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1引言
　　湖南省煤業(yè)集團有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)湘煤集團）是經(jīng)湖南省人民政府批準設立的大型省屬?lài)歇氋Y企業(yè)，是全國煤炭百強企業(yè)和全國煤炭產(chǎn)量50強企業(yè)，是省政府確定的全省能源保障主平臺和省政府重點(diǎn)支持加快發(fā)展的九大企業(yè)之一，總設計生產(chǎn)能力3000萬(wàn)噸/年。
　　2009年，湘煤集團集中原煤優(yōu)勢資產(chǎn)，聯(lián)合國電、大唐等大型企業(yè)共同發(fā)起設立了湖南黑金時(shí)代股份有限公司，寶源礦業(yè)有限公司是其下轄的子公司之一。
　　北平硐礦是寶源礦業(yè)公司下屬兩個(gè)礦井之一，北平硐礦井副井提升機采用繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機拖動(dòng)，電機的調速方式采用傳統的串電阻調速方式，該調速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點(diǎn)：
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
（2）控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線(xiàn)電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現減速控制，導致調速不連續、速度控制性能較差。
（4）啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現“掉道”現象。
（5）自動(dòng)化程度不高，增加了開(kāi)采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低速段的啟動(dòng)力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無(wú)法實(shí)現恒轉矩提升。
　　針對以上這些問(wèn)題，煤礦決定對原系統進(jìn)行改造。根據當今科技的發(fā)展，采用技術(shù)含量較高的變頻調速，替代原來(lái)的繞線(xiàn)電機串電阻調速，是較理想的方案。經(jīng)礦方多方面考察多個(gè)用戶(hù)現場(chǎng)，選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500T型高壓變頻器提升系統。
2 改造設備介紹
　　寶源煤業(yè)公司北平硐礦副井絞車(chē)現場(chǎng)使用兩個(gè)操作系統，原操作系統控制工頻運行。新操作系統為山西華威提供，控制變頻運行。互為備用，保證提升機安全運行。兩個(gè)操作系統共用一個(gè)絞車(chē)系統。
2.1現場(chǎng)提升設備參數
　　設備配置如表1所示。現場(chǎng)設備如圖1所示。

圖1 現場(chǎng)設備圖
 

2.2高壓提升機變頻器參數
　　新風(fēng)光電子公司是國內較早的從事提升機變頻器研究的專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家，風(fēng)光牌高壓提升機變頻器被列入國家火炬計劃，產(chǎn)品榮獲國家重點(diǎn)新產(chǎn)品、山東省科技進(jìn)步獎，產(chǎn)品被列入國家重點(diǎn)節能技術(shù)推廣目錄第一批名單。
　　JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調速產(chǎn)品，在以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結合先進(jìn)的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)，融合了先進(jìn)的能量回饋技術(shù)，以及可靠的lGBT大電流驅動(dòng)技術(shù)，是新一代高性能高壓變頻調速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機啟動(dòng)轉矩大，動(dòng)態(tài)轉矩響應好，調速精度高。能量回饋技術(shù)的應用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動(dòng)。高壓提升機變頻調速系統被列為國家火炬計劃項目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新基金項目資助。
　　風(fēng)光高壓提升機變頻器具體參數如表2所示。

3改造方案
3.1主回路方案
　　為了確保安全可靠，讓變頻調速系統與原調速系統并存，互為備用，隨時(shí)可以切換。改造系統控制思路如圖2所示：

圖2  工、變頻系統切換控制 

　　高壓提升機變頻器是整個(gè)改造系統的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。配合自動(dòng)控制的操作臺運行時(shí)，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉運行”、“反轉運行”和“變頻急停”三路開(kāi)關(guān)量信號，以及一路4～20mA“給定轉速”信號。變頻器向電控臺發(fā)出“變頻器待機”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開(kāi)關(guān)量信號，以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘，分別連入相應的控制回路中。絞車(chē)上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機轉速及絞車(chē)位置信號。電控臺接受絞車(chē)司機的操作指令。
　　整個(gè)提升機系統中設有深度指示失效、限速、過(guò)卷、反轉、制動(dòng)油過(guò)壓、閘瓦磨損、松繩、速度監視、制動(dòng)油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護功能。系統能根據故障性質(zhì)作出響應，必要時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，確保設備及人員的安全。
　　主回路改造原理如圖3所示：

