一、引言

　　在20世紀(jì)90年代，我國已成為世界上第一大產(chǎn)煤國，我國煤炭資源豐富，勞動力廉價，本應(yīng)在國際市場競爭中占有優(yōu)勢，但由于技術(shù)、管理、體制等原因，大多數(shù)煤礦的勞動力效率低下。在現(xiàn)代化礦井中，由于設(shè)備大型化，自動化水平較高，噸煤人工費用所占比例不大，但電費所占比例增加，要降低成本，增強煤礦開采企業(yè)的競爭力，因而對電能的使用效率提出了更高的要求。

　　礦井提升機是煤礦核心的生產(chǎn)用電設(shè)備。其作用是沿井筒或者軌道提升煤炭、礦石、升降人員和設(shè)備、下放材料的大型機械設(shè)備。它是礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面工業(yè)廣場相聯(lián)接的樞紐，是礦山運輸?shù)难屎怼Ｒ虼?，礦井提升設(shè)備在礦井生產(chǎn)的全過程中占著極其重要的地位，其安全可靠尤為突出。在礦井生產(chǎn)過程中，提升設(shè)備出了故障，必然造成停產(chǎn)。輕者，影響煤炭產(chǎn)量，重者，則會危及人身安全。礦井提升設(shè)備由綜合機械+電氣傳動控制設(shè)備集成一體，其成本和耗電量高。所以，在新礦井的設(shè)計和老礦井的改建設(shè)計中，確定合理的提升系統(tǒng)時，必須經(jīng)過多方面的技術(shù)經(jīng)濟比較，結(jié)合礦井的具體條件，保證提升設(shè)備在選型和運轉(zhuǎn)兩個方面都是合理的，保證礦井提升設(shè)備經(jīng)濟性。

　　二、行業(yè)現(xiàn)狀

　　在傳統(tǒng)的礦井提升系統(tǒng)中，電機的調(diào)速方式為電機轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速。該調(diào)速方式的弊端有：

　　第一、控制精度差。采用電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，屬于有級調(diào)速，在不同速度段的切換中存在速度跳躍，其控制比較粗糙，定位不準(zhǔn)確。

　　第二、工作可靠性不高。由于在電機轉(zhuǎn)子側(cè)串接電阻，而在分段調(diào)速過程中通常采用接觸器短接上一級電阻，有時因電流過大，致使接觸器的觸點粘在一起，無法實現(xiàn)切換，從而造成超速等事故發(fā)生，嚴(yán)重影響系統(tǒng)工作的可靠性。

　　第三、維護工作量大。由于接觸器對電阻進行分段切換，因此必須經(jīng)常對接觸器進行維護，大大增加了維護人員的工作強度。

　　第四、耗能。電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是一種轉(zhuǎn)差功率消耗型的調(diào)速方式，在整個調(diào)速過程中，大量的電能被消耗在電阻上，非常不經(jīng)濟。

　　第五、穩(wěn)定性較差。電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，當(dāng)在低速段運行時，穩(wěn)定性差。因為轉(zhuǎn)速越低，電機特性越軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動時，引起的轉(zhuǎn)速變化范圍大，運行穩(wěn)定性差。

　　三、發(fā)展趨勢

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻技術(shù)的成熟，國家明文規(guī)定，在礦用提升絞車系統(tǒng)中，推薦使用交流變頻調(diào)速器,代替?zhèn)鹘y(tǒng)的轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式。交流變頻調(diào)速器對礦井提升設(shè)備進行驅(qū)動，具有如下優(yōu)勢：

　　第一，控制精度高。變頻器采用電流矢量控制，使得交流電機的調(diào)速性能與直流電機幾乎相等，控制精度非常高。

　　第二，工作可靠性高。變頻器采用的是電子器件，壽命長，且具有完善的保護功能，用于礦井提升系統(tǒng)控制時，其可靠性更高。

　　第三，基本無維護工作量，減低了維護人員的工作強度。

　　第四，調(diào)速范圍寬廣，屬于無級調(diào)速，低速時穩(wěn)定性好。

　　第五，節(jié)能。變頻器屬于轉(zhuǎn)差功率不變的調(diào)速方式，在整個調(diào)速過程中其節(jié)能方式表現(xiàn)為：當(dāng)?shù)V井提升設(shè)備處于向上提升狀態(tài)時，電機工作于電動狀態(tài)，負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)速降低比例與節(jié)電率成正比。

