武鈺

（潞安新疆煤化工（集團）有限公司，新疆 哈密 839003）

1 引言

煤礦提升機是煤礦的關(guān)鍵設備之一，其作用是提升煤炭、升降人員和設備、提升矸石、下放物料等，在整個煤礦生產(chǎn)中占有十分重要的地位。煤礦提升機安全、可靠、高效、準確的運行集中體現(xiàn)在提升機的電氣控制部分，其電控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響煤礦生產(chǎn)及人身安全。

礦井提升機制動經(jīng)歷了交流－直流－交流發(fā)展過程，電控系統(tǒng)則經(jīng)歷了繼電器－接觸器控制、分立元件構(gòu)成的電子式控制，再到PLC或計算機的數(shù)字控制模式變化。

圖1 提升速度五階段圖

2 提升機運行速度

提升速度一般設計為五階段。如圖1所示。各運行階段參數(shù)為：最大運行速度Vmax，加速度a，爬行速度Vcreep，以及爬行距離。

3 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子切電阻調(diào)速控制

由于交流電機具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊堅固、容量大、價格低、應用場合廣泛和能直接使用交流三相電源等特點，目前我國中小型煤礦提升機大量使用繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子切電阻調(diào)速控制系統(tǒng)。

為了使提升機在低速時也能得到穩(wěn)定運行區(qū)域，同時加大啟動轉(zhuǎn)矩和減小啟動電流，必須在電動機轉(zhuǎn)子串適當?shù)碾娮?，以獲得較好的啟動特性。

繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制主電路如圖2所示，轉(zhuǎn)子共串有八級起動電阻。

圖2 繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子切電阻調(diào)速控制主電路

在啟動時轉(zhuǎn)子繞組中接入八組電阻，隨著電動機轉(zhuǎn)速的不斷增加，起動電阻被逐級短接，至電動機啟動完畢，電阻全部短接切除，完成電動機的啟動過程和調(diào)速。但由于其調(diào)速為有級調(diào)速，在低速異步狀態(tài)沒有制動力矩，而提升工藝要求控制系統(tǒng)在低速爬行階段能夠工作在制動狀態(tài)（下放重物）或電動狀態(tài)（提升重物），到達井口時必須減速。故該控制方法可以選用動力制動、低頻制動進行減速和準確停車。

3.1 動力制動

當電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，切斷定子交流電輸入直流電，轉(zhuǎn)子繞組則接到外電阻上，此時不動的定子磁場與轉(zhuǎn)子電流相互作用產(chǎn)生制動力矩，電動機被制動，這種制動叫動力制動。

當減速階段提升機負力較大，特別是下放重物時，需要制動力來維持穩(wěn)定的下放速度和減速度，此時可以采用動力制動方式工作。圖3所示為繞線式異步電動機動力制動。

圖3 繞線式異步電動機動力制動

3.2 低頻制動

動力制動力矩隨著速度的降低而減小，因此不能用動力制動停車，必須采用低頻爬行方式停車。低頻制動分為低頻發(fā)電制動和低壓變頻器制動兩種方式。

當采用低頻發(fā)電制動減速時，減速開始應將主電機從50Hz的工頻電源上斷開，將其接入2.5～5Hz的三相低頻電源。此時電動機的同步轉(zhuǎn)速降低為n0＝60f／p。此時提升機的速度大于電機的低頻同步轉(zhuǎn)速，故提升機以低頻發(fā)電方式運行，電動機產(chǎn)生制動力矩。適當調(diào)節(jié)低頻電壓和轉(zhuǎn)子回路的電阻，即可以得到不同的低頻特性曲線，如圖4所示。

圖4 提升機電動機的特性曲線

低頻發(fā)電機雖然可以較好地解決制動和爬行問題。但其整個控制系統(tǒng)較復雜，使用的設備也比較多，給系統(tǒng)的維護和檢修帶來了一定的不便。因此可以考慮用低壓變頻器模擬低頻發(fā)電機實現(xiàn)低頻制動。

通用變頻器輸出的電壓與頻率在V／F控制方式下基本為線性關(guān)系，無法用690V低壓變頻器控制6000V或10000V電動機。VACON NXP系列矢量變頻器可以實現(xiàn)對控制程序進行編程，改變變頻器輸出電壓與頻率的線性關(guān)系，實現(xiàn)對電壓與頻率的分別控制，從而達到控制制動力和低頻電機的目的。

VACON變頻器低頻制動工作方式電氣接線圖如圖5所示。

低頻制動程序控制系統(tǒng)的控制器通過PLC根據(jù)主令信號啟動電動機，進行轉(zhuǎn)子電阻的投切，切換到變頻器低頻制動的狀態(tài)并給出變頻器的工作方式，完成提升機的工作控制和安全保護。如表1所示為變頻器工作方式。

圖5 變頻器連接圖

表1 變頻器工作方式

低頻制動程序控制采用內(nèi)置于變頻器的模糊PID控制算法。模糊PID控制器由參數(shù)可調(diào)整PID控制器和模糊推理機兩部分組成，其控制原理框圖如圖6所示。