圖3  主回路改造圖

　　圖3中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開(kāi)關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動(dòng)機構，實(shí)現電磁和機械互鎖。K4為轉子側雙擲開(kāi)關(guān)，變頻運行時(shí)，K4切換到變頻側，繞線(xiàn)電機轉子線(xiàn)圈經(jīng)雙擲開(kāi)關(guān)K4后處于短接狀態(tài)；工頻運行時(shí)，K4切換到工頻側，繞線(xiàn)電機轉子線(xiàn)圈經(jīng)K4接至原調速電阻裝置。當K1、K3閉合，K2斷開(kāi)，K4切換到變頻側，電機變頻運行；當K1、K3斷開(kāi)，K2閉合，K4切換到工頻側，電機工頻運行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護和調試。另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實(shí)現互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線(xiàn)圈，變頻器出現故障時(shí)，上一級的高壓斷路器斷開(kāi)，實(shí)現高壓故障連跳功能。
3.2液壓制動(dòng)系統的控制
　　礦山提升機首先要求的是保證人員和設備的安全，最重要的保證安全的設備是制動(dòng)系統，目前多采用的液壓制動(dòng)系統要求電控系統對其閥組進(jìn)行控制以完成其正確的松閘、合閘動(dòng)作。從電控系統的角度來(lái)看，液壓站是安全保護的執行設備。如果變頻器在運行過(guò)程中，發(fā)生故障，停機保護，則變頻器內置PLC與液壓站配合，完成提升機的停機過(guò)程，或者轉工頻運行。表3為該液壓站的閥組閉合動(dòng)作邏輯：

　　1DT、2DT、3DT、4DT、5DT、6DT為液壓站電磁閥，電控系統PLC通過(guò)控制該六組電磁閥來(lái)控制制動(dòng)油泵的起動(dòng)，提供制動(dòng)系統中需要的壓力。另外，通過(guò)控制六組電磁閥的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現：正常停車(chē)、井中緊急制動(dòng)、井口緊急制動(dòng)及跳繩離合器等動(dòng)作。
3.3控制回路
　　該提升機變頻系統采用雙PLC控制。高壓變頻器內配置一套PLC用于柜體內開(kāi)關(guān)信號的邏輯處理，以及與現場(chǎng)各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調；操作臺內配置一套PLC用于變頻系統和原工頻系統所有操作信號的邏輯處理，實(shí)現變頻器的自動(dòng)、半自動(dòng)運行。工變頻系統控制關(guān)系如圖4所示。

