矿用提升机变频调速系统
Variable Frequency Speed Regulation System of Mining Hoist
山东新风光电子科技发展有限公司 杜秀虹
Du Xiuhong
摘要：采用变频调速系统可以克服传统提升机调速系统存在的诸多缺点，本文以风光提升机专用变频器为例对该系统作了全面介绍。
Abstract: Using variable frequency speed regulation system can overcome many disadvantages existing in the traditional speed regulation system, this paper makes the overall introduction to this system taking Fengguang mining hoist special Inverter as an example.
关键词：矿用提升机、提升机专用变频器、能量回馈、调速系统
Key words: mining hoist mining hoist special inverter energy feedback
speed regulation system
一、引言
目前矿用提升机控制系统普遍采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，该系统存在以下缺点：
（1）大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费，同时电阻器的安装需要占用很大的空间。
（2）控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了生产效率。
（3）低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。
（4）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易出现“掉道”现象。
（5）自动化程度不高，增加了开采成本，影响了产量。
（6）低电压和低速段的启动力矩小，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。
采用变频调速系统可以很好地克服上述缺点，本文以风光牌提升机变频器为例，详细介绍变频调速系统在矿用提升机上应用的系统方案。
二、采用变频调速系统的优点
（1）在电网波动±20%范围内，恒转矩提升，不会因为电网波动影响负载提升情况。
（2）实现了电机软启动，启动力矩大，带负载能力强。
（3）电机可以实现无级调速，加、减速过程很平滑，电流冲击小，大大减轻了机械冲击的强度。
（4）采用芯片统一控制和PLC外端电路接口相结合，使调速系统具有很高的可靠性，同时利用PLC强大的控制能力实现灵活的控制方式。
（5）机内带有回馈单元，回馈能量直接输给电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显，系统可以实现四象限运行。
（6）安全保护功能齐全，除了过压、欠压、过载、过热、短路等自身保护外，还设有外围控制的连锁保护，包括制动闸信号与正、反转信号的连锁，变频器故障信号与系统安全回路的连锁，机内备有自动减速程序等。
三、接口电路
变频器提供完善的接口电路，内设PLC，既可以与新装系统实现配套使用，也可以对老系统进行改造，可以接受DC 0-5V、DC 0-10V 和4-20mA工业标准信号。用于系统改造时，增加远控装置就可以实现工频与变频的相互转换，监视系统的操作和运行状况等功能。
图1 提升机专用变频器接口电路
接口电路实现了变频器与控制系统的连接，包括正、反转控制，速度调节(可以采用档位调节方式，也可以采用模拟量输入方式)，与外部电路的连锁功能(“松闸”、“急停”信号用于与制动闸及制动油泵连锁，“安全回路”及故障输出信号用于与系统安全回路实现连锁)，各种状态指示等各种功能。
四、主回路结构
(a)
(b)
图2 低压系列主回路结构
图3 高压6-10KV多重化单元结构
五、提升机变频器主要功能简述
(1) 回馈制动
变频器采用能量回馈单元将再生能量回馈给电网，从而实现变频器的四象限运行。
(2) 能耗制动
能耗制动单元可单独使用，也可以与能量回馈单元配合使用。
(3) 直流制动
