一、引言

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

　　礦井提升機(jī)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(jī)械設(shè)備。它是礦山井下生產(chǎn)系統(tǒng)和地面工業(yè)廣場(chǎng)相聯(lián)接的樞紐，是礦山運(yùn)輸?shù)难屎怼Ｒ虼?，礦井提升設(shè)備在礦井生產(chǎn)的全過(guò)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(guò)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(huì)危及人身安全。礦井提升設(shè)備由綜合機(jī)械+電氣傳動(dòng)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(jì)和老礦井的改建設(shè)計(jì)中，確定合理的提升系統(tǒng)時(shí)，必須經(jīng)過(guò)多方面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合礦井的具體條件，保證提升設(shè)備在選型和運(yùn)轉(zhuǎn)兩個(gè)方面都是合理的，保證礦井提升設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。

　　二、行業(yè)現(xiàn)狀

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

　　第一、控制精度差。采用電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，屬于有級(jí)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(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)串接電阻，而在分段調(diào)速過(guò)程中通常采用接觸器短接上一級(jí)電阻，有時(shí)因電流過(guò)大，致使接觸器的觸點(diǎn)粘在一起，無(wú)法實(shí)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(hù)工作量大。由于接觸器對(duì)電阻進(jìn)行分段切換，因此必須經(jīng)常對(duì)接觸器進(jìn)行維護(hù)，大大增加了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。

　　第四、耗能。電機(jī)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(gè)調(diào)速過(guò)程中，大量的電能被消耗在電阻上，非常不經(jīng)濟(jì)。

　　第五、穩(wěn)定性較差。電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，當(dāng)在低速段運(yùn)行時(shí)，穩(wěn)定性差。因?yàn)檗D(zhuǎn)速越低，電機(jī)特性越軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)，引起的轉(zhuǎn)速變化范圍大，運(yùn)行穩(wěn)定性差。

　　三、發(fā)展趨勢(shì)

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和變頻技術(shù)的成熟，國(guó)家明文規(guī)定，在礦用提升絞車(chē)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(duì)礦井提升設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　第一，控制精度高。變頻器采用電流矢量控制，使得交流電機(jī)的調(diào)速性能與直流電機(jī)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(zhǎng)，且具有完善的保護(hù)功能，用于礦井提升系統(tǒng)控制時(shí)，其可靠性更高。

　　第三，基本無(wú)維護(hù)工作量，減低了維護(hù)人員的工作強(qiáng)度。

　　第四，調(diào)速范圍寬廣，屬于無(wú)級(jí)調(diào)速，低速時(shí)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(gè)調(diào)速過(guò)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(shí)，電機(jī)工作于電動(dòng)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(jī)系統(tǒng)構(gòu)成及保護(hù)功能

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

　　操作臺(tái)是礦井提升機(jī)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(hào)采集傳感器和終端執(zhí)行設(shè)備。操作臺(tái)上的操縱桿及按鈕來(lái)控制礦井提升機(jī)的運(yùn)行，并通過(guò)指示燈和液晶屏及時(shí)了解礦井提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)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(jī)絞車(chē)安全檢驗(yàn)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)必須使用PLC雙備份冗余設(shè)計(jì)+觸摸屏方案，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化和智能化控制，礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)具備以下保護(hù)功能：

　　1）過(guò)卷保護(hù)

　　當(dāng)上下過(guò)卷時(shí)，深度指示器行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作或提升容器越過(guò)系統(tǒng)設(shè)置的過(guò)卷點(diǎn)時(shí)，提升機(jī)（或絞車(chē)）必須安全制動(dòng)動(dòng)作，顯示屏上顯示過(guò)卷故障。

　　2）超速保護(hù)

　　安裝在電機(jī)端的速度傳感器測(cè)出絞車(chē)運(yùn)行速度為1.15倍額定速度時(shí)，斷開(kāi)安全回路，同時(shí)顯示屏上顯示超速故障。

　　3）上、下減速保護(hù)

　　當(dāng)提升容器運(yùn)行到減速位置時(shí)，深度指示器上行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，絞車(chē)自動(dòng)減速，同時(shí)操縱臺(tái)上的聲光報(bào)警器報(bào)警。

　　4）上、下限速保護(hù)

　　當(dāng)提升容器過(guò)減速點(diǎn)后至限速點(diǎn)時(shí)，絞車(chē)運(yùn)行速度超過(guò)2m/s時(shí)，安裝深度指示器上限速開(kāi)關(guān)動(dòng)作，限速繼電器動(dòng)作，斷開(kāi)安全回路。

　　5）過(guò)負(fù)荷和欠電壓保護(hù)

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

　　6）深度指示器失效保護(hù)

　　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(hào)同時(shí)輸入系統(tǒng)，經(jīng)對(duì)比后，確認(rèn)變化不一致時(shí)，深度指示器繼電器動(dòng)作，斷開(kāi)安全回路并顯示故障內(nèi)容。

　　7）松繩保護(hù)

　　松繩時(shí)，由保護(hù)裝置觸動(dòng)松繩行程開(kāi)關(guān)，松繩開(kāi)關(guān)動(dòng)作，斷開(kāi)安全回路并報(bào)警；行程開(kāi)關(guān)的安裝位置根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選定。松繩現(xiàn)象發(fā)生后，絞車(chē)只允許往上慢速提升，否則絞車(chē)不能開(kāi)動(dòng)；

　　9）信號(hào)保護(hù)

