摘要：礦井提升機是礦山生產的關鍵設備，擔負著礦山的礦石、廢石、設備、材料、人員等的提升、下放任務。本文重點介紹了阿爾法變頻器在斜井提升機上的改造和應用方案，以及效果分析。

 一、概述

    礦井提升有豎井提升和斜井提升，礦井提升機是礦山生產的關鍵設備，被喻為礦山的“咽喉”。它擔負著礦山的礦石、廢石、設備、材料、人員等的提升、下放任務。在礦山生產中占有非常重要的地位。

    某集團公司3-2礦體的斜井提升機，采用轉子繞組串電阻的傳統交流調速方式。該調速方式存在以下問題：第一，采用電磁式繼電器較多，故障判斷排除時間長。經過長期運行后故障率高，不僅修理成本高，而且影響出礦量；第二，提升控制自動化程度低，運行時噪聲大，提升機房溫度高，提升機司機容易疲勞，勞動強度大；第三，在連續低速提升重物時，電阻發熱嚴重，經常燒壞電阻連線，能耗大；第四，調速為有級調速，對鋼絲繩、減速機等的機械沖擊大。

二、改造方案和系統組成

    1改造方案

    采用變頻調速裝置、可編程序控制器、能量反饋單元、觸摸屏等組成交流調速系統，代替原有的串電阻調速系統。

    2系統組成

系統組成原理框圖如圖1

變頻回路包括：刀開關、斷路器、變頻器、變頻器下端的接觸器、能量反饋單元。其中能量反饋單元組成一個柜。

控制回路:主要由主PLC控制、輔PLC控制、觸摸屏、繼電器輔助控制、操作臺構成。其中主PLC控制和輔PLC控制互為主備，繼電器輔助控制、主、輔PLC控制安裝在同一個控制柜里，觸摸屏作為上位機安裝在操作臺上。編碼器作為位置和速度反饋信號，安裝在電機和卷筒上。其中安裝在電機上的測速編碼器信號反饋給變頻器，形成PG矢量控制。另一編碼器信號反饋給PLC作出速度和位置運算。測速電機信號、油溫油壓信號及其它開關量信號進入PLC系統

三、工作原理

    1系統停止、手動、自動、下滑四種狀態下的功能

    停止：在該狀態下系統停止工作，所有操作均不能進行，絞車處于閘瓦制動狀態;

    手動：在該狀態下，當系統滿足安全操作的前提下，根據儀表及觸摸屏顯示的參數，通過主令控制器對絞車進行上行、下行正常手動操作。

    自動：在該狀態下，由上行、下行按鈕自動完成上行、下行的全部過程，當行至中途時，可通過停止按鈕人工干預停止，通過上行、下行按鈕可再次啟動。

    下滑：在系統出現嚴重故障不能正常進行上行、下行操作時，應將功能開關轉換到該位置，通過主令控制器將絞車下滑到所確定的位置。

    通過雙PLC數字控制技術，實現了《煤礦安全規程》中規定的絞車雙線制保護及控制。絞車雙線制保護及控制具有以下特點:

    (1)調速精度高，調速范圍廣，調速精度不低于0.05%.

    (2)雙線制保護：采用一條硬件安全電路和2條軟件安全電路相互冗余，使得系統更加安全可靠。

    (3)雙線制控制：正常工作時，由于采用雙PLC系統相互監視，相互冗余。當其中一個PLC系統發生故障時，另一個PLC系統仍可投入進行應急開車，提高了絞車系統的運行可靠性。

    2保護及連鎖功能

    2.1安全制動時，配合液壓站安全閥使提升機實現一級或二級制動，同時變頻器進入回饋制動狀態。

    2.2任何情況下，只有司機接到開車信號后才能使提升機運行。

    2.3當提升過程中發生潤滑油壓力過高、過低、潤滑油濾油器或液壓站濾油器堵塞或油溫高時，觸摸屏上有相應的故障信息顯示，點亮相應信息燈，告知司機可以完成本次提升工作，當故障解除后才允許司機進行下一次提升工作。

