PLC、变频技术在煤矿副井提升机上的应用

中国西部科技２０１４年２月第１３卷第Ｄ２期总第２９５期　２１　ＰＬＣ、变频技术在煤矿副井提升机上的应用　梁建宾　摘刘晓晖　（１．嵩基集团仟祥煤业，河南郑州４５００００；２．河南能源义煤集团常村煤矿，河南三门峡４７２０００）　要：针对目前煤矿用提升机电控系统存在的问题，笔者提出将ＰＬＣ和变频器等先进设备应用在提升机控制系统中。经　过实践的检验，改造后的系统应用效果良好。　关键词：ＰＬＣ；变频器；工变频切换；煤矿；提升机　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉ　ｓｓｒ１．１６７１—６３９６．２０１４．０２．００９　金丰煤业集团有限公司下属的小河一矿副井提升机，系　统电压３８０Ｖ、９５ｋＷ交流提升机，井深１８０ｍ，提升能力为　３Ｔ，电控设备属于ＴＫＤ电控，调速系统为交流电动机转子　串联电阻调速方式。　１　原系统存在以下问题　原系统的电气控制设备由电源柜、转子柜、动力制动柜、　主令控制柜和调速电阻及各种保护构成。该电控系统虽然使　用了２０世纪８０年代较成熟的继电保护技术，但其主要蓝　本仍是前苏联２０世纪５Ｏ年代的产品，系统自动化程度低，　实际运行中存在设备使用效率低、耗能大、故障率高、故障　后备保护不完善等缺点，该系统主要存在以下几方面的问　题：　（１）电机转子回路采用交流接触器切换串接电阻进行调　速的方式，由于长时间运行，动作频繁，接触器触头严重烧　蚀、线圈弹簧老化、振动噪声大、故障率高、日常维修量大。　大量的电能消耗在转差电阻上，造成了严重的能源浪费。　（２）系统的主控制屏采用复杂的背后布线方式，电气接　点和控制元件多，各电气元件参数调整及配合困难，一旦发　生故障时，查找故障难度大，修复时间长，从而严重影响正　常的生产。　（３）电气制动保护采用三相半控桥式整流输出电路，其　触发电路由磁放大器、电阻和其他电子元件共同组成。由于　各分立元件之间电气参数差异大，电气接点多，调整困难，　故障率高，投入使用时提升机冲击力过大，系统的运行速度　特性能较差。因此，平时电气制动很少投入使用，使提升系　统失去一项重要的功能。　（４）原系统保护较为单调，运行时完全依靠操作司机手　上的工作闸控制工作闸电流进行控制提升速度，这就要求司　机高度集中注意力。然而，操作司机因劳动强度大而容易疲　劳，稍有不慎则可能出现安全事故。　（５）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。低电压和低速段的启　动力矩小，机械特性比较软，带负载能力差，无法实现恒转　矩提升。　（６）启动和换挡冲击电流大，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。　（７）在料车空车下放时，电机的转速超过了同步转速，　电机处于发电状态，由于没有处理环节，大量的无功能量消　耗在转差电阻上，致使电机能耗增加，不但浪费大量的电能，　而且使电机铜损、铁损增加，增大了电机的维修费用　从现　场情况看，下放时电机电流与提升时基本相同，都在５００Ａ　左右，相当于电机的额定电流，而空载时电机电流大约应在　额定电流的６０％左右，从这点看，应有３０％左右的无功能量　消耗，使用电量增加。　２变频调速控制系统　矿井提升机是机、电、液一体化的大型机械，是矿井生　产的咽喉，确保提升机电控系统在满足工况条件下安全、高　效、节能运行。改造后的设备为智能操作台、系统切换柜、　变频调速柜，保留原有电阻。改造后的系统图如图１所示。　在正常情况下，提升机可以实现变频节能运行。当变频器出　现故障停机时，可以通过系统切换柜和智能操作台切换开关配　合操作，实现提升机的工频运行，对变频柜进行检修等工作。　２．１智能操作台的构成　智能操作台的构成包括ＰＬＣ控制系统、显示系统。ＰＬＣ　控制系统选用西门子Ｓ７—２００系列双ＰＬＣ控制，控制核心应　包含两套ＰＬＣ系统和两套测速装置。其中一套ＰＬＣ系统及测　速装置用来完成提升机的主控功能，另一套用来完成提升机的　监控功能。两套ＰＬＣ系统通过实时数据交换，完成相互监控。　两套ＰＬＣ的开关量输入端口不少于３８个（含１０％的备用点　数）。开关量输出端口应根据矿用操作台显示方式的不同分别　加以规定，但不应少于２０个。模拟量输入通道数不少于５路　（含１路备用），模拟量输出通道数不少于５路（含１路备用）。　留有通讯和上位机接口。具有ＬＩＰＳ不间断电源为控制回路供　电，当系统突然停电时，保证二级制动的有效性。　显示系统采用１２”液晶彩色触摸显示屏，２台１５”液晶监　视器具有完备的中文显示功能。对提升机的行程、深度、速　度、提升钩数、电机电流、电机温度、工作闸电流、制动油　压及各种故障与运行状态进行显示，还应具有故障记忆功能　及提升机速度、电流趋势图显示功能。测速装置采用两套轴　编码器，之间相互监控。　２．２变频调速柜的构成　变频器采用安川Ｉ　Ｇ７系列１３２ｋＷ变频器，采用矢量四象　限运行，采用回馈制动单元，并采取抗干扰装置和完善的防　雷系统，变频器较电机提高２个功率等级。满足自动、手动、　检修控制模式。主要功能如下：　（下转第６２页）　６２　问题，为类似工程的设计提供了一种参考。　参考文献　［１】ＴＢ１０００９—２００５，铁路电力牵引供电设计规范［Ｓ］．中国铁道出版社，　２００５－６－１　电气工程　路接触悬挂安装图【ｚ】．