西门子变频器矿井提升机应用

基于西门子变频器的变频调速控制技术在矿井提升机的应用

鉴于煤矿目前的矿井提升机普遍使用交流绕线式电机转子串电阻调速， 提升机在减速和爬行阶段， 负载变化时， 实现恒减速难度大， 经常会造成过放或过卷， 转子串电阻能耗大， 电路复杂。 针对上述问题， 设计了西门子变频器在提升机调速系统中的应用。 解决了提升机恒加速和恒减速控制， 避免了过卷和过放， 控制电路简单， 具有十分广阔的适用性。

矿用提升机； 变频调速； 节能

Ｔｈｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｅｍｅｎｓ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｍｉｎｅ Ｈｏｉｓｔ

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔ ｔｈｅ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ｕｓｅ ｏｆ ＡＣ ｗｏｕｎｄ－—ｒｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ ｓｔｒｉｎｇ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｓｌｏｗｄｏｗｎ ａｎｄ ｃｒａｗｌｉｎｇ ｓｔａｇｅ， ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｎｇｅｓ， ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｉｓ

ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ， ｏｆｔｅｎ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｏｖｅｒ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｏｒ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ， ｒｏｔｏｒ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｔｒｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎ－ｓｕｍｐｔｉｏｎ， ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ． Ｔｏ ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ ｉｓｓｕｅｓ， ｔｈｅ ａｕｔｈｏｒｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｕｐｇｒａｄｅ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎ－

ｖｅｒｔｅｒ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ， ｓｏｌｖｉｎｇ ｔｈｅ ｈｏｉｓｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ， ａｖｏｉｄｉｎｇ ｅｘｃｅｓｓｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ ａｎｄ ｏｖｅｒ—ｄｉｓｃｈａｒｇｅ， ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ， ａｎｄ ｈａｓ ｖｅｒｙ ｂｒｏａｄ

ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔ； ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ； ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ

目前矿用提升机普遍使用交流绕线式电机转子串电阻调速控制系统， 特别在负载变动时很难实现恒减速控制， 经常会造成过放和过卷事故， 提升机频

繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗。 转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、 电阻器、 绕线电机电刷等容易损坏， 影响生产效益。 针对串电阻调速系统的这些问题， 将西门子６ＳＥ７０工程型变频器应用在提升机调速系统中。

由于西门子变频器的矢量控制性能优良， 可满足在低速情况下， 扭矩可达额定扭矩的１５０％。 因此， 西门子变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，能很好的防止提升机过卷和过放事故发生； 变频器的调速还可以实现电动机的软启动， 取消了转子串电阻造成的能耗， 具有十分明显的节能效果； 变频器调速控制电路简单， 克服了接触器、 电阻器、 绕线电机电刷等容易损坏的缺点， 降低了故障和事故的发生， 变频器在ＰＬＣ的控制下， 可灵活的使电机正反转与调节速度， 便于实现提升机的多段速控制。 因此， 变频器在提升机调速系统中的应用有十分广阔的前景。

１． 提升机变频调速系统的结构

如图１所示， 提升机变频调速系统主要由变频器、 行程控制、 能耗制动和抱闸制动等组成， 变频器主要对提升机的升降实现变频调速； 行程控制主要对提升机的变速、 停车和制动等进行精确的行程控制； 操作控制主要完成提升机的提升启动、 下降启动、 故障复位及紧急制动等操作控制； 能耗制动和抱闸制动主要实现提升停车控制。

１．１变频调速

在提升机系统的应用中， 变频器主要进行恒加速变频调速启动， 恒减速变频调速停车及行程变频

基于西门子变频器的变频调速控制技术在矿井提升机的应用

图１ 提升机变频调速系统示意图

调速运行等变频调速。 变频调速是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的， 因此调速范围很宽， 一般变频器基本上都可以达到０～４００Ｈｚ， 频率调节精度一般为０． ０ｌＨｚ， 可以很好的满足提升机的恒加速和恒减速无级调速的要求。 所以， 采用变频器后， 电机可以实现真正意义上的软启动和平滑无级调速。 变频器调速有别于转子串电阻调速， 降低了转差率， 提高了功率因数， 可以恒转矩输出， 输出功率随转速变化， 因此具有很好的节电效果。 另一方面， 变频器还可通过软件很方便地改变输出转矩和加减速时间、 目标频率、 上下限频率等。 变频器还可通过端子排控制， 对行程进行多段速度控制。

Ｉ． ２行程控制

提升机提升和下降过程示意图如图２、 图３所示。 行程控制分为２个过程， 一个为正向提升行程，

另一个为反向下降行程， 行程控制主要将提升机的升降过程划分成不同的行程区间， 根据每一行程区间的实际情况， 可以用不同的变频调速控制提升机的升降速度， 行程控制不仅控制提升机整个升降过程的变频调速， 而且控制提升机的停车和制动过程。

