摘要：本文主要介紹了HIVERT高壓變頻器+PLC對(duì)礦井提升機(jī)的電控改造過程與效果，事實(shí)證明，PLC+高壓變頻器的交流調(diào)速技術(shù)方案是提升機(jī)電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案，克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，調(diào)速精度高，運(yùn)行可靠，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在礦井提升系統(tǒng)中值得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵字：高壓變頻器；提升機(jī)；PLC；電控系統(tǒng)

一、 礦井提升機(jī)概況
      冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司薛村礦（風(fēng)井區(qū)）副井提升系統(tǒng)，擔(dān)負(fù)著地面至三水平之間人員、物料、矸石的提升任務(wù)，提升機(jī)在整個(gè)煤礦安全生產(chǎn)中占有重要的地位。因此，要求礦井提升機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有良好的安全可靠性、控制精度及調(diào)速性能。
     礦井提升機(jī)作為礦山最大的電氣設(shè)備之一，其耗電量占礦山總耗電量的30%—40%，并且運(yùn)行特性復(fù)雜，速度快，慣性大，一旦提升機(jī)失去控制，不能按照給定速度運(yùn)行，就可能發(fā)生超速、過卷等重大安全事故，造成設(shè)備損壞甚至人員傷亡。因此，礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)的技術(shù)性能和可靠性直接影響著礦井的安全生產(chǎn)。
     目前，副井提升機(jī)電控系統(tǒng)多采用交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，由于采用常規(guī)繼電器控制，導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)速精度低，可靠性差，維護(hù)費(fèi)用大，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)，易引起電氣及機(jī)械沖擊；且控制線路復(fù)雜，工作穩(wěn)定性和可靠性差，缺少故障診斷功能，排查故障困難；轉(zhuǎn)子回路串接金屬電阻，白白消耗電能造成能源浪費(fèi)；電機(jī)滑環(huán)處容易發(fā)生接觸不良，引起設(shè)備故障，造成維護(hù)工作量增加及維修材料費(fèi)用升高；并且所有接線端子裸露在外，暴露在空氣中，給提升安全帶來極大的危害。因此，對(duì)該類型提升機(jī)電控調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)是非常必要的。

 

2.交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)

     在加速過程中，交流接觸器KM1—KM10逐級(jí)吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，在定子繞組上施加低頻電源，讓電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電伏態(tài)。
這種拖動(dòng)方案存在的問題是：
（1）開環(huán)有級(jí)調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差；
（2）觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差；
（3）運(yùn)行效率低，在低速時(shí)大部分電能都消耗在電阻上；
（4）電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機(jī)輸出功率的20%—30%；
（5）接觸器經(jīng)常吸合與斷開，噪音比較大。
     此種電控調(diào)速方控制方式簡(jiǎn)單、技術(shù)性能和運(yùn)行效率低，不符合《機(jī)電安全質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)》要求：提升系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)PLC控制。不適應(yīng)目前節(jié)能減排新形勢(shì)的要求，是這次電控系統(tǒng)改造的主要原因所在。

 
二、技術(shù)改造的理由
     隨著薛村礦原煤產(chǎn)量的不斷提升，開掘工作量急劇上升，特別是三水平重點(diǎn)工程，隨著該工程的快速開拓，礦井排矸量也相應(yīng)地增加，在現(xiàn)有提升條件下，副井提升系統(tǒng)只能采用壓縮檢修時(shí)間來滿足生產(chǎn)需要。

