摘 要：針對交流提升機(jī)串電阻調(diào)速電控完成PLC改造后存在的缺點(diǎn)，通過改造方案的對比，提出了利用原有PLC引進(jìn)高壓變頻器的技術(shù)改造方案，結(jié)果表明改造后運(yùn)行平穩(wěn)可靠、精度高、節(jié)能效果明顯，縮短了提升時(shí)間，取得了良好的效益。

關(guān)鍵詞：PLC高壓變頻器；提升機(jī)；電控系統(tǒng)

引言

礦井提升機(jī)是礦井開采中的重要設(shè)備，礦井提升機(jī)的安全和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)不僅關(guān)系著礦井的生產(chǎn)，而且還涉及到礦井職工的生命安全，特別是電控系統(tǒng)在很大程度上制約著礦井的安全生產(chǎn)，因此使提升機(jī)的電控系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)成為礦井工程技術(shù)人員重點(diǎn)研究的重要課題[1]。對于礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)改造來講，不僅要利用好原有的設(shè)備，還要將原有設(shè)備和新設(shè)備密切地配合來保證系統(tǒng)的可靠性。目前，我國礦井提升機(jī)普遍采用的是電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)，通過逐級切斷串入的電阻，來達(dá)到分級調(diào)速的目的。這種調(diào)速方法屬于功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)，耗電量較大；而且這種調(diào)速系統(tǒng)的控制性能不夠理想，還會(huì)給電網(wǎng)造成很大的諧波影響。提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造是必然趨勢，由于變頻調(diào)速的調(diào)速特性很好，過渡過程非常平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯。因此，將變頻調(diào)速技術(shù)、可編程控制器（PLC）技術(shù)應(yīng)用到提升機(jī)電控系統(tǒng)當(dāng)中，是提升機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保障。

1 礦井提升機(jī)的概況

1.1 概述

西馬煤礦副井絞車在上世紀(jì)1985年8月安裝，絞車型號(hào)：JKM-2.8/4（Ⅱ），洛陽礦山機(jī)械廠生產(chǎn)。電機(jī)型號(hào)YR630-12/1430，哈爾濱電機(jī)廠生產(chǎn)。在2004年電控系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，電控設(shè)備采用了天津民益公司生產(chǎn)的TKM-D2-PC2電控系統(tǒng)，采用了PLC-SCR編碼啟動(dòng)電控系統(tǒng)取代了原來的繼電器-接觸器電控系統(tǒng)；用KDG可控硅低頻裝置代替了原來的KZC動(dòng)力制動(dòng)系統(tǒng)。電控系統(tǒng)采用SIEMENS的S7-300型PLC作為控制主元件，S7-200型PLC作為后備保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了雙線保護(hù)。轉(zhuǎn)子切換采用了SLR編碼控制技術(shù)，用無觸點(diǎn)的可控硅交流開關(guān)切換轉(zhuǎn)子電阻，將啟動(dòng)級數(shù)增加至20級。

1.2 目前系統(tǒng)缺點(diǎn)

西馬煤礦副井提升機(jī)電控2004年的技術(shù)改進(jìn)，使提升機(jī)的安全性能有了進(jìn)一步的提高，但經(jīng)過八年多運(yùn)行還存在著缺點(diǎn)。

（1）改造后，仍然是采用交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，盡管采用了SCR20級編碼調(diào)速，還存在著開環(huán)有級調(diào)速，電機(jī)加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差，電機(jī)啟動(dòng)電流及切換電流沖擊大，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，存在著電氣及機(jī)械沖擊。（2）轉(zhuǎn)子回路串接金屬電阻，在負(fù)力提升和低速時(shí)浪費(fèi)電能嚴(yán)重。（3）維修量大，不方便，由于操作時(shí)交流接觸器頻繁動(dòng)作，易造成觸點(diǎn)及線圈的燒壞，轉(zhuǎn)子更換碳刷頻繁[2]。（4）在減速點(diǎn)換速時(shí)，交流電控存在失控區(qū)，換速時(shí)電機(jī)出現(xiàn)震動(dòng)，在副井提升特別是負(fù)力提升尤為明顯。