　　四、礦用提升機系統(tǒng)構(gòu)成及保護功能

　　礦井提升變頻電控系統(tǒng)要有由變頻器柜、操作臺、制動單元柜、電阻柜、油壓系統(tǒng)等五個主要部分組成。如下圖所示：

　　操作臺是礦井提升機電控系統(tǒng)的控制中心。集成的功能有位置、速度、溫度、壓力、電流等必要的信號采集傳感器和終端執(zhí)行設(shè)備。操作臺上的操縱桿及按鈕來控制礦井提升機的運行，并通過指示燈和液晶屏及時了解礦井提升機的運行狀態(tài)，運行參數(shù)及各種控制元器件的工作情況。

　　根據(jù)《煤礦安全規(guī)程2007》，《煤礦提升機絞車安全檢驗規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，礦井提升機控制系統(tǒng)必須使用PLC雙備份冗余設(shè)計+觸摸屏方案，實現(xiàn)了全數(shù)字化和智能化控制，礦井提升機控制系統(tǒng)具備以下保護功能：

　　1）過卷保護

　　當(dāng)上下過卷時，深度指示器行程開關(guān)動作或提升容器越過系統(tǒng)設(shè)置的過卷點時，提升機（或絞車）必須安全制動動作，顯示屏上顯示過卷故障。

　　2）超速保護

　　安裝在電機端的速度傳感器測出絞車運行速度為1.15倍額定速度時，斷開安全回路，同時顯示屏上顯示超速故障。

　　3）上、下減速保護

　　當(dāng)提升容器運行到減速位置時，深度指示器上行程開關(guān)動作，絞車自動減速，同時操縱臺上的聲光報警器報警。

　　4）上、下限速保護

　　當(dāng)提升容器過減速點后至限速點時，絞車運行速度超過2m/s時，安裝深度指示器上限速開關(guān)動作，限速繼電器動作，斷開安全回路。

　　5）過負(fù)荷和欠電壓保護

　　過負(fù)荷時，變頻器故障回路保護，安全回路斷電，欠電壓時，斷路器跳閘斷電；

　　6）深度指示器失效保護

　　安裝在主軸上的速度傳感器與深度指示器上的速度傳感器將所處位置的速度變化信號同時輸入系統(tǒng)，經(jīng)對比后，確認(rèn)變化不一致時，深度指示器繼電器動作，斷開安全回路并顯示故障內(nèi)容。

　　7）松繩保護

　　松繩時，由保護裝置觸動松繩行程開關(guān)，松繩開關(guān)動作，斷開安全回路并報警；行程開關(guān)的安裝位置根據(jù)現(xiàn)場情況選定。松繩現(xiàn)象發(fā)生后，絞車只允許往上慢速提升，否則絞車不能開動；

　　9）信號保護

　　⑴絞車沒有接到開車信號時，不能啟動；

　?、平g車的開車信號與操作要求的提升方向不一致時，不能啟動（錯向保護）；

　　10）系統(tǒng)的必要連續(xù)保護：

　　⑴零位保護

　　操縱手柄不在零位時，安全回路不能接通，絞車無法啟動；

　　正反轉(zhuǎn)互鎖

　　a、正反轉(zhuǎn)只能單向操作；

　　b、從正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到反轉(zhuǎn)或從反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換到正轉(zhuǎn)時，必須經(jīng)過停車位置后，才能按給定方向信號改變運行方向，以免產(chǎn)生錯誤操縱；

　　c、制動液壓站的油壓、油堵、油溫保護

　　當(dāng)系統(tǒng)檢測油壓超過或低于某一設(shè)定值時，系統(tǒng)發(fā)出故障信號保護，安全回路斷開，此時絞車不能工作。當(dāng)壓力油溫超過700C時，系統(tǒng)只允許完成該次提升（下降）運行過程，在故障沒有排除時，不能進行第二次重復(fù)運行。

　　11）油泵電機保護

　　由熱繼電器執(zhí)行在過負(fù)荷下熱繼電器動作保護；

　　12）潤滑保護

　?、艥櫥締雍?，方能啟動主電機；

　　潤滑站失壓或超溫時，切斷安全回路。

　　13）電器系統(tǒng)自我保護

　　運行過程中發(fā)生變頻器過流、欠壓、過負(fù)荷、缺相、電機過熱、變頻器過熱、制動單元過熱、系統(tǒng)失速、跳速等故障時系統(tǒng)將自動進行自我保護，切斷安全回路，同時操縱臺上顯示屏顯示故障內(nèi)容。