主令控制器给出“正转”或“反转”命令后，如果没有给出“松闸”信号，变频器会在电机上施加直流制动转矩，确保松开制动闸过程中重车不下滑。在给出“松闸”信号后，变频器开始运行。
制动油泵开启后，若不小心松开制动闸触动“松闸”行程开关，变频器接收到“松闸”信号，同时在电机上施加直流制动转矩，确保重车不下滑。
当重车在井筒中间停车时，变频器由高速至停机后，随之施加直流制动转矩使电机停止转动，当机械制动起作用后，方去掉直流制动，使重车靠机械抱闸的作用停止。
(4) 多段速
变频器内部预置了五个速度段，分别对应于变频器运行频率6Hz、15Hz、25Hz、35Hz、50Hz,以适应控制系统对提升机不同运转速度的要求。
各速度段对应频率可以分别设置，以满足各种工况运行需要。
(5) 自动减速
变频器接收到系统给出的减速信号后，启动机内的减速程序，按照设定要求将提升机的运行速度逐渐降低。
(6) 紧急停车
变频器提供了紧急停车信号输入端子，急停信号动作后，变频器立即停止输出，电机处于自由运转状态，然后依靠机械制动装置停车。
六、系统方案
(1) 配套用变频器系统方案
a 主回路
三相交流电源经自动空气开关接至变频器三相输入端子，变频器三相输出端子接至电机。如图4所示。
图4 配套用变频器主回路接线示意图
b 控制回路
电控系统与变频器配套使用，系统已经提供了与变频器的接口，可按照各自的接线说明正确连接。
(2) 改造用变频器系统方案
改造用变频器是在原提升机电控系统的基础上，用变频调速系统替代原工频调速系统，同时保留工频调速系统，使两套系统互为备用，增加系统运行的可靠性。改造时需要增加工、变频转换功能。系统运行前，将主回路和控制回路各转换开关切换至相应的变频或工频位置。具体接法如下。
a 主回路
增加三个三刀双掷开关（QS1、QS2、QS3）作为主回路切换装置，三相电源、定子线圈、转子线圈分别接至相应开关的刀位置。如图5 (a)、(b)所示。
所有开关切换至变频位置时，三相电源经双掷开关QS1、自动空气开关QA接至变频器输入端子（R、S、T）（同时将零线接至变频器零线端子N），变频器输出端子（U、V、W）经双掷开关QS2接至电机定子线圈，绕线电机转子线圈经双掷开关QS3后处于短接状态。
所有开关切换至工频位置时，三相电源经双掷开关QS1、QS2接至定子线圈，绕线电机转子线圈经QS3接至原调速电阻装置。
b 控制回路
变频器远控装置用做工、变频控制回路的切换装置。远控装置内用七个双刀双掷开关作为正、反转和五段速的切换部件，其原理如图6 所示。
图6 控制回路工、变频转换原理图
图6 中，虚线方框内表示的是一个双刀双掷开关，LK3、LK4分别表示主令控制器的正转和反转触头，LK5、LK6、LK7、LK9、LK11分别表示主令控制器的五个档位触头。
七、操作与控制
由于变频器提供了适应提升机现场应用的完善的接口，依据提升机控制系统的不同，采用适当的接线方式，就可以实现灵活的操作方式。
对于旧系统改造用变频器，为了不改变原来的操作习惯，可以用原来的操纵系统操作变频器，用远控装置切换工频与变频运行方式，两个系统之间可以实现无缝连接。
变频调速系统可以实现自动运行和手动运行两种方式：
(1) 自动运行方式
利用机内PLC强大的控制能力，通过设置适当的参数，变频器就可以实现自动化运行，极大地提高了提升机的运行效率。
图7中，以正转为例，开机时低速爬行时间t1、减速信号动作后延时t2、中速运行时间t3、停机前爬行时间t4根据现场情况可以自由设置。提升机运行过程中，除开、停机外，可以不需要人工干预。
(2) 手动运行方式
该方式下，操作者通过主今控制器控制电机转速，以实现电机的爬行、加速、减速、恒速运行，但在系统给出减速信号后，为保证整个系统安全，变频器仍然会启动机内自动减速程序。
八、现场应用情况
我公司从2000年开始研制提升机专用变频器，从2002年至今，我公司的产品发往山西、内蒙、新疆、河南、河北、四川、黑龙江等地数十台。其中，既有新装系统配套用，又有老系统改造用，包括单筒、双筒，直井、斜井等各种工况。从使用情况来看，节电率均在30%以上。提升机变频调速系统具有很高的可靠性，而且操作简单，利用机内PLC接口可以轻易地实现各种控制功能，大大提高提升机运行的自动化程度。
九、结束语
提升机专用变频器由于其控制软件专门为提升机类负载设计，充分考虑了提升机实际运行中的各种特殊要求，采用各种措施保证系统的安全运行，又因为它具有传统调速系统所无可比拟的调速和控制性能，其取代传统调速系统将成为必然趋势。
