变频器在矿山竖井提升机中的运用分析

杨中树

摘要：随着社会的发展与进步，重视变频器在矿山竖井提升机中的运用对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍变频器在矿山竖井提升机中的运用分析的有关内容。

关键词 变频器；矿山；提升机；控制；系统；节能；运用；

中图分类号：TN773文献标识码： A 文章编号：

引言

目前我国矿井提升机交流电控设备仍大量沿用传统 的在绕线型异步电机转子回路中接人金属电阻，用控制器或磁力站切除电阻进行调速的方法 ，这种调速方式为有级调速。在不同速度切换的过程中，调速特性为跳跃式变化，不仅调速性能不好，并且对系统会产生较大的冲击，对机械设备特别是减速器十分不利。另外，当运行在再生制动区域时，电机所产生的大量能量只能消耗在转子电阻上，对能源而言是极大的浪费。近年来 ，随着我国自动化技术的提高，变频器在各行各业得到了广泛的应用 ，变频器用于矿井提升机负载也日益增多。

一、配有变频器的提升机电控系统优点

矿井提升机是煤矿、铁矿、有色金属矿、码头等生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行直接关系到企业的生产状况和经济效益。 目前 ，大多数 中、小型矿井采用斜井绞车提升及竖井提升机 ，普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统 ，电阻的投切用继电器一交流接触器控制。这种控制由于接触器动作频繁，交流接触器主触头易老化，从而引发设备故障。另外 ，提升机在减速和爬行段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁地起动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗。由于是有极调速 ，起动和调速换档时电流冲击大，能耗高、振动大、安全性差，同时给机械部分造成的磨损大，设备维护量也大。随着技术的进步和成本的降低，采用变频器系统来实现全频率 (0—50Hz)范围内的恒转矩控制已经越来越多地应用到提升绞车上，其显著的优点如下。

(1)安全。专用于起重提升控制的变频器解决 了起动力矩与开 闸的顺序控制 ，只要电机起动力矩不足 ，制动闸瓦就无法打开 ，这样就从根本上保证 了系统的安全 。

(2)节能。绕线式电机转子串电阻调速 ，电阻消耗大量的转差功率 ，速度越低消耗 的转差功率越大。变频调速是一种不耗能的高效 的调速方式 ：提升机大部分时间都处在电动状态 ，节能显著 ，经测算节能 25％以上 ，运行时间越长节 电越多 ，能有效降低运行成本 ，提高经济效益。

(3)维护少。变频器 的无极变速使得整个绞车运行平稳 ，显著减少机械冲击 与磨损 ，齿 轮、制动盘、闸瓦、钢丝绳、减速箱、连轴器等使用寿命显著延长，减少了维护人员的工作量 ，降低了维护成本 ，节省了人力物力 ，提高 了运煤能力 ，间接的经济效益可观 。

(4)易操作。提升机操作人员在开提升机时操作 简便 ，发生误动作 的概率小 。而常规系统的开车过程中，要严格配合制动手柄和换 档手柄 的操作 ，提升、下放的操作顺序不一样 ，容易造成飞车或急起 、急停 的状况 ，跳轨 、掉道 、弹绳等事件偶有发生，有可能酿成大的事故 ，给安全生产带来很大的挑战。特别是在负荷不同的情况下 ，起步停车减速段要次次达到慢起 、慢停 、准确停车很不容易!而使用变频器后，相应的操作变得很简单。因此，使用变频器能降低提升机操作人员的操作难度，也降低了事故的发生机率。从安全 的角度也是非常有利的。

(5)低干扰，低噪音，低冲击，对电网其他设备影响小。

(6) 自动变速。可以设置多段速度，保证了在多段变坡点的平稳运行 。

总之 ，使用变频器系统在提升机提升下放过程中，在安全、节能、维护、使用等方面都将得到极大的提高。

二、传统矿井提升机的电气传动系统

传统矿山竖井提升传动系统主要类型有 4 种:交流绕线转子异步电动机传动系统、G-M 拖动系统、V-M 直流可逆调速系统、交流电动机交 ) 交变频调速传动。其主要特点如下。

1) 绕线转子异步电动机转子回路串电阻传动调速系统由于转子回路中串接电阻, 在调速的时候,靠切换到不同大小的电阻, 并把该电阻接入到电路中来实现调速, 调速范围是有限的, 并且调速时能耗也比较大, 大部分能量以热能的形式消耗掉, 因此控制系统的效率很低。