　　啟動時的電氣聯(lián)鎖保

　　（1）接通主機電源后，主電機在沒有進入零速制動狀態(tài)時，盤形閘不能松開；

　?。?）盤形閘沒有完全松開時，主電機仍然不能起動；

　　15）停止時的互鎖

　　操作手柄回到零位時主電機停止運行，電機將首先進入零速制動狀態(tài)。

　　礦井提升機對變頻器的要求

　　用戶為了提高產(chǎn)量和效益，超載運行現(xiàn)象非常常見，對整個機械傳動和電控部分都要求具備超強的過載能力。礦井提升機上行、下行的運行過程中，根據(jù)容器運行在井筒或者軌道的位置，操作工來調(diào)整對應(yīng)不同的速度。礦井提升機上行時，電機工作在一、三象限，電機處于電動狀態(tài)，工作電流與上行速度和提升重量有關(guān)，其負(fù)載特性屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由井口下行時，電機工作在二、四象限，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要將再生電能通過制動單元的控制，將電能消耗在制動電阻上，以防止母線電壓泵升，導(dǎo)致變頻器跳過壓保護。下行速度完全可控，避免了傳統(tǒng)操作模式在容器下行時，容易出現(xiàn)失控導(dǎo)致的飛車危險，安全系數(shù)大大提高。WIN-VC電流矢量型變頻器具有動態(tài)性能好、低頻轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點，在開環(huán)矢量控制模式下1HZ可輸出150%的轉(zhuǎn)矩，完全可滿足礦井提升機的控制要求。其主要性能特點有：

　　采用對話式寬屏4行LCD液晶顯示，界面友好，可實現(xiàn)顯示中文、英文、德文、法文、俄文等多國文字；

　　超強2.5倍過載能力，滿足礦井提升機150%載荷設(shè)計要求；

　　適用于高精度、快速響應(yīng)、高轉(zhuǎn)矩、大慣量、位勢負(fù)載等高端場所；

　　具有節(jié)能控制、速度控制、滑差補償、轉(zhuǎn)矩補償、力矩控制、零伺服控制，完美的電機動態(tài)自學(xué)習(xí)實現(xiàn)電機的高效運行；

　　四種控制方式：開環(huán)V/F控制，閉環(huán)V/F控制+PG，開環(huán)矢量控制，閉環(huán)矢量+PG。其四種控制模式對比如下：

　　五、礦井提升機電氣系統(tǒng)方案及參數(shù)設(shè)置

　　變頻器運行命令、頻率指令采用外部端子運行和給定的方式：正轉(zhuǎn)（上行提升），反轉(zhuǎn)（下行下放）、外部故障、故障復(fù)位等指令從操作臺發(fā)出，經(jīng)過PLC運算和邏輯判斷后，經(jīng)I/O口和模擬量輸出模塊控制變頻器工作狀態(tài)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　鑒于礦井提升機一般工作在偏遠(yuǎn)山區(qū)，電源電壓的波動范圍達(dá)±15%，考慮到礦區(qū)用電設(shè)備負(fù)荷分配的不規(guī)范導(dǎo)致相間電壓的平衡度差，建議在變頻器的輸入端配置輸入電抗器?？善鸬椒€(wěn)定變頻器的工作電壓，抑制高次諧波，減小對PLC及觸摸屏干擾，減小因輸入電壓和負(fù)荷的變化，減小了對變頻器內(nèi)部整流模塊的電流沖擊，提高了整個系統(tǒng)的安全運行。

　　1）變頻器電氣控制原理圖

　　2）變頻器的參數(shù)設(shè)定

　　六、結(jié)束語

　　在礦井提升機引入變頻技術(shù)后，系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

　　1）操控簡便、安全可靠。液壓系統(tǒng)與變頻系統(tǒng)的完美結(jié)合，系統(tǒng)沖擊電流小，控制快速、精準(zhǔn)。

　　2）硬件故障率大大降低。電機軟動啟、軟停止，減少對電機和減速器的機械沖擊。盤形制動器軸向浮動，制動盤兩邊平衡壓力，保護制動盤不變形。

　　3）保護功能非常強大。配置深度失效保護、過速保護、松繩保護、減速停車過卷保護、碟型彈簧失效保護、閘間隙保護、調(diào)繩保護、欠電壓和過電流等保護功能。

　　4）提高生產(chǎn)效率，節(jié)能效果明顯。