    2.4當提升機因發生故障在中途停車，而且提升容器位于減速段行程內時，排除故障后允許司機按上次開車方向選擇開車，并且只能低速開車：若提升容器不在減速行程內，由井口發出開車信號，允許司機高速開車。

    2.5全礦停電時，由PLC系統保證提升機能實現二級制動，并做好提升機的后備保護。

    2.6盤式制動器的工作制動力矩可調.緊急制動(安全制動)能產生二級制動，避免機械沖擊。

    3行程控制功能

行程控制是由PLC系統完成，主要將提升機的升降過程劃分成不同提升速度要求的行程區間。根據每一行程區間的實際情況和不同速度要求變換變頻器的速度給定值，并形成閉環平滑地調節提升機的升降速度:行程控制不僅控制提升機整個升降行程過程的速度，而且控制提升機的停車和制動過程。行程控制可以很好地防止提升機過卷、過放、脫軌和翻車等事故發生，特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

    4制動控制功能

    提升機的正常制動有回饋制動、抱閘制動等方式、回饋制動的實現是在交一直一交電壓型變頻器的直流環節引入逆變環節。當提升機的實際運行速度高于給定運轉速度時，電動機相當于一臺發電機，直流環節電壓升高，給逆變器提供能量并回饋電網，電動機自動運行在制動狀

態。以達到變頻器準確停車的目的，很好地防止機械沖擊和快速下滑。抱閘制動一般在停車時使用，當運行到停車位時，行程控制器對變頻器發出停車信號，同時，對抱閘制動器發出抱閘控制信號，實施抱閘制動。當發生脫軌等事故時，操作控制實行緊急抱閘制動。

本系統采用的回饋制動方式，在制動過程中，提升機運行平穩，并且將制動能量回饋到網，有一定的節能效果。ALPHA6900制動時序如下圖

 5主要器件功能

5.1可編程序控制器功能

系統除緊急保護功能外的所有控制均由可編程序控制器((PLC完成。系統配置的可編程序控制器，采用能適應惡劣工業環境、抗干擾能力強；具備兩個可同時使用的通訊端口(編程器端口和通用端口)，通過與液晶觸摸屏的通訊，可直觀方便地顯示系統運行狀態、故障狀態、運

行參數、可顯示全部開關元件的狀態及各種故障、報警信息；接收系統配置的電壓變送器、電流變送器、編碼器等傳來的信號，經過運算、處理后，對絞車進行控制、監視、保護。在緊急制動時(安全制動)，由可編程序控制器控制盤形閘產生二級制動，避免機械沖擊。簡化系統可編程序控制器控制流程圖，如圖2。

    5.2變頻器功能

變頻器接收旋轉編碼器傳來的速度反饋信號，形成PG矢量控制，實現電機的無級調速。本系統配置阿爾法ALPHA6900系列變頻器及能量回饋單元,

■一體化方案：采用電動機驅動與起重邏輯控制有機結合的方式，省去了原系統中的PLC，減少潛在故障點，簡化系統接線、調試簡單靈活，代表未來起重機控制的發展方向；

■寬電壓設計更能滿足惡劣的電源環境

■起重機專業邏輯設計：集多年起重機行業設計的經驗，設計了專家級、廣泛應用的起升機構的控制和安全邏輯，包括時序配合、防溜鉤、等功能，為配套客戶提供完美的解決方案；

■在采礦、冶金、筑路行業的上料系統有專門的定長設計，使控制更安全可靠。精確的力矩控制:失速防止功能、故障復位再試功能;加裝應用旋轉編碼器ALPHA6900可實現全頻域磁通電流矢量控制，在0.5Hz使電機保持150%輸出轉矩。

主要技術原理

　　(1)采用全數字速度傳感器閉環矢量控制，使系統調速范圍寬、調速精度高。變頻器在低頻運行時，也保證有150％以上額定力矩輸出。最大轉矩為額定轉矩的2倍，矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量問的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統同樣的靜、動態性能。