2 技術(shù)改造的理由

隨著產(chǎn)量、技術(shù)、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，現(xiàn)有絞車已經(jīng)滿足不了安全生產(chǎn)的需要，必須進(jìn)行技術(shù)改造。改造理由：（1）隨著原煤產(chǎn)量的不斷提升，挖掘工作量急劇上升，在現(xiàn)有提升條件下，副井提升系統(tǒng)滿足不了生產(chǎn)需要。（2）原電控系統(tǒng)有些功能是電參量與機(jī)械閘形成閉環(huán)控制，跟隨性很差，導(dǎo)致電氣保護(hù)功能、控制精度和可靠性較差，控制系統(tǒng)相關(guān)的保護(hù)功能失效，系統(tǒng)運(yùn)行安全得不到保證。（3）有環(huán)流低頻電源裝置元件多，閉環(huán)調(diào)節(jié)困難，閉環(huán)控制性能難以得到保障，常出現(xiàn)過流及可控硅損壞等故障，造成緊急制動(dòng)，影響副井的正常運(yùn)行[3]。（4）原系統(tǒng)的低頻制動(dòng)，只是在減速后投入運(yùn)行，不能保證電氣制動(dòng)在全程隨時(shí)投入。

3 技術(shù)改進(jìn)方案對比

目前，國內(nèi)比較先進(jìn)的礦用提升機(jī)電控系統(tǒng)有直流控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子變頻控制系統(tǒng)和高壓變頻控制系統(tǒng)三種。下面分別對三種調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。

3.1 直流控制

直流調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速性能好、調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)；起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；過載能力強(qiáng)、能承受較頻繁的沖擊負(fù)荷；系統(tǒng)安全可靠，動(dòng)態(tài)性能、靜態(tài)性能指標(biāo)高。缺點(diǎn)：以晶閘管整流設(shè)備為基礎(chǔ)的直流調(diào)速系統(tǒng)的諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)低，且目前大部分煤礦現(xiàn)有提升機(jī)配用的是交流異步電動(dòng)機(jī)。如采用直流調(diào)速系統(tǒng)，需將現(xiàn)有提升電機(jī)更換為直流電機(jī)，相應(yīng)增加改造成本。

3.2 轉(zhuǎn)子變頻

轉(zhuǎn)子變頻的優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)舊系統(tǒng)升級改造，且系統(tǒng)改造方便，接線簡單；硬件結(jié)構(gòu)簡單，故障點(diǎn)少；啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小，減輕了電網(wǎng)的沖擊；能量回饋節(jié)省電能。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)最大電磁轉(zhuǎn)矩下降；功率因數(shù)低，電流諧波大；調(diào)速范圍窄，調(diào)速精度比較低；低速時(shí)特性變差；對于舊系統(tǒng)改造有一定的局限性。

3.3 高壓變頻

高壓變頻的優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)舊系統(tǒng)升級改造；電控系統(tǒng)簡單，安裝調(diào)試方便；功率因數(shù)高，電流諧波??；調(diào)速效率高；調(diào)速范圍寬，調(diào)速精度高；調(diào)速平滑性好；啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小，延長設(shè)備壽命；技術(shù)先進(jìn)，可靠性高；恒轉(zhuǎn)矩低速爬行時(shí)速度平穩(wěn)；有效消除了減速失控區(qū)；低速大轉(zhuǎn)矩，能量回饋效率高；節(jié)能效果顯著。缺點(diǎn)：變頻器的技術(shù)復(fù)雜；維護(hù)檢修困難。

通過對三種礦用提升機(jī)電控系統(tǒng)的對比，綜合評價(jià)和結(jié)合實(shí)際情況西馬煤礦副井提升機(jī)電控改造選用高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。

