变频器在矿井提升机控制系统中的应用

高立强

（西山煤电（集团）有限责任公司设备租赁分公司， 山西 太原 030053）

引言

矿井提升机是矿山提升系统的重要设备[1-2]，矿井物料的运输和矿井人员的运输都与矿井提升机有着密不可分的关系。在我国，传统的矿井提升机的控制系统主要由继电器和接触器组成，同时通过电动机转子回路中进行串接附加电阻得以实现矿井提升机的启动和调速。但这种控制系统存在可靠性较差、发生故障几率高、系统操作复杂、电耗较大、工作效率低等缺点。针对矿井提升机的缺点，众多国内学者对此进行了研究，靳继波等[3-4]提出了采用变频器对矿井提升机系统进行优化设计，设计后的系统实现了提升机的柔性启动及无级变频调速，降低了换挡及制动条件下的冲击能量，有效地提升了提升机的运行稳定性。本文利用变频器设计可编程控制器控制系统，较好地实现了矿井提升机的启动及速度控制，为煤矿高效生产提供了一定的借鉴。

1 变频器的选定

矿井提升机在运行过程中一般会经历6 个阶段，分别为起步阶段、加速阶段、减速阶段、匀速阶段、爬行阶段及其停车阶段。对提升机控制系统进行研究其实就是对提升机的转速及转矩进行控制，本文采用直接转矩的方案进行电机的控制，实现控制转矩对提升机的状态控制。提升机的各转矩间的关系可以表示为：

式中：Td为系统的总转矩，N·m；Te为电动机的转矩，N·m；Ti为传动系统的固有转矩，N·m；Tn为传动轮的力矩，N·m；J 为转动惯量，kg·m2；g 为重力加速度；ε 为系统的加速度。通过计算可以得出系统在各个阶段的转矩。

根据矿井提升机恒转矩的负载情况进行变频器的选择，功率的表达公式可以表示为：

式中：P 为异步电机的功率，kW；T 为异步电机的转矩，N·m；n 为异步电机的转速，r/min。

提升机在进行下降工况时，此时系统需要一定的制动转矩对提升机速度进行控制，而在提升机进行提升工况时，由于载荷较大，提升速度十分缓慢，所以需要一定的转矩来控制速度，在进行变频器的选择时需要满足一定的转矩要求。由于启动瞬间电流较大，所以变频器应当具备一定的识别电流能力，避免启动瞬间出现过点保护的情况。在选定变频器时需要将变频器的容量选定为异步电机的1.2～1.5倍，从而实现电流在未达到极限时转矩的输入满足要求。根据以上论述选定变频器为ACC600，ACC600 变频器是由ABB 公司生产的ACS600 系列中提升机专用款，其结构原理图如图1 所示。

图1 ACC600 变频器结构原理示意图

ACC600 变频器具有识辨功能，在电机启动瞬间，电机的运行状态会传输至变频器，此时进入电机启动辨识程序，确定提升机的工作状态，给定最佳的控制方案。同时变频器具备断电不停机的功能，在停电瞬间变频器不会立即停电，此时电机会将一部分动能进行转化，转化成电能进行储存，使得电机可以持续运行，保证保护功能顺利启动，不会造成电机的断电失控。变频器在启动瞬间就会提供足够的转矩，满足上述要求。ACC600 同样具备一系列的保护功能[5-6]。

2 提升控制系统的分析

矿井提升控制系统主要由PLC 控制单元、液压站、变频器、操作台、上位机监视界面等组成。控制系统的结构框图如图2 所示。

图2 提升机控制系统框架图

提升机控制系统选定可编程PLC 为控制单元，可以实现高速计算，利用放置在电机、卷轮及飞轮上的编码器计算其相应的运行速度，及时将提升机的运行状态进行反馈。同时根据液压站和润滑站的油温及油压信号对提升机的故障进行及时判断和监测。根据开关信号和传感器信号对控制电机的目标转速及目标转矩进行输出，实时将运行状态传输至上机位，便于监控人员实时监测并及时发现故障[7]。

变频器具有过流、过压、超温、缺相等保护功能，具备在紧急情况下安全停车的功能。在接收到控制单元的转矩转速信息后，通过计算输出相应电压，实现电机的控制。同时接收到PLC 指令确定提升机的运行状态，当变频器输入转矩大于设定值时开放机械闸，当进行停车时开启机械闸，将变频器的转矩降低至零，防止提升机的溜车[8]。

操作台是设备与操作人员连接的媒介，在操作台上需要设定开关按键、手动及自动模式转化按键。操作人员利用操作手柄进行提升机运行的控制，同时可以通过设定参数来实现提升机的平稳运行，方便提升机发生故障时的紧急制动。

上位机监视系统可以实现实时显示提升机运行状态及运行出现的故障信息，并将监测的数据进行实时记录，便于后期操作人员了解及研究提升机的工作行程，也便于提升机的故障排查及后期故障监测系统的设计[9]。

PLC 软件包括了主程序、故障诊断程序、通讯子程序、控制子程序等，主程序在提升机运行过程中，如果无故障发生时一直处于信号采集、提升控制及通讯程序中循环，但当提升机发生故障时，此时主程序执行故障处理，跳出循环。主程序流程图如图3-1 所示。

控制的子程序主要用于对开车条件的确定，在提升机运行过程中及时对运行的偏差进行校正，确定提升机是否存在故障。当接受到启动的信号后，启动提升机，提升机开始加速运动，当速度达到匀速运动的速度时，保持匀速运动，停止加速。当运行至减速点时，运行速度开始降低，提升机进入爬行工况。当运行至停车点时，速度降低至零，达到停车制动，状态复位，等待下次启动。子程序流程如图3-2 所示。

图3 主程序及子程序流程图

上位机可以实时监测提升机的运行状态，所以需要在上位机上显示提升机的速度、位置，当提升机发生故障时需要在窗口弹出报警且有声光报警，同时可以实现提升机相关参数的设定，且能保存和查询提升机的运行及故障记录。根据以上要求选定LabVIEW 软件，根据需要进行模块的制作。同时由于提升机工况环境较为恶劣，所以需要在系统中增加一定的抗干扰功能，使得系统能够稳定运行[10]。