     副井提升電控系統(tǒng)現(xiàn)使用的電控裝置為JKMK—J—B—300I型常規(guī)繼電器控制系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的方式，此調(diào)速方式技術(shù)相對(duì)落后，無效功耗過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運(yùn)行效果很不理想該系統(tǒng)由常規(guī)的繼電器、自整角機(jī)、磁放大器等電氣元件組成邏輯控制電路。電氣控制系統(tǒng)雖然設(shè)計(jì)有多種控制功能，但有些功能在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)起來非常困難；并且控制邏輯功能使用了大量的電氣觸點(diǎn)，這些觸點(diǎn)又都是暴露在空氣中，受灰塵和大氣氧化的影響，時(shí)有失效現(xiàn)象發(fā)生；再加上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，而且維護(hù)工作量較大。
     提升系統(tǒng)在調(diào)速區(qū)運(yùn)行時(shí)，速度的調(diào)節(jié)和控制主要方法是在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻和利用工作閘來調(diào)整拖動(dòng)力矩，在調(diào)速過程中大量電能白白消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，不但造成了大量電能的浪費(fèi)和調(diào)速電阻工作溫度升高，壽命縮短，維護(hù)量和維護(hù)費(fèi)用增大，而且電阻室空間空氣溫度很高（夏季溫度在50℃以上）。
     提升系統(tǒng)工作在加速、減速、爬行區(qū)的時(shí)間占全程運(yùn)行時(shí)間的70%，司機(jī)需要頻繁操作來完成提升工作，司機(jī)頻繁操作且極易疲勞。
因此，對(duì)該系統(tǒng)電控進(jìn)行技術(shù)改造，解決系統(tǒng)存在的問題和弊病，提升系統(tǒng)安全運(yùn)行系數(shù)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能運(yùn)行非常必要。
     礦領(lǐng)導(dǎo)通過考察國內(nèi)用戶現(xiàn)場(chǎng)使用提升機(jī)變頻器的實(shí)況后，決定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，對(duì)副井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。將現(xiàn)使用的JKMK—J—B—300I型電控系統(tǒng)更新改造為JKMK/GBP-NT-1250KW/6KV型全數(shù)字高壓變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)，副井絞車提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變頻器+PLC控制，提升機(jī)能夠按照預(yù)定的速度圖要求實(shí)現(xiàn)平滑的起動(dòng)、運(yùn)行、減速、爬行、制動(dòng)和停車。

三、 方案實(shí)施
     拆除原有電控系統(tǒng)的電力拖動(dòng)部分，重新安裝一套全數(shù)字高壓變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)。全套提升電控主要由高壓配電系統(tǒng)、高壓變頻器、低壓電源柜、提升數(shù)控柜、全數(shù)字高壓變頻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化操作臺(tái)及計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成。操作系統(tǒng)選用西門子公司原裝PLC（S7系列）作為操作控制中心，采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)的工藝控制和安全保護(hù)；安全保護(hù)采用以軟件、硬件兩路安全回路實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。
     該電控系統(tǒng)具有活躍前端能量回饋特性的四象限變頻器，直接向鼠籠式交流電機(jī)供電，構(gòu)成高性能、數(shù)字化的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。具有優(yōu)于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良機(jī)械特性，不僅提升工藝過程優(yōu)良，具有啟動(dòng)力矩大，過載能力強(qiáng)、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，而且節(jié)能效果顯著，使得整機(jī)效率大大提高。
采用6KV/1250KW的高壓變頻調(diào)速裝置將50Hz工頻變成0~50Hz連續(xù)可調(diào)的變頻電源，電動(dòng)狀態(tài)時(shí)從電網(wǎng)吸取能量，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)力；制動(dòng)狀態(tài)時(shí)工作于逆變狀態(tài)，將能量返回電網(wǎng)，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力，完成對(duì)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、驗(yàn)繩、低于額定速度運(yùn)行等控制過程。此外，調(diào)速柜柜門上設(shè)置有觸摸屏控制主界面（12寸真彩漢顯操作面板），具有運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄，運(yùn)行故障查詢和參數(shù)設(shè)定功能。
全數(shù)字高壓變頻提升機(jī)電控系統(tǒng)具有如下特性：
     1）采用具有活躍前端能量回饋特性的四象限變頻器，1、具有啟動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)特性精度高等優(yōu)點(diǎn)；2、具有能量回饋電網(wǎng)功能。電動(dòng)狀態(tài)時(shí)從電網(wǎng)吸取能量，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生電動(dòng)力；制動(dòng)狀態(tài)時(shí)工作于逆變狀態(tài)，將能量返回電網(wǎng)，節(jié)能效果顯著。
     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，電流諧波成份少，無須功率補(bǔ)償器和諧波抑制設(shè)備。
     3)通過改變送入主電機(jī)的電源頻率和電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)速度的控制。
     4）全系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速， 自動(dòng)控制運(yùn)行速度。
     5）在系統(tǒng)運(yùn)行的加、減速階段，變頻系統(tǒng)根據(jù)速度要求自動(dòng)調(diào)整輸出功率，滿足負(fù)荷需求，使電能得到充分利用。
     6）在負(fù)力提升、控制速度運(yùn)行及減速時(shí)，變頻系統(tǒng)可將提升系統(tǒng)的機(jī)械能部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞侂娋W(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
     7）啟動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，降低了電機(jī)的噪音和故障率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)，軟停止。
     8）節(jié)能效果明顯，大大降低了用電量，節(jié)約了運(yùn)輸設(shè)備對(duì)電能的損耗。