4 方案實(shí)施

原有的PLC硬件系統(tǒng)不動(dòng)，只對提升機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造。拆除原有的提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備，保留高壓開關(guān)柜、低壓電源柜，升級PLC控制柜、操作臺(tái)及監(jiān)控系統(tǒng)，新安裝一套全數(shù)字高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速系統(tǒng)選用北京合康億盛變頻科技股份有限公司生產(chǎn)的HIVERT系列6kV/1250kW高壓變頻器。可編程控制器PLC和高壓變頻器相結(jié)合應(yīng)用于提升機(jī)控制系統(tǒng)中，能夠使礦井提升機(jī)的控制性能和自動(dòng)化水平、安全性、可靠性都達(dá)到了新的高度，克服了原礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)存在的可靠性差、故障率高、電能浪費(fèi)大以及安全保護(hù)、閉鎖、監(jiān)測系統(tǒng)不完善等缺點(diǎn)，大大提高了礦井的安全程度和經(jīng)濟(jì)效率。

5 PLC-高壓變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)的特性

（1）采用具有活躍前端能量回饋特性的四象限變頻器，具有優(yōu)良的軟、硬件保護(hù)功能和控制功能，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍的變頻驅(qū)動(dòng)方案。（2）具有接近于1的功率因數(shù)和大于95%的能量轉(zhuǎn)換效率，電流諧波成分少，無須功率補(bǔ)償器和諧波抑制設(shè)備。（3）具有類似或優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。運(yùn)行速度曲線成S形，加減速平滑，無撞擊感。（4）系統(tǒng)具備全面的故障檢測，可靠的故障報(bào)警保護(hù)功能。安全回路獨(dú)立于其它正?；芈罚捎糜?jì)算機(jī)軟保護(hù)加高靠性的繼電器雙層保護(hù)回路，獨(dú)立運(yùn)行互為安全冗余，其工作狀態(tài)可在監(jiān)視器上監(jiān)視。（5）節(jié)能效果顯著，大大降低了用電量。（6）有效地利用了原電控系統(tǒng)的設(shè)備，節(jié)省了投資。

6 效益分析

（1）高壓變頻系統(tǒng)以后，相比原低頻拖動(dòng)系統(tǒng)仍然降低了電能損耗，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2013年6月至2013年11月，共6個(gè)月的平均噸煤電耗為1.211kw·h，相比往年同期1.375kw·h降低了11.93%。（2）高壓變頻系統(tǒng)以后，每個(gè)提升循環(huán)可節(jié)約10s時(shí)間，每小時(shí)可比原系統(tǒng)多提升2.72個(gè)循環(huán)，提高了副井提升的工作效率。（3）經(jīng)過測試，整個(gè)副井提升機(jī)系統(tǒng)的功率因數(shù)達(dá)到了0.95以上，與原系統(tǒng)相比，提高了0.15以上，對改善電網(wǎng)環(huán)境起到了很好的作用。

7 結(jié)束語

文章針對西馬煤礦副井提升機(jī)PLC-SCR編碼啟動(dòng)電控系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)形勢和煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，提出了利用原有PLC引進(jìn)高壓變頻器的交流調(diào)速技術(shù)改造方案。通過實(shí)踐證明PLC-高壓變頻器的改造方案是可行的，克服了PLC-SCR編碼啟動(dòng)電控系統(tǒng)的缺陷，并且取得了良好的效益。

參考文獻(xiàn)

[1]高壓變頻器在礦山提升機(jī)上的應(yīng)用[EB/OL].2012-02-09.

[2]康知平.變頻節(jié)電技術(shù)在提升機(jī)上的應(yīng)用[J].煤炭科技，2014，1：67-68.

作者簡介：齊晨曦（1981-），男，遼寧沈陽人，電氣工程師，機(jī)電室主任，學(xué)士。