圖6 內(nèi)置于變頻器的模糊PID控制器系統(tǒng)框圖

提升機的主電機的速度n與給定速度曲線ng的差值作為偏差e。偏差e和偏差變化率ec作為模糊推理機的輸入量，根據(jù)模糊控制原理對PID參數(shù)進行修改，控制變頻器輸出電壓以達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。低頻制動開始時電機的速度先產(chǎn)生一個低頻制動速度曲線作為模糊PID控制器的給定ng，通過模糊PID控制器控制變頻器輸出電壓U和輸出頻率f，達到控制高壓電機的速度n，從而實現(xiàn)低頻制動控制。

當電機功率超過1000kW時，可以采用兩臺繞線式異步電動機并軸制動，即雙機制動。

4 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)

由于繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)為有級調(diào)速，調(diào)速性能較差，很難適應調(diào)速性能要求較高的場合。隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模的擴大，特別是對于井深達到600m以上的井，要求提升速度快、提升容量大且效率高的礦井，繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子切電阻調(diào)速控制已不能滿足要求，因此直流調(diào)速系統(tǒng)應運而生。

直流調(diào)速系統(tǒng)一般采用直流電動機作為主要制動電機，具有調(diào)速性能好，低速階段能夠穩(wěn)定運行，在加速、減速和低速運行時的耗電小，容易實現(xiàn)自動化控制的特點。

早期為發(fā)電機－電動機（G－M系統(tǒng)）供電的直流傳動系統(tǒng)。到20世紀70年代開始采用晶閘管－電動機（V－M系統(tǒng)）直流調(diào)速系統(tǒng)，這期間主要為模擬控制和數(shù)?；旌峡刂品绞?。直流傳動提升機控制技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展，到20世紀90年代初基本實現(xiàn)了從模擬控制技術(shù)到全數(shù)字控制技術(shù)的轉(zhuǎn)化。

如圖7所示，典型的G－M系統(tǒng)包括主回路、調(diào)速系統(tǒng)和給定部分。提升機T由直流主電動機ZD拖動，直流主電動機ZD由直流主發(fā)電機ZF獨立供電。直流主發(fā)電機ZF由同步電機TD拖動，組成變流機組。直流主電動機勵磁繞組ZD－LQ由單獨的電動機勵磁繞組供電。直流主發(fā)電機勵磁繞組ZF－LQ由電機放大機JF供電。YD為異步電動機，直流主回路由直流主開關(guān)ZK開閉。

圖7 典型的G－M系統(tǒng)

系統(tǒng)采用勵磁放大器－電機放大機二級放大的速度閉環(huán)調(diào)試系統(tǒng)，給定信號加到勵磁放大器CF的給定繞組GQ，經(jīng)放大后供給電機放大機JF的給定繞組GQ1、GQ2，經(jīng)再次放大后供給直流主發(fā)電機勵磁繞組ZF－LQ。通過提升機T硬連接的測速發(fā)電機CSF獲得速度反饋信號，加到勵磁放大器速度反饋繞組SQ，構(gòu)成速度負反饋環(huán)節(jié)。

晶閘管－電動機（V－M系統(tǒng)）直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖8所示，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角α控制直流電壓Ud。

圖8 三相橋式全控整流電路原理

可逆拖動系統(tǒng)采用電樞反并聯(lián)電路，如圖9所示，兩組整流橋（1組2組）反并聯(lián)。

圖9 電樞反并聯(lián)電路

5 交流異步電機變頻控制調(diào)速系統(tǒng)

變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的自動控制技術(shù)，它利用改變被控對象的電源頻率，成功實現(xiàn)了交流電動機大范圍的無級平滑調(diào)速，在運行過程中能隨時根據(jù)電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，在整個調(diào)速范圍內(nèi)有很高的效率，節(jié)能效果明顯。采用變頻器對異步電動機進行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟效益顯著，得到廣泛應用。變頻控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點。

（1）變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低了很多。

（2）調(diào)速連續(xù)方便，分段預置，能連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。

（3）實現(xiàn)了低頻低壓的軟啟動和軟停止，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小。

（4）啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過額定電流的1.5倍，提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，也沒有大電流出現(xiàn)，大大減小了對電網(wǎng)的沖擊。

（5）增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)，有效避免了“溜溝”現(xiàn)象。

（6）采用能耗制動、回饋制動或超級電容吸收技術(shù)，成功解決了位能負載在快速、減速或急停時的再生發(fā)電能量處理問題，保證了變頻器的安全運行。

（7）轉(zhuǎn)矩補償達到規(guī)范要求，重車啟動正常。

（8）節(jié)能效果顯著。據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達到30%左右。礦井越淺，低速段運行時間越長，節(jié)能效果越明顯。

（9）采用變頻控制后，原繞線式電機可改為普通電機，這不但降低了成本，普通電機比繞線式電機可節(jié)約投資l／3，而且避免了轉(zhuǎn)子碳片的燒損及維護。