　?、沤g車(chē)沒(méi)有接到開(kāi)車(chē)信號(hào)時(shí)，不能啟動(dòng)；

　　⑵絞車(chē)的開(kāi)車(chē)信號(hào)與操作要求的提升方向不一致時(shí)，不能啟動(dòng)（錯(cuò)向保護(hù)）；

　　10）系統(tǒng)的必要連續(xù)保護(hù)：

　?、帕阄槐Ｗo(hù)

　　操縱手柄不在零位時(shí)，安全回路不能接通，絞車(chē)無(wú)法啟動(dòng)；

　　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(shí)，必須經(jīng)過(guò)停車(chē)位置后，才能按給定方向信號(hào)改變運(yùn)行方向，以免產(chǎn)生錯(cuò)誤操縱；

　　c、制動(dòng)液壓站的油壓、油堵、油溫保護(hù)

　　當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)油壓超過(guò)或低于某一設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)保護(hù)，安全回路斷開(kāi)，此時(shí)絞車(chē)不能工作。當(dāng)壓力油溫超過(guò)700C時(shí)，系統(tǒng)只允許完成該次提升（下降）運(yùn)行過(guò)程，在故障沒(méi)有排除時(shí)，不能進(jìn)行第二次重復(fù)運(yùn)行。

　　11）油泵電機(jī)保護(hù)

　　由熱繼電器執(zhí)行在過(guò)負(fù)荷下熱繼電器動(dòng)作保護(hù)；

　　12）潤(rùn)滑保護(hù)

　?、艥?rùn)滑站啟動(dòng)后，方能啟動(dòng)主電機(jī)；

　　潤(rùn)滑站失壓或超溫時(shí)，切斷安全回路。

　　13）電器系統(tǒng)自我保護(hù)

　　運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生變頻器過(guò)流、欠壓、過(guò)負(fù)荷、缺相、電機(jī)過(guò)熱、變頻器過(guò)熱、制動(dòng)單元過(guò)熱、系統(tǒng)失速、跳速等故障時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行自我保護(hù)，切斷安全回路，同時(shí)操縱臺(tái)上顯示屏顯示故障內(nèi)容。

　　啟動(dòng)時(shí)的電氣聯(lián)鎖保

　?。?）接通主機(jī)電源后，主電機(jī)在沒(méi)有進(jìn)入零速制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，盤(pán)形閘不能松開(kāi)；

　?。?）盤(pán)形閘沒(méi)有完全松開(kāi)時(shí)，主電機(jī)仍然不能起動(dòng)；

　　15）停止時(shí)的互鎖

　　操作手柄回到零位時(shí)主電機(jī)停止運(yùn)行，電機(jī)將首先進(jìn)入零速制動(dòng)狀態(tài)。

　　礦井提升機(jī)對(duì)變頻器的要求

　　用戶為了提高產(chǎn)量和效益，超載運(yùn)行現(xiàn)象非常常見(jiàn)，對(duì)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)和電控部分都要求具備超強(qiáng)的過(guò)載能力。礦井提升機(jī)上行、下行的運(yùn)行過(guò)程中，根據(jù)容器運(yùn)行在井筒或者軌道的位置，操作工來(lái)調(diào)整對(duì)應(yīng)不同的速度。礦井提升機(jī)上行時(shí)，電機(jī)工作在一、三象限，電機(jī)處于電動(dòng)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(shí)，電機(jī)工作在二、四象限，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要將再生電能通過(guò)制動(dòng)單元的控制，將電能消耗在制動(dòng)電阻上，以防止母線電壓泵升，導(dǎo)致變頻器跳過(guò)壓保護(hù)。下行速度完全可控，避免了傳統(tǒng)操作模式在容器下行時(shí)，容易出現(xiàn)失控導(dǎo)致的飛車(chē)危險(xiǎn)，安全系數(shù)大大提高。WIN-VC電流矢量型變頻器具有動(dòng)態(tài)性能好、低頻轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)，在開(kāi)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(jī)的控制要求。其主要性能特點(diǎn)有：

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

　　超強(qiáng)2.5倍過(guò)載能力，滿足礦井提升機(jī)150%載荷設(shè)計(jì)要求；

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

　　具有節(jié)能控制、速度控制、滑差補(bǔ)償、轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償、力矩控制、零伺服控制，完美的電機(jī)動(dòng)態(tài)自學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高效運(yùn)行；

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

　　五、礦井提升機(jī)電氣系統(tǒng)方案及參數(shù)設(shè)置

　　變頻器運(yùn)行命令、頻率指令采用外部端子運(yùn)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(tái)發(fā)出，經(jīng)過(guò)PLC運(yùn)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　鑒于礦井提升機(jī)一般工作在偏遠(yuǎn)山區(qū)，電源電壓的波動(dòng)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。可起到穩(wěn)定變頻器的工作電壓，抑制高次諧波，減小對(duì)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(duì)變頻器內(nèi)部整流模塊的電流沖擊，提高了整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)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(yǔ)

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

　　1）操控簡(jiǎn)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(jī)軟動(dòng)啟、軟停止，減少對(duì)電機(jī)和減速器的機(jī)械沖擊。盤(pán)形制動(dòng)器軸向浮動(dòng)，制動(dòng)盤(pán)兩邊平衡壓力，保護(hù)制動(dòng)盤(pán)不變形。

　　3）保護(hù)功能非常強(qiáng)大。配置深度失效保護(hù)、過(guò)速保護(hù)、松繩保護(hù)、減速停車(chē)過(guò)卷保護(hù)、碟型彈簧失效保護(hù)、閘間隙保護(hù)、調(diào)繩保護(hù)、欠電壓和過(guò)電流等保護(hù)功能。

　　4）提高生產(chǎn)效率，節(jié)能效果明顯。