竖井提升机电气自动化控制系统优化与应用

刘连国，马小川

（招金矿业股份有限公司，山东 265400）

1 主竖井提升系统的概述和生产现状

提升机是矿山企业中的关键设备，承担井下矿石提升运输的作用，其系统是否正常运行，对矿山的正常生产和企业效益起到重大影响。主竖井井口的标高为1200．2m，井筒直径3．5m，井壁采用混凝土支护。竖井采用2JK-3×1．5型提升机，上层单层罐笼+下层箕斗提升，配重为800mm×350mm平衡锤，提升机的电动机功率630kw。竖井罐道采用木罐道，天轮直径为3m，钢丝绳直径为36mm。单次提升矿量为5．5t，提升能力为1200t/d，每天循环提升240次，提升方式为双滚筒缠绕式提升。因此，提升电动机总是处于电动状态，这种提升系统要求电机频繁的正反转起动、减速制动。而提升机的电气控制系统为传统的交流绕线式电机串电阻调速系统。

2 传统提升机电气控制系统的应用及存在问题

传统的提升机电控为TKD控制系统，采用串电阻调速方式，通过接触器、继电器相互结合控制提升机的运行速度，控制结构复杂，系统存在诸多缺点：

（1）控制精度低，停车位置偏差大，中段停车位置不准确。

（2）系统的加减速阶段，接触器频繁切换，噪音大，接触器易烧毁，设备的安全性能不足。

（3）采用电阻能耗制动模式，能耗大，浪费能源。

（4）在提速阶段和减速阶段，电流冲击大。

（5）自动化控制程度低，需要人工控制系统运行情况。

3 提升机电气控制系统的优化改造

分析传统式提升机电气控制系统在应用过程中存在的问题，现采用GBP-D10-10-630型四象限高压变频器，对原电气控制系统进行了优化改造。

GBP-D10-10-630型四象限高压变频器的结构由移相变压器、功率单元和控制器组成。高压变频器功率单元的数量10kV为24个。功率单元经串联叠波升压后，三相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需要的可变频三相高压电源。

移相变压器采用干式变压器，绝缘等级为H级，最高耐受温度180℃。变压器将网侧高压变换为二次侧的多组低压，为各功率单元提供相互隔离的电源。移相变压器的副边绕组分为3组。根据电压等级和单元串联级数，构成多级移相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿和谐波抑制装置，而且由于变压器的副边绕组具有独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，移相变压器还设有温控设备，能够实时监控其内部温度，在温度过高时发出报警信号、跳闸信号。

功率单元是整套变频系统的核心，能量回馈功率单元采用有源前端( AFE)、直流环节(DC-Link)与逆变电路(INV)整合的结构。每个功率单元的内部包含完整的能量回馈电路、直流滤波电路、逆变电路，整流侧和逆变侧均采用可控器件IGBT，直流环节采用电解电容。每个功率单元相当于1台交直变电压型单相输出的低压变频器。每个功率单元内，装有独立的CPLD处理器和电压、电流采样电路。功率单元整流侧与逆变侧控制相对独立、互不影响，属于单独控制、统一保护的模式。

高性能交流传动系统均需要精确的转速控制（转速闭环控制），可保证高精度和高准确率的动态转速。整个系统采用高性能DSP微处理器，可以自动检测到电机的参数，建立电机的数学模型，通过检测电机的电压和电流，对电机的磁通和转矩进行实时的解耦控制，能够对电机转矩进行主动限制，避免负荷波动导致的过电流故障等。基本性能指标为：调速范围100：1，稳态转速精度0．5%，动态转矩响应时间小于200ms，启动转矩200%额定转矩（根据需要可调）。采用DSP高性能矢量控制的高压变频器，实现了电机参数自动整定、系统状态变量的实时显示和监控等功能。

4 传统电气控制方式的变频优化改造产生的效益

4.1 提高提升系统的安全性

转子串电阻的工作方式下，在减速段和下放重物的低速段，必须依靠直流制动或者机械抱闸提供制动力，而直流制动系统产生的制动力较小，在机械抱闸力不足时，无法及时制动提升机系统。采用全功率能量回馈的变频调速后，变频器能够输出高达2～3倍额定转矩的制动力矩，其自身能够满足系统的制动要求，在机械抱闸失效或者机械制动力不足时，能够提供足够的制动力对提升机进行快速制动，从而大大提高系统的安全性。此外，均匀的加减速控制能够有效避免人为因素导致的提升机减速过晚、高速冲击曲轨和罐道等问题，提高系统和人员的安全性。提高提升系统的自动化水平和工作效率，在加速度不超过矿山安全规程规定值的前提下，变频调速采用匀加速控制方式，比传统切电阻控制加速更平稳。

由于能够始终以最大的安全加速度进行加减速，因此加减速时间更短，最大限度的降低提升机的运行时间，提高提升机的工作效率。

4.2 经济效益

采用变频调速系统后，电机转子被完全短接，避免了原来转子串联电阻产生的大量的功率消耗，节能效果明显，平均节能率高达20%左右。

交流串电阻调速年耗电量360万kW·h，度电单价按0．5元/kW·h计算，年可电费约180万元。高压变频调速装置年耗电量300万kW·h，度电单价按0．5元/kW·h算，年可节约电费150万元。高压变频改造后，每年可节约电费30万元。

5 结语

绕线式电机转子串电阻调速的控制方式，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率越大。经变频优化改造后，实践证明，解决了原电气控制系统存在的问题及缺陷，经济效益明显，具有较强的应用价值。此外，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高，减少了运行故障和停工工时，节省了人力和物力，提高了矿井提升的能力，间接的经济效益也很可观。

参考文献：

[1]韩安荣．通用变频器及其应用．北京:机械工业出版社，2012

[2]机械工程手册．北京:机械工业出版社．1980

[3]电机工程手册．北京:机械工业出版社．1982