（1）變頻工作
　　操作臺人機界面啟動(dòng)變頻操作畫(huà)面，根據工況要求，絞車(chē)司機通過(guò)操作臺首先給出上提（下放）指令，操作臺PLC向變頻器發(fā)出上提（下放）信號，然后司機推動(dòng)閘把手柄給出松閘信號，變頻器PLC接收到信號后啟動(dòng)變頻器。絞車(chē)司機通過(guò)推動(dòng)檔位手柄調節檔位，操作臺PLC根據當前的檔位給出4~20mA頻率給定信號來(lái)控制變頻器的運行頻率，達到控制絞車(chē)運行速度的目的。
（2）工頻工作
　　操作臺人機界面啟動(dòng)工頻操作畫(huà)面，根據工況要求，絞車(chē)司機通過(guò)操作臺給出上提（下放）指令，操作臺PLC控制換相柜內的換相接觸器來(lái)改變三相高壓電的相序，實(shí)現電機的正反轉；然后司機推動(dòng)閘把手柄，電機起動(dòng)。絞車(chē)司機通過(guò)推動(dòng)檔位手柄調節檔位，操作臺PLC根據當前檔位分別控制KM1、KM2、KM3、KM4來(lái)調節絞車(chē)的速度。
（3）安全回路
　　變頻器高壓聯(lián)跳信號與操作臺緊急跳閘信號串聯(lián)起來(lái)，一起串入該系統的安全回路。當變頻器出現故障或者操作臺發(fā)出緊急跳閘信號，上一級的高壓斷路器斷開(kāi)，同時(shí)制動(dòng)系統緊急抱閘，保證生產(chǎn)安全。
4高壓提升機調試情況
4.1模擬電控試驗
　　通控制電調試時(shí)必須確保高壓電不能加到變頻器上，以確保人身安全；
（1）通上交流220V控制電，合上控制柜。旁路柜內斷路器，打開(kāi)UPS，觸摸屏自動(dòng)進(jìn)入監控程序；
（2）合旁路柜主回路上的隔離開(kāi)關(guān)（可以不合K1，把K1到PLC的節點(diǎn)短接，試完必須復位）；
（3）短接高壓就緒；
（4）操作電控上的主令和付令信號控制變頻器運行，調節上提（下放）頻率運行到50Hz；用示波器測量單元輸出波形和總輸出波形是否正確，如果示波器看到的波形比較模糊，建議在變壓器輸入加入220VAC電源，輸出電壓開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)下看輸出波形；
（5）電控給變頻的主令和付令信號：主令和付令信號應是獨立，應是經(jīng)電控處理后給出。主要檢測是否存在下面2個(gè)問(wèn)題：
      ①制動(dòng)泵不啟動(dòng)而主令和付令信號給出到變頻器，這樣變頻器運行時(shí)電機堵轉，變頻器會(huì )過(guò)流保護或者損壞。
      ②制動(dòng)泵不啟動(dòng)時(shí)是否存在主令或副令中有一個(gè)信號給出到變頻器，這樣變頻器會(huì )出輸制動(dòng)信號電機有制動(dòng)電流，長(cháng)時(shí)間制動(dòng)有可能出現燒壞電機的現象；
（6）電控在檢測到變頻器就緒后啟動(dòng)制動(dòng)泵、潤滑泵。制動(dòng)泵、潤滑啟動(dòng)后操作主令和付令給出上提（下放）松閘信號變頻運行。（制動(dòng)泵、潤滑泵不啟動(dòng)不能給出上提下放信號，即安全回路輸入信號報故障）；
（7）試驗變頻與工頻的互鎖；
（8）試驗電磁鎖；
（9）試驗變頻器的各項保護功能，報警功能與分斷外部高壓功能；
（10）試驗變頻與電控之間的各種功能，確保各種互鎖與信號邏輯的正確性。
4.2現場(chǎng)通高壓電調試
（1）將高壓電送至變頻器，無(wú)特殊情況不允許在通高壓電開(kāi)機運行的情況下測量輸出或是其他地方，如需測調試人員需做好安全防護并經(jīng)技術(shù)人員允許后再測試，以免出現安全事故；
（2）在不開(kāi)機狀態(tài)下測量功率單元輸入電壓，并換算到隔離變壓器初級，看電網(wǎng)電壓高低情況，來(lái)判斷是否需要調整變壓器電壓抽頭，并做好記錄；
（3）試驗工頻變頻狀態(tài)下，電機轉向是否一致。如果不一致，則將變頻器三相輸出中任意兩相更換位置。
（4）輕載試驗：
　　①設定變頻器的基本參數。上升時(shí)間為15s，下降時(shí)間為15s，上限頻率50Hz，下限頻率1.5Hz，額定頻率50Hz，功能設置4，制動(dòng)電流（設為不超過(guò)額定電流的1.5倍，設定過(guò)小重物上提時(shí)電機會(huì )反轉），頻率穩定度為0.1Hz，電流系數為出廠(chǎng)值，額定電壓為變頻器的額定電壓，低頻補償為20（重載試驗時(shí)在調整），額定電流為電機的額電流，輸出電壓下降時(shí)間為0，頻率到達信號45Hz，啟動(dòng)頻率0.5Hz，比例系數控制為350以出廠(chǎng)為準，反轉頻率上限為25Hz（重載試驗完后調整為50Hz或現場(chǎng)要求的速度）輸出電壓閉環(huán)系數為出廠(chǎng)值，定子電阻系數為0。
　　②開(kāi)機上提和下放觀(guān)察減速區內有否超速現象和提升機的回饋是否正常，超速減小下降時(shí)間再試，回饋不正常查明原因后再試。輕載正常轉入重載試驗。
（5）重載試驗：上升時(shí)間為15s，下降時(shí)間為15s，上限頻率50Hz，下限頻率1.5Hz，反轉上限頻率為25Hz，上提看電機是否反轉如反轉停機增加低頻補償值以不出現反轉為準，下放看變頻回饋是否正常，正常停機后反轉上限頻率調整為30Hz，再上提下放一次如正常反轉上限頻率調整為35Hz，每試一次反轉上限頻率增加5Hz，到50Hz后。調整上升下降時(shí)間，每開(kāi)一次機調整2s時(shí)間以滿(mǎn)足現場(chǎng)要求。調試正常后記錄下變頻器的基本參數。
5各種保護的觀(guān)察和試驗
（1）高壓斷電保護：在安全繼電器吸合情況下，踩下右下角的腳踏開(kāi)關(guān)，高壓開(kāi)關(guān)掉電，安全回路繼電器立即斷電。
（2）主令位置保護：主令不在零位的情況下，安全回路繼電器斷電后，安全條件具備燈不會(huì )得電。
（3）手閘位置保護：在手閘推上情況下，安全回路繼電器斷電后，此時(shí)安全條件具備燈不會(huì )得電。
（4）減速過(guò)速保護：當提升機運行到減速點(diǎn)時(shí)，有減速報警及減速功能，如超過(guò)給定的12%時(shí)安全繼電器立即斷電，同時(shí)伴有語(yǔ)言報警；試驗減速過(guò)速時(shí)，在減速區按住慢上按鈕，當速度超過(guò)0.5m/s安全回路立即斷電，同時(shí)伴有語(yǔ)言報警。
（5）等速段超速保護：當正常速度超過(guò)額定速度的15%時(shí)，在或等速區時(shí)按住慢上速度超過(guò)0.5m/s安全回路立即斷電，同時(shí)伴有語(yǔ)言報警。
（6）制動(dòng)油過(guò)壓保護：人為使制動(dòng)油壓增加到大于6.2MPa，安全回路繼電器立即斷電，制動(dòng)泵停止。
（7）接近井口的2m/s限速保護：此項保護可通過(guò)觀(guān)察提升機運行過(guò)程中2m/s速度繼電器工作的正確性和接近井口的位置繼電器工作的正確性來(lái)判斷。也可以按住慢下按鈕，使提升機運行到接近停車(chē)位置8m時(shí)速度超過(guò)0.4m/s來(lái)試驗。
（8）過(guò)卷保護：該保護有2處，即監控機過(guò)卷、主控機過(guò)卷，可采用暫時(shí)短接1處，判斷1處的辦法進(jìn)行，作此項試驗時(shí)，一定要使提升機運行到過(guò)卷位置，但速度不可過(guò)快，任意一處動(dòng)作都會(huì )使安全回路繼電器斷電。
（9）軸編碼器壞保護：在提升機慢速運行時(shí)，將任一個(gè)軸編碼器的輸出線(xiàn)斷開(kāi)，提升機運行4m后，安全回路繼電器立即斷電。
（10）潤滑油欠壓：如果潤滑油壓低于0.05MPa時(shí)，無(wú)法打上信號。
（11）閘間隙保護：人為動(dòng)作后有語(yǔ)言報警。
（12）錯向保護：人為使提升機向反方向運行，速度超0.5m/s或行程超過(guò)1m，安全回路掉電。
6現場(chǎng)應用情況及運行效果
　　從目前運行情況看，副井提升絞車(chē)變頻改造后，實(shí)現了電動(dòng)機的真正軟啟動(dòng)，縮短了提升時(shí)間，減少維護工作量，提高了生產(chǎn)效率。大大提高了提升機的安全運行。高壓提升機變頻器現場(chǎng)運行如圖5所示。

