摘要：本文主要介紹了HIVERT高壓變頻器+PLC對礦井提升機的電控改造過程與效果，事實證明，PLC+高壓變頻器的交流調速技術方案是提升機電控系統改造的優選方案，克服了傳統電控系統的缺陷，調速精度高，運行可靠，而且節電效果顯著，具有非常明顯的經濟效益和社會效益，在礦井提升系統中值得推廣應用。

關鍵字：高壓變頻器；提升機；PLC；電控系統

一、 礦井提升機概況
      冀中能源峰峰集團有限公司薛村礦（風井區）副井提升系統，擔負著地面至三水平之間人員、物料、矸石的提升任務，提升機在整個煤礦安全生產中占有重要的地位。因此，要求礦井提升機電力拖動系統具有良好的安全可靠性、控制精度及調速性能。
     礦井提升機作為礦山最大的電氣設備之一，其耗電量占礦山總耗電量的30%—40%，并且運行特性復雜，速度快，慣性大，一旦提升機失去控制，不能按照給定速度運行，就可能發生超速、過卷等重大安全事故，造成設備損壞甚至人員傷亡。因此，礦井提升機的電控系統的技術性能和可靠性直接影響著礦井的安全生產。
     目前，副井提升機電控系統多采用交流電動機轉子回路串電阻調速，由于采用常規繼電器控制，導致系統調速精度低，可靠性差，維護費用大，電機啟動電流及切換電流沖擊大，設備運行不平穩，易引起電氣及機械沖擊；且控制線路復雜，工作穩定性和可靠性差，缺少故障診斷功能，排查故障困難；轉子回路串接金屬電阻，白白消耗電能造成能源浪費；電機滑環處容易發生接觸不良，引起設備故障，造成維護工作量增加及維修材料費用升高；并且所有接線端子裸露在外，暴露在空氣中，給提升安全帶來極大的危害。因此，對該類型提升機電控調速系統進行改造升級是非常必要的。

 

2.交流電動機轉子回路串電阻調速系統

     在加速過程中，交流接觸器KM1—KM10逐級吸合，轉子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求電動機低速運行，則需在轉子回路串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，采用動力制動方案，即將定子側的高壓電源切除，在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發電伏態。
這種拖動方案存在的問題是：
（1）開環有級調速，加速度難以準確控制，調速精度差；
（2）觸點控制，大量使用大容量開關，系統維護工作量大，可靠性差；
（3）運行效率低，在低速時大部分電能都消耗在電阻上；
（4）電機的機械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動機輸出功率的20%—30%；
（5）接觸器經常吸合與斷開，噪音比較大。
     此種電控調速方控制方式簡單、技術性能和運行效率低，不符合《機電安全質量標準化標準》要求：提升系統未實現PLC控制。不適應目前節能減排新形勢的要求，是這次電控系統改造的主要原因所在。

 
二、技術改造的理由
     隨著薛村礦原煤產量的不斷提升，開掘工作量急劇上升，特別是三水平重點工程，隨著該工程的快速開拓，礦井排矸量也相應地增加，在現有提升條件下，副井提升系統只能采用壓縮檢修時間來滿足生產需要。

     副井提升電控系統現使用的電控裝置為JKMK—J—B—300I型常規繼電器控制系統，采用轉子串電阻調速的方式，此調速方式技術相對落后，無效功耗過大，結構復雜，且運行效果很不理想該系統由常規的繼電器、自整角機、磁放大器等電氣元件組成邏輯控制電路。電氣控制系統雖然設計有多種控制功能，但有些功能在現場實現起來非常困難；并且控制邏輯功能使用了大量的電氣觸點，這些觸點又都是暴露在空氣中，受灰塵和大氣氧化的影響，時有失效現象發生；再加上有些功能是電參量與機械閘形成閉環控制，跟隨性很差，導致電氣保護功能、控制精度和可靠性較差，控制系統相關的保護功能失效，系統運行安全得不到保證，而且維護工作量較大。
     提升系統在調速區運行時，速度的調節和控制主要方法是在電機轉子回路串電阻和利用工作閘來調整拖動力矩，在調速過程中大量電能白白消耗在轉子電阻上，不但造成了大量電能的浪費和調速電阻工作溫度升高，壽命縮短，維護量和維護費用增大，而且電阻室空間空氣溫度很高（夏季溫度在50℃以上）。
     提升系統工作在加速、減速、爬行區的時間占全程運行時間的70%，司機需要頻繁操作來完成提升工作，司機頻繁操作且極易疲勞。
因此，對該系統電控進行技術改造，解決系統存在的問題和弊病，提升系統安全運行系數，實現高效節能運行非常必要。
     礦領導通過考察國內用戶現場使用提升機變頻器的實況后，決定選用北京合康億盛變頻科技股份有限公司生產的HIVERT系列6kV/1250kW高壓變頻器，對副井提升機電控系統進行技術改造。將現使用的JKMK—J—B—300I型電控系統更新改造為JKMK/GBP-NT-1250KW/6KV型全數字高壓變頻提升機電控系統，副井絞車提升系統實現變頻器+PLC控制，提升機能夠按照預定的速度圖要求實現平滑的起動、運行、減速、爬行、制動和停車。