行程控制可以很好的防止提升机过卷、 过放、 脱轨和翻车等事故发生， 特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。 行程控制是根据提升机的位置（行程区间）实施控制， 行程控制器将行程位置转换成开关信号， 通过变频器的控制端子进行多段速变频控制、 停车控制和制动控制等。

１． ３制动控制

提升机的安全使用必须要有良好的制动和制动控制系统， 制动一般采用能耗制动和抱闸制动相结

行程

启动恒加速 ｉ恒减速 恒加速 恒减速

图２ （正转）提升行程示意图行程

恒减速 恒加速， 恒减速４ 恒加速

第四区间：

第三区阳 第二区问 第区间（停车） （中速） （低速） （高速）

图３ （反转）提升行程示意图

合。 能耗制动主要利用提升机的惯性在减速和下降行程所产生的再生能量进行制动， 变频器使用能耗单元实现能耗制动， 这是一种软制动方式， 能很好的防止机械冲击和快速下滑。 为了防止滑车等事故，使用抱闸对提升机实施抱死制动， 抱闸制动一般在停车时使用， 当运行到停车位时， 行程控制器对变频器发出停车信号， 同时， 对抱闸制动器发出抱闸控制信号， 实施抱闸制动， 当发生脱轨等事故时， 操作控制实行紧急抱闸制动。

１． ４操作控制

操作控制主要执行提升启动、 下降启动和紧急抱闸制动等， 提升启动操作控制变频器正转运行， 提升过程由行程控制器的提升行程控制完成。 下降启动操作控制变频器反转， 下降过程由行程控制器的下降行程控制完成。 紧急制动操作主要控制异常时的变频器停止和抱闸制动。

２． 初始化调试与设置

当提升机初始安装后， 应根据矿井实际情况对提升机的各行程区间进行调试和设置， 调试和设置主要包括变频器的运行设置和行程控制器的行程区

间设置等。

２． １变频器设置

变频器的设置可分二部分进行， 首先对变频器进行基本常规要求设置， 参考变频器的使用手册进行， 然后对变频器进行运行要求设置， 结合矿井实际情况， 主要设定变频器的控制功能、 各段速运行频率、加减速过程等。

２． ２行程控制设置

行程控制设置主要根据要求设置各行程区间的范围， 并根据各行程区间的运行要求设置行程控制器的控制功能等等。

３． 系统运行效果及结论

（１）系统具有优良的动、 静态特性， 发挥矢量控制的良好性能， 实现真正意义上的无极调速。 起动及加速换挡时冲击电流很小， 减轻了对电网的冲击，简化了操作， 降低了工人的劳动强度。

（２）变频系统对环境要求较低， 电网波动２０％范围内， 恒转矩提升， 电流冲击小， 大大减轻了机械冲击的强度。 并可实现重载低速起动， 启动力矩大， 带负载能力强。

（３）变频器在提升机系统中的应用可以很好的解决调速和启动等问题， 克服了转子串电阻调速系统的控制电路复杂、 破损率高等缺点， 而且具有十分明显的节能效果， 具有很好的应用和推广价值。 通过在多个煤矿的实际应用显示， 系统性能可靠稳定，生产效率明显提高， 节能效果十分显著。

４． ３上位机监控系统

用触摸屏实现对矿井提升机的监视及故障诊断， 提高提升机的可靠性和可维护性， 从而保证矿山安全生产并提高生产效率。

触摸屏画面由专用工控软件通过组态开发出来， 可以做到监控画面直观反映工作状态与流程， 可以与下位机ＰＬＣ通过ＲＳ２３２进行实时通信， 达到监视、 控制同步进行。

４． ４信号控制系统

提升机的信号来自提升系统工作现场的天轮、井筒、 深指器、 液压站、 润滑站等， 这些信号通过旋转编码器、 压力变送器、 限位开关， 送至ＰＬＣ主机， 程序处理后输出至触摸屏及声光报警， 提醒操作人员注意， 并采取处理措施。

４． ５安全保护系统

安全保护系统设有过卷、 等速超速、 定点超速、ＰＬＣ编码器断线、 错向、 传动系统故障及自动限速等保护功能。

安全保护系统采用硬件与软件相结合， 安全电路相互冗余与闭锁， 一条断开时， 另一条也同时断开。 硬安全回路通过硬件回路实现， 软安全回路在

ＰＬＣ软件中搭建， 与硬安全回路相同并且同时动作。

将可编程序控制器、 变频器引入矿井提升电控系统， 已在国内许多矿山企业获得应用。 变频器在提升机系统中的应用可以很好地解决调速和启动等

问题， 克服了转子串电阻调速系统的控制电路复杂、耗能大的缺点， 大大缩短了影响生产的时间， 降低工人的劳动强度和运行成本， 节能效果十分明显。 用ＰＬＣ控制技术代替传统的继电器一接触器控制系统， 加强系统的控制功能和对故障的判别能力， 极大地提高系统的安全可靠性和生产效率。 因此， 采用ＰＬＣ为核心元件， 控制变频器多段速无级调速值得大力推广。