四、效益分析及推廣前景
     采用高壓變頻電控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造后，系統(tǒng)的邏輯控制和控制功能均利用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，使用規(guī)電器元件數(shù)量大量減少，克服了常規(guī)電器元件大量使用所帶來的諸多問題；同時(shí)系統(tǒng)的控制精度大為提高（可精確到0.01米）；保護(hù)功能更趨完善，不但可達(dá)到“煤礦安全規(guī)程”對(duì)絞車保護(hù)設(shè)置的規(guī)定，而且可實(shí)現(xiàn)雙線制控制和安全冗余功能，還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要增設(shè)新的安全保護(hù)和控制功能。因此，對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全和可靠性十分有利。
1、社會(huì)效益：
     由于全自動(dòng)電控系統(tǒng)采用了高科技產(chǎn)品，降低了司機(jī)的工作量，改用全自動(dòng)電控系統(tǒng)，降低了維護(hù)工作量。提高了安全系數(shù)，保證了安全提升安全，從安全和維護(hù)工作量來說，有著良好的社會(huì)效益。
2、經(jīng)濟(jì)效益：
     1）采用變頻調(diào)速后，可避免潮濕天氣發(fā)生電氣事故，按兩年更換一套高壓接觸器計(jì)算，兩年可節(jié)約6萬元，年可節(jié)約3萬元。
因副井停車造成的間接損失達(dá)10萬余元，包括影響進(jìn)尺、產(chǎn)量等。
還有出現(xiàn)緊急停車事故，對(duì)鋼絲繩造成損壞，使用全自動(dòng)就可避免緊急停車，制動(dòng)平穩(wěn)，可延長(zhǎng)鋼絲繩 的使用壽命。
     2）薛村礦（風(fēng)井區(qū)）副井提升機(jī)使用后與使用前耗電量的比較，可節(jié)電27%，按此計(jì)算，副井現(xiàn)每勾耗電17.5KW/h（由絞車技術(shù)性能測(cè)定報(bào)告中查出），副井絞車目前提升勾數(shù)為250勾，每年按350天計(jì)算，每KW/h按   0.53元，年可節(jié)電413437.5度，節(jié)資21.91萬元
       0.27Χ17.5Χ250Χ350=413437.5KW/h
       0.53Χ413437.5=219121.88元=21.91萬元
     3）采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，甩掉了交流接觸器及時(shí)間繼電器等，不再造成觸點(diǎn)及線圈燒壞，金屬電阻箱頻繁燒壞，也不必頻繁更換碳刷，年可節(jié)約材料費(fèi)及其它費(fèi)用共計(jì)2.2萬元。
     4）年節(jié)約維修工時(shí)費(fèi)用
     副井絞車電控系統(tǒng)變頻改造后，大大降低了維修量，變頻器的平均無故障時(shí)間為20—30年，從而省去現(xiàn)有控制系統(tǒng)的周檢、月檢及停產(chǎn)檢修的維修工時(shí)費(fèi)。
  粗略計(jì)算（按每年50周、8人參加檢修、8小時(shí)周檢、平均日薪70元。月檢可減少5人，）每年檢修工時(shí)費(fèi)：
        50×5×70=17500元=1.75萬元
     5）年節(jié)約總費(fèi)用為
        6+10+21.91+2.2+1.75=41.86萬元
     冀中能源峰峰集團(tuán)有限公司薛村礦（風(fēng)井區(qū)）副井提升系統(tǒng)采用變頻器調(diào)速以后，調(diào)速精度高，噪聲污染消失，操作也方便，深受現(xiàn)場(chǎng)操作工的歡迎；更重要的是絞車運(yùn)行可靠，而且節(jié)電效果顯著，具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
     從目前各種不同的技術(shù)改造方案對(duì)比來看，PLC+高壓變頻器的交流調(diào)速技術(shù)方案是提升機(jī)電控系統(tǒng)改造的優(yōu)選方案。PLC+高壓變頻器的交流調(diào)速技術(shù)的新型電控系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于礦井提升系統(tǒng)中，并取得了較好的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷，在礦井提升系統(tǒng)中值得推廣應(yīng)用。