三、 方案實施
     拆除原有電控系統的電力拖動部分，重新安裝一套全數字高壓變頻提升機電控系統。全套提升電控主要由高壓配電系統、高壓變頻器、低壓電源柜、提升數控柜、全數字高壓變頻系統、網絡化操作臺及計算機監控系統組成。操作系統選用西門子公司原裝PLC（S7系列）作為操作控制中心，采用PLC實現對提升機的工藝控制和安全保護；安全保護采用以軟件、硬件兩路安全回路實現雙重保護。
     該電控系統具有活躍前端能量回饋特性的四象限變頻器，直接向鼠籠式交流電機供電，構成高性能、數字化的高壓變頻調速系統。具有優于直流電動機的優良機械特性，不僅提升工藝過程優良，具有啟動力矩大，過載能力強、調速范圍寬等優點，而且節能效果顯著，使得整機效率大大提高。
采用6KV/1250KW的高壓變頻調速裝置將50Hz工頻變成0~50Hz連續可調的變頻電源，電動狀態時從電網吸取能量，使電動機產生電動力；制動狀態時工作于逆變狀態，將能量返回電網，使電動機產生制動力，完成對電機啟動、調速、驗繩、低于額定速度運行等控制過程。此外，調速柜柜門上設置有觸摸屏控制主界面（12寸真彩漢顯操作面板），具有運行參數的實時記錄，運行故障查詢和參數設定功能。
全數字高壓變頻提升機電控系統具有如下特性：
     1）采用具有活躍前端能量回饋特性的四象限變頻器，1、具有啟動力矩大，調速范圍寬，動態特性精度高等優點；2、具有能量回饋電網功能。電動狀態時從電網吸取能量，使電動機產生電動力；制動狀態時工作于逆變狀態，將能量返回電網，節能效果顯著。
     2）具有接近于1的功率因數和大于95％的能量轉換效率，電流諧波成份少，無須功率補償器和諧波抑制設備。
     3)通過改變送入主電機的電源頻率和電壓實現對系統速度的控制。
     4）全系統實現無極調速， 自動控制運行速度。
     5）在系統運行的加、減速階段，變頻系統根據速度要求自動調整輸出功率，滿足負荷需求，使電能得到充分利用。
     6）在負力提升、控制速度運行及減速時，變頻系統可將提升系統的機械能部分轉變為電能回饋電網，實現節能降耗。
     7）啟動平穩，無沖擊，降低了電機的噪音和故障率，實現系統的軟啟動，軟停止。
     8）節能效果明顯，大大降低了用電量，節約了運輸設備對電能的損耗。

四、效益分析及推廣前景
     采用高壓變頻電控系統對現有傳統電控系統進行技術改造后，系統的邏輯控制和控制功能均利用計算機程序實現，使用規電器元件數量大量減少，克服了常規電器元件大量使用所帶來的諸多問題；同時系統的控制精度大為提高（可精確到0.01米）；保護功能更趨完善，不但可達到“煤礦安全規程”對絞車保護設置的規定，而且可實現雙線制控制和安全冗余功能，還可根據現場需要增設新的安全保護和控制功能。因此，對提高系統運行的安全和可靠性十分有利。
1、社會效益：
     由于全自動電控系統采用了高科技產品，降低了司機的工作量，改用全自動電控系統，降低了維護工作量。提高了安全系數，保證了安全提升安全，從安全和維護工作量來說，有著良好的社會效益。
2、經濟效益：
     1）采用變頻調速后，可避免潮濕天氣發生電氣事故，按兩年更換一套高壓接觸器計算，兩年可節約6萬元，年可節約3萬元。
因副井停車造成的間接損失達10萬余元，包括影響進尺、產量等。
還有出現緊急停車事故，對鋼絲繩造成損壞，使用全自動就可避免緊急停車，制動平穩，可延長鋼絲繩 的使用壽命。
     2）薛村礦（風井區）副井提升機使用后與使用前耗電量的比較，可節電27%，按此計算，副井現每勾耗電17.5KW/h（由絞車技術性能測定報告中查出），副井絞車目前提升勾數為250勾，每年按350天計算，每KW/h按   0.53元，年可節電413437.5度，節資21.91萬元
       0.27Χ17.5Χ250Χ350=413437.5KW/h
       0.53Χ413437.5=219121.88元=21.91萬元
     3）采用變頻調速控制系統，甩掉了交流接觸器及時間繼電器等，不再造成觸點及線圈燒壞，金屬電阻箱頻繁燒壞，也不必頻繁更換碳刷，年可節約材料費及其它費用共計2.2萬元。
     4）年節約維修工時費用
     副井絞車電控系統變頻改造后，大大降低了維修量，變頻器的平均無故障時間為20—30年，從而省去現有控制系統的周檢、月檢及停產檢修的維修工時費。
  粗略計算（按每年50周、8人參加檢修、8小時周檢、平均日薪70元。月檢可減少5人，）每年檢修工時費：
        50×5×70=17500元=1.75萬元
     5）年節約總費用為
        6+10+21.91+2.2+1.75=41.86萬元
     冀中能源峰峰集團有限公司薛村礦（風井區）副井提升系統采用變頻器調速以后，調速精度高，噪聲污染消失，操作也方便，深受現場操作工的歡迎；更重要的是絞車運行可靠，而且節電效果顯著，具有非常明顯的經濟效益和社會效益。
     從目前各種不同的技術改造方案對比來看，PLC+高壓變頻器的交流調速技術方案是提升機電控系統改造的優選方案。PLC+高壓變頻器的交流調速技術的新型電控系統已成功地應用于礦井提升系統中，并取得了較好的運行經驗，克服了傳統電控系統的缺陷，在礦井提升系統中值得推廣應用。