PLC控制流程如圖2示。

5.3能量回饅單元

    主要作用是提高變頻器的制動能力，并將絞車下放重物的制動能量回饋電網，達到節能的目的

    5.4操作臺的主要功能

    操作臺裝有手動操作的主令控制器.可手動調整制動力和絞車運行速度.并配有手動和腳踏緊急制動開關，當發生緊急情況時快速制動

    5.5液晶觸摸屏的功能

    通過與可編程序控制器的通訊直觀顯示系統運行狀態、故障狀態、運行參數‘如顯示絞車運行速度、提升容器位置、電動機電流和電壓等)，可顯示全部開關元件的狀態及各種故障、報警倍息;可修改可編程序控制器改內部參數設置(需有相應權陽:具有密碼保護功能可根據權限設置、修改操作員密碼.不同安全等級的操作員具有不同的操作權限

四、系統配置

    1變頻器選擇

    變頻器驅動的電動機為:JR 127- 8 115k W

    額定電壓:380V

    碩定電流:227A

    根據:變頻器額定輸出電流≥電動機數定電流×1.1的原則

      227×1.1=249.7A

    查阿爾法ALPHA6900系列變頻器樣本:

    容量132kVA的額定輸出電流為:255A

    容量160k VA的額定輸出電流為:302A

    綜合考慮坑下環境和運輸條件，最終選擇變頻器容量為I60kVA

    型號：ALPHA6900-3160G

    2可編程序控制器選擇

    綜合考慮上過卷、下過卷、手動上行、手動下行、自動上行、自動下行、正常停車、緊急停車、安全回路、液壓站控制、盤形閘控制、各工作指示燈、報份指示燈等.以及各工況之間的互相連鎖控制.并考慮一定的冗余。最終選擇可編程序控制器為三菱品牌,點數為48點。

    型號: FX2N-48M-001

    3能量回饅單元選擇

3.1制動電壓選擇

    制動電壓選擇過低.當電網電壓升高時，會造成制動單元誤動作。而制動電壓選擇過高，對設備的安全運行構成威脅對380V系統，制動電壓一般選700V。

    3.2制動電流選擇

    制動電流是指制動時流過制動電阻和制動單元的直流電流。

    選擇依據：制動必須完全吸收電機的再生電能

    制動吸收功率(U×I)=電機再生電能(瓦)=1000×P×η

    P____電機額定功率(kW)

    U____制動單元直流工作點，通常取700V

    I____ 制動電流(A)

    η____回饋時機械能的轉換效率，通常取η=0.7

    計算得:I=115

    3.3功率選擇

    電機再生電能必須被吸收并回饋電網

    P_R=P×Kf×η×ε

    P_{R————}回饋單元功率(Kw)

η____回饋時機械能的轉換效率，通常取η=0.7

    ε____制動功耗安全系數.取ε =1.4

    Kf____制動頻率，指再生過程占整個電機工作的時間比例

    查相關資料Kf取60%

    計算得P_R =67.62 kW

    選取回饋單元功率70 kW

五、改造收益

    1運行效果

    系統投入運行后，絞車操作方便、運行平穩，絞車控制室的環境溫度、噪音得到極大改善。為操作工提供了良好的工作環境

    2節能效果

    2008年1-5月份提升單耗為2.92度/t.，2009年1-5月份提升單耗為1.66度/t，單耗降低1.26 度/t，單耗下降率43.15%, 2008年提升礦石132334噸，節電16.67萬度，綜合電價按0.528元/度計算，年少支出電費8.804萬元。

六、總結

總之，變頻調速系統在井下提升機系統中的應用，可以很好地解決調速和啟動等問題，實現了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊使運行更加平穩可靠；起動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度;運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感；安全保護功能齊全.除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有聯鎖保護、自動限速保護等，在坑下斜并絞車推廣用變頻調速系統代替串電阻調速系統，是提高礦山坑下斜井絞車技術含量，并且開辟節能挖潛的一條新途徑。