìn)線ALC、有源濾波ALM、有源整流AIM、逆變MMI 和控制器等［3］。

（1）進(jìn)線ALC 是進(jìn)線側(cè)開關(guān)和保護(hù)器件，包括進(jìn)線接觸器、隔離開關(guān)、熔斷器等。

（2）有源濾波ALM 必須與有源整流裝置同時使用，有源濾波裝置包含帶有基本RI 抑制的電網(wǎng)凈化濾波器、充電電路、進(jìn)線電源電壓檢測電路和監(jiān)控傳感器。

（3）有源整流AIM 采用IGBT 橋，有源整流模塊總是與相關(guān)的有源濾波裝置一起運行，提供高性能的整流／回饋控制，它可以整流供電并能將能量反饋給電網(wǎng)。它會產(chǎn)生一個可控制的直流電壓，這個直流電壓會在電源電壓允許的波動范圍內(nèi)保持一個穩(wěn)定值。無論電壓怎樣變化，有源整流在電源側(cè)產(chǎn)生實際電流效果接近正弦波，并能抑制有害的諧波。有源整流運行所需要的組件都集成在有源整流單元中。

（4）逆變AIM 實際上就是一個帶IGBTs 的自換流逆變器。它將直流電壓轉(zhuǎn)換成頻率電壓可變的靜止電源，從而拖動電機。

（5）控制單元：控制有源整流和逆變單元，每一種控制單元都是基于目標(biāo)導(dǎo)向的SINAMICS 標(biāo)準(zhǔn)固件，包括所有的通用的控制模式并能夠調(diào)整以滿足最高的性能要求。它具備矢量控制、伺服控制、V／f 控制等功能。本設(shè)計中變頻器的具體選型見表1。

表1 變頻器具體配置型號表

圖3 制動單元及制動電阻的連線圖

3.3 制動單元及制動電阻選型

制動模塊和配套的外部制動電阻的作用是在故障情況下（例如：緊急停車等），使傳動裝置可控停車，或者在整流裝置不能回饋能量的情況下，控制直流回路電壓，進(jìn)行短時間的制動運行。制動模塊包括電力電子器件和相關(guān)的控制回路。運行期間，直流回路的能量通過外部制動電阻轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。用DIP 開關(guān)來設(shè)定制動模塊的激活閥值，其連接［4］如圖3所示，本設(shè)計中具體選型見表2。

表2 制動單元及制動電阻具體型號表

3.4 切換功能設(shè)計

無論是四象限的變頻器，還是單象限配置制動單元和制動電阻的應(yīng)用系統(tǒng)，都是非常成熟的，各種應(yīng)用實例很多。本設(shè)計的創(chuàng)新之處就在于將兩者結(jié)合起來，使之滿足礦井提升機在工業(yè)電網(wǎng)與發(fā)電機組電網(wǎng)切換模式下的特殊場合。因此，本系統(tǒng)中如何設(shè)計控制切換是其核心，而S120 變頻器就具備這種切換能力。

（1）變頻器單象限／四象限功能切換：S120 變頻器功能強大，參數(shù)很多，其中，P3533 參數(shù)可以設(shè)置禁止回饋運行。這樣，通過該參數(shù)就能實現(xiàn)變頻器單象限或四象限功能的切換［5］。

（2）制動單元和制動電阻投切控制：制動單元端子X21.3 設(shè)置高電平，可以禁止制動模塊。這樣，制動單元和制動電阻的投切通過控制X21.3 端子上的信號即可實現(xiàn)。

3.5 程序控制設(shè)計

本程序中首先將電網(wǎng)切換開關(guān)信號輸入PLC中，判斷電網(wǎng)狀態(tài)，并對變頻器和制動單元都作出正確的切換配置，然后其他的程序編制及變頻器參數(shù)設(shè)置和普通的提升機完全一樣，這里不再贅述，其程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 實施效果

本設(shè)計已于2013年在陜西某煤礦交通罐設(shè)計中得到了實際應(yīng)用，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，完全滿足礦山工業(yè)電網(wǎng)與發(fā)電機組切換下的應(yīng)用要求，得到了用戶的一致好評。

5 結(jié)束語

項目實施效果充分證明本設(shè)計的可行性及可靠性。它不僅滿足礦山提升機在工業(yè)電網(wǎng)下充分節(jié)能降耗的要求，而且保證了系統(tǒng)在發(fā)電機組應(yīng)急電源下的安全可靠能力，是一種值得推廣的、可用于工業(yè)電網(wǎng)和發(fā)電機組電網(wǎng)下的經(jīng)濟(jì)可靠的提升機變頻控制系統(tǒng)。

［1］王清靈，龔幼民.現(xiàn)代礦井提升機電控系統(tǒng)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.1－6.

［2］高性能多機傳動變頻調(diào)速器產(chǎn)品目錄D21.3.CN［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2010.

［3］SINAMICS S120 書本型功率部件設(shè)備手冊［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2012.27－600.

［4］SINAMICS S120 控制單元設(shè)備手冊［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2012.23－247.

［5］SINAMICS S120／S150 參數(shù)手冊［Z］.北京：西門子（中國）有限公司，2012.