礦井提升機變頻調(diào)速方案如圖10所示。

通用變頻器大多采用交－直－交的變頻控制方式，交－直回路又通常采用不可控整流橋，不能使電流反向，因此要實現(xiàn)回饋制動和四象限運動就比較困難。對于負載處于發(fā)電制動狀態(tài)中，必須采取措施處理這部分再生電能。主要有兩種方法，即能耗制動和回饋制動。能耗制動采用的工作方法是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動。如圖11所示。

圖10 礦井提升機變頻調(diào)速方案

圖11 變頻器能耗制動方式

對于頻繁啟動、制動的四象限運動電機而言，其發(fā)電狀態(tài)下將產(chǎn)生大量能量，如果全部消耗在電阻上，將浪費大量能源。為解決這一問題，采用再生能量回饋系統(tǒng)將制動產(chǎn)生的能量回饋到交流電網(wǎng)，實現(xiàn)了從電機到直流母線、再從直流母線到交流電網(wǎng)的能量回饋過程，這種方式叫回饋制動方式。要實現(xiàn)直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的方法就是采用有源逆變技術(shù)AFE，即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動。圖12所示為回饋電網(wǎng)制動原理圖，它采用了電流追蹤型PWM整流器，直流電壓的控制采用比例積分（PI）控制。

圖13所示為VACON AFE能量回饋電網(wǎng)變頻器波形圖。AFE（Active Front End）是有源前端整流系統(tǒng)，將交流電壓電流轉(zhuǎn)化為直流電壓電流。AFE可以將電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)化傳送到直流回路；AFE再生發(fā)電時，也可以將電能從直流回路傳送回電網(wǎng)。使用AFE，電網(wǎng)的電流諧波THDI含量很低，無需增加外部濾波。AFE系統(tǒng)包括逆變模塊、LCL濾波器和預充電回路。應用如含有以下要求，AFE就是正確的選擇，即：再生制動THDI要求＜5%，功率因數(shù)接近1，電機電壓略高于供電電壓，整流單元要求冗余，整流單元需要直接與發(fā)電機相連，不增加中間變壓器，VACON AFE單元可以獨立并聯(lián)，并聯(lián)模塊之間沒有任何關(guān)聯(lián)。

圖12 回饋電網(wǎng)制動原理圖

圖13 VACON AFE能量回饋電網(wǎng)變頻器波形圖

6 交流同步電機變頻控制調(diào)速系統(tǒng)

永磁式同步電動機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高，和直流電機相比，它沒有直流電機的換向器和電刷等缺點。和異步電動機相比，它由于不需要無功勵磁電流，因而效率高，功率因數(shù)高，力矩慣量比大，定子電流和定子電阻損耗減小，且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好；但它與異步電機相比，也有成本高、啟動困難等缺點。和普通同步電動機相比，它省去了勵磁裝置，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了效率。永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，因此永磁同步電機在礦井提升機上正成為應用熱點。交流永磁同步電機正向大功率化（高轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩）、高功能化和微型化方面發(fā)展。目前，稀土永磁電機的單臺容量已超過1500kW，最高轉(zhuǎn)速已超過 300000r／min，最低轉(zhuǎn)速低于 0.01r／min。

用VACON AFE四象限變頻器控制多繞組直聯(lián)提升機框圖如圖14所示。

圖14 VACON AFE四象限變頻器驅(qū)動六繞組永磁同步電機框圖

電機技術(shù)數(shù)據(jù)：永磁同步電機一臺：1300kW，660V，六套獨立繞組，每套功率220kW，每套繞組的電壓頻率相位角為0度?；l50Hz，電機共120極。應用于礦井提升機。

變頻器系統(tǒng)冗余設計：采用三臺500kW 690V變頻器控制，有六個變頻器模塊，三臺變頻器之間采用相位同步控制程序，六個變頻器模塊輸出頻率相同且相位角相同，具有冗余功能，即不需要1300kW時，可以減少一臺或兩臺變頻器工作。直流母線上的電容具有存儲能量功能。

采用兩臺AFE模塊，能量可以回饋電網(wǎng)，節(jié)省能源，當不需要1300kW時，或其中一臺AFE不能工作時，另一臺可以獨立工作，具有冗余功能。

變頻器控制系統(tǒng)：系統(tǒng)控制器采用PLC S7－300，觸摸屏。變頻器采用絕對值編碼器閉環(huán)控制。

公共直流母線產(chǎn)品INU逆變器軟件采用同步控制軟件Line Sync Application。該軟件可以使三臺變頻器輸出同相的交流電壓。

變頻器系統(tǒng)包括AFE回饋整流單元：NXA 1030 6 G 0 T 0 2 S G A1 A2 D2，一臺；NXA 0325 6 G 0 T 0 2 S G A1 A2 D2，一臺；逆變器INU選型 ：NXI05906G0T0ISG A1A2D2AK FI12 500KW，三臺。

7 結(jié)束語

以上介紹的幾種礦井提升機的制動方式及技術(shù)革新歷程，對于掌握和運用現(xiàn)有技術(shù)，開拓創(chuàng)新新的技術(shù)領(lǐng)域，發(fā)明創(chuàng)造出更低能耗、更高效率的產(chǎn)品、設備，從而更好地服務于礦山、服務于社會，奠定了堅實的基礎。

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