2) G- M 拖动系统实现了电动和制动的平滑切换, 并且改变了以往的有极调速, 实现了无级调速;因为采用了速度闭环控制, 调速精度较高, 而且无功冲击小, 但是, 因为整个系统的运行效率是同步电动机和直流发电机 2 台电动机效率的乘积, 所以运行效率依然很低。而且, 占地面积大、噪声高、维护量大、耗费金属量大、设备复杂, 不再是今后发展的方向。

3) V- M 直流可逆调速系统体积小、安装方便、无变速器、效率较高、效能少、使用范围广、调速平滑、精度高、易于实现自动化控制, 但其功率因数依然较低、无功冲击较大、高次谐波对电网冲击大。

4) 交流电动机交- 交变频调速传动系统特点是: a. 对提升容量不受限制, 最大可达 10 000 kW,提升速度最大可达 20 m/ s; b. 控制性能好, 运行效率高, 功率因数可达 0. 9~ 1, 大大节省电能; c. 动态性能好, 可以实现四像限平滑的过渡和无极调速, 调速范围宽; d. 和直流调速相比, 该系统没有整流子和碳刷, 保证了电动机运行可靠。而且可将同步电动机转子外装的摩擦式提升机的滚筒合为一体。因此, 交流电动机交-交变频调速拖动成为大容量矿井提升机传动的发展方向。传统矿山竖井提升传动系统主要由主轴装置、操纵台、深度指示器、液压传动装置、制动器、减速器、测速电动机、变频器和齿轮联轴器组成。其中, 矿井提升机( 又称绞车、卷扬机) 是矿山生产的关键设备, 其电控装置原理如图 1 所示。

图1 矿井提升机电控装置原理图

三、改进后的竖井提升系统

改进后的矿井提升系统采用转子回路串电阻传动调速系统, 增加了视频监视功能, 在矿道的每个巷口安装了摄像头, 进行实时监视, 同时视频能随着提升容器位置的改变, 将视频画面自动切换到容器所处的巷口。该矿井采用/ 工控机操作和视频监视, P L C 控制0的上下位机控制模式。其中, P LC 主要是控制变频器, 为了实现无极平滑调速, 通过 PLC 编程产生运行速度曲线, D/ A 转换后通过模拟量口输出，该信号用以驱动变频器工作, 而调速过程是通过P LC 程序自动改变变频器的输出频率来完成的, 也可由操纵台上的速度控制手柄进行人为控制。为实现测速和确定提升容器位置的目的, PLC接收用来检测电动机转速的编码器的输出信号,P LC 通过此信号进行累计计算提升机的速度和行走距离, 同时, PLC 把此信号传给上位机实时地显示提升机的运行速度和提升位置。

此外, PLC 还对钢丝绳的动静载荷、制动回路和液压站的油压和油温、电动机及变频器的温度等状态信号以及超速、过卷、钢丝绳滑动、过载、过压欠压等故障信号进行监视, 并把这些信号传给上位机,在监控界面上实时显示, 一旦出现上述故障, 只有操作人员作出相应处理, 如进行全线复位、检修等, 提升机才能继续运转。为了让操作司机能看到井筒内各个巷口的实时情况, 在矿井的每个巷口安装了 1台摄像头, 该视频信号通过光纤、光电转换器、视频采集卡等上传给上位机, 实时显示巷口画面。提升结构主要由电动机、电源柜、变频柜、PLC控制台、操作控制台、摄像头、上位机、轴编码器、液压站、制动回路、电流电压检测装置以及各种传感器等组成。其中, PLC 控制系统如图 2 所示。

图2提升机控制系统图

四、变频控制系统

图3流程图

当变频器上电时, 对其控制可以选择手动或自动, 然后先对变频器的状态进行检测, 如果有故障,则变频器无法运行, 需要故障处理, 故障复位后, 变频器正常启动。根据控制指令变频器的输出频率由50 H z 延时 8 s 后降低到 0 H z, 电动机转速也由额定转速减小为 0, 提升机停止运行, 同时也准确到达目的巷口。其控制流程如图 3 所示。

结束语

通过对该系统的实验运行，其运行速度非常平稳，达到了设计要求，且具有安全、节能、维护少、易操作、低干扰、低噪音、低冲击、自动变速等优点。此系统的成功运行为变频器在矿山竖井的应用搭建了良好的平台，更有助于矿山开发的进一步发展。

参考文献

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