圖5風(fēng)光高壓提升機變頻器現場(chǎng)運行圖

　　絞車(chē)改造后，整個(gè)變頻提升系統具有如下特點(diǎn)：
（1）變頻系統甩掉了原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境。
（2）實(shí)現了絞車(chē)電機的軟起動(dòng)和軟停止，使運行更加平穩，機械沖擊小。
（3）啟動(dòng)及加速過(guò)程沖擊電流小，加速過(guò)程中最大啟動(dòng)電流不超過(guò)1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩無(wú)級平滑地升至最高速，也沒(méi)有大電流出現，大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。
（4）增加了直流制動(dòng)功能，使重車(chē)停車(chē)時(shí)更加平穩。
（5） 節能效果顯著(zhù)。據實(shí)測，在低速段節能明顯，一般可達到20%左右。采用回饋制動(dòng)，節能效果越明顯。
（6） 保護功能齊全，除了過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、過(guò)熱、短路等自身保護外，還設有外圍控制的連鎖保護，包括制動(dòng)閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與系統安全回路的連鎖，機內備有自動(dòng)減速程序等。對提升機運行過(guò)程中的參數及可能危及提升機正常運行的設備進(jìn)行監測，并具有故障顯示、報警功能。
　　鑒于風(fēng)光高壓提升變頻系統改造的良好效果，湘煤集團下屬的多家煤礦改造的絞車(chē)變頻提升系統均采用新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的高壓產(chǎn)品。