变频控制在矿井绞车改造中的应用
摘要：针对矿井绞车采用继电器-接触器控制方式的缺陷，文章提出了一种采用双PLC实现的的矿井绞车变频改造方案，详细介绍了PLC在双馈转子变频控制系统的设计理念及其组成，分析了该系统实现同步控制、双重保护的工作原理，介绍了改善系统调速性能、提高系统安全性的技术措施。
关键词：矿井绞车；变频控制；变频调速；双PLC
中图分类号：TD534 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0048-02
绞车是矿山企业的大型设备之一，它担负着物料运送、人员上下等任务，是矿井的“咽喉要道”，在实际生产中占据着非常关键的作用。
目前，我国多数矿井绞车采用的电控系统为：异步电机+转子串电阻加速+动力制动减速+高压接触器换向。成庄矿副井绞车采用的就是这种电控方式。该电控方式在一定程度上满足提升系统的运行要求，但也存在着不容忽视的问题，即电机转差功率全部消耗于转子串接的电阻回路中，而绞车在重载加速、加速的工况下运行时间较长，此时转差功率相当大，这就造成了能源的巨大浪费；系统为串电阻有级调速，切换时冲击电流大，设备运行平稳性差，安全性能较低；系统发热严重，造成工作环境恶劣。
随着变频技术及PLC技术的迅速发展，该系统已列入国家强制淘汰设备目录之内，对其进行升级改造势在必行。本文主要对成庄矿副井绞车控制系统进行改造，采用全数字式转子双馈交流绞车变频电控系统。
1 现状
成庄矿副井绞车采用2JK-2.5/20型双筒单绳缠绕式绞车，电动机为JR157-10交流绕线式异步电动机，额定功率260kW，定子电压6kV，定子电流33A，转子电压505V，转子电流329A。副井斜长572米，倾角18度，最大提升速度4米/秒。由于设备老化、控制技术落后，现将老式系统改造为全数字变频电控系统。该电控系统将先进的数字化、自动化等技术进行融合，采用“交流电机+交直交主回路+全数字化控制模式+双PLC控制+故障诊断与监控”的模式。
2 双馈转子变频调速系统结构
该系统的转子变频矢量控制器是全数字式控制器，可以实现速度闭环控制、转子变频矢量控制、单位功率因数的控制、电流闭环控制、故障诊断等功能。
在系统主回路设计上，采用“背靠背”式的二级管钳位双三电平结构，电网电压定向，直接电流控制。其中，将三电平的有源前端作为整流变压器，逆变器侧直接接至电机的转子回路，在转子变频矢量调速装置的控制下驱动绞车。二极管钳位三电平结构的功率器件电压等级仅为日常两电平结构的一半，从而降低了电机绝缘和功率器件承受的电压，最终减小了系统的开关损耗。同时背靠背拓扑结构利于系统维护，系统可靠性能得到增强。在控制方式上，把功率变换装置和电机作为一个整体，进一步实现高性能调速的前提下对网侧功率因数、网侧谐波、电机定子侧、网侧功率因数等关键指标进行调控，满足系统运行在较低的开关频率、较小的进线电抗下实现能量双向流动，使变频器对电网无污染。
该电控系统在交流电机的转子侧引入全控功率变换单元，而全控双馈系统功率变换单元是由全控器件组成的三电平变换器所构成的，系统通过控制转差功率来进行调速，其中CU1作为系统的全控逆变单元，用来提供与转子电势同频率的变频电源，CU2作为全控整流单元，用来提供对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿，同时为系统提供稳定的直流电压。当变换器CU1处于全控整流状态，CU2处于逆变状态时，转子馈出能量；当两个变换器工作状态与上述相反时，转子馈入能量。
3 双PLC控制系统
为了满足矿井绞车高可靠性和高安全性的要求，我们通过建立双PLC冗余控制系统的配置来完成绞车逻辑操作、行程控制、液压制动控制、故障保护等。两套PLC全部通过PROFIBUS和MPI总线进行数据传输，进一步保证重要数据的实时性和同一性，为系统的数据分析提供依据和保证。
3.1 提升行程控制PLC
该部分由三个轴编码器（滚筒侧、减速器侧、电机侧）、井筒开关（深度指示器上）和行程监控PLC构成。
三台轴编码器将绞车行程位置和在线速度转换成脉冲信号送至系统PLC中，系统PLC将编码器信号和系统设定的一些行程参数结合起来进行逻辑处理，自动产生绞车所需的运行曲线，绞车按照曲线进行运行。为了尽量减少起动和制动过程中产生的机械冲击，绞车运行速度给定信号的加、减速段为标准的“S”型曲线。同时，PLC通过实际运算来调节减速度保持为一个固定值，进一步保证停车点的精度。
3.2 安全保护回路PLC
系统设置有PLC与继电器构成的双线制安全保护回路。系统将绞车的保护信号主要分为四类：井口施闸、立即施闸、电气制动和报警。其中直接接入到PLC中的事故信号为井口施闸、电气制动和报警，PLC将此类事故信号通过处理后发送至监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警或施闸。立即施闸类事故信号除了引至PLC中显示、处理外，还引入到安全直动回路，动作抱闸系统进行施闸。
4 应用效果
通过改造，采用变频调速系统将使不经济的工况转变为最佳的工况运行，系统控制精确、运算简洁，节能效果明显，可靠性得到很大提高。
（1）变频调速系统设备运行更加平稳，实现速度连续可调，电机温升较旧系统有明显降低，同时对系统机械冲击也明显减小。
（2）系统有明显的节能效果。投运以来，平均用电量比副井绞车房过去一年月平均用电量减少4830度，全年节电达57960度。
（3）系统运转安全可靠，保护齐全，故障率低，且故障判断及时准确。
（4）绞车能自动地按照系统计算的提升速度图来进行提升，降低了绞车的操纵难度。司机无需用施闸手段控制减速，进一步避免超速、过卷的发生。
5 结语
由实际应用效果得出，在煤矿提升系统中实现变频调速控制，不仅极大地提高了煤矿生产自动化程度，使绞车系统保护完善、运行安全可靠、维护简单，而且节能效果明显。随着煤矿现代化的发展，煤矿的增产、降耗、提效被提到了前所未有的高度，设备的节能改造将大范围地展开。因此，“双线控制”式绞车变频电控系统的改造势必将得到广泛的应用。
参考文献
[1] 张贤.二极管钳位型三电平逆变器研究[D].华中科技大学，2002.
[2] 徐州中矿大与自动化有限公司.矿井交流绞车双馈转子变频调速系统的研究与应用.
作者简介：张承鹏（1983—），晋城煤业集团成庄矿机电科技术员。
（责任编辑：黄银芳）