中铁二院，２００９　［３］通化（２００９）１００９，铁路工程建设通用参考图时速２００公里客货共线铁　路接触网接地与回流安装　ｚ］．中铁二院，２００９　Ｉ作者简介ｌ范荣鑫（１９８３一），男，四川乐山籍，大学本　科，工程师，研究方向为铁路电气化。　［２］通化（２００９）１００６，铁路工程建设通用参考图时速２００公里客货共线铁　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＯＣＳ　Ｏｉｌ　Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｃｈａｏｙａｎｇ　Ｊｉａｌｉｎｇ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＦＡＮＲｏｎｇ—ｘｉｎ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｒｙｕａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１００３１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｎｏｎ—ｅｌｅｃｔｒｉｉｆｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ　ｉｓ　ａ　ｍａｊｏｒ　ｔｒｅｎｄ　ｆｏｒ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｒａｉｌｗａｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．　Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＯＣＳ（ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｓｙｓｔｅｍ）ｏｎ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｒａｉｌｗａｙ　ｉｓ　ａ　ｋｅｙ　ｌｉｎｋ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｒ　ｆｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｗｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｎｓａｌｔｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｏｒｆ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｃｈａｏｙａｎｇ　Ｊｉａｌｉｎｇ　Ｒｉｖｅｒ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｉｎ　Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｏｕｔｌａｙ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔｅｎｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｅｒｉｏｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｓｔｅｅｌ　ＴｒｕＳＳ　Ｂｒｉｄｇｅ；Ｌｏｗ　Ｈｅａｄｒｏｏｍ；Ｓｐｅｃｉａｌ　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　（上接第２１页）　（１）能量回馈功能。　用于大惯量负载、提升负载及要　求快速制动的变频调速系统中，将电机在制动过程中产生的　９７％以上的再生电能量回馈给电网。　（２）自动减速。变频器接收到系统给出的减速信号后，　变频系统甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速电阻，　提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境。实现了低　频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小。启　动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大启动电流不超过　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。　１．３倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地　升至最高速，也没有大电流出现，大大地减小了对电网的冲　击。增加了直流制动功能，使重车停车时更加平稳。转矩补　偿达到规范要求，重车启动正常。节能效果显著。据实测，　（３）多段速控制。变频器内部预置了多段速度控制，分　别对应于变频器不同的运行频率，以适应控制系统对提升机　不同运转速度的要求。　在低速段节能明显，一般可达到３０％左右。采用变频控制后，　原绕线式电机转子短接，在电机维护方面，避免了转子炭刷　的烧损及维护。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，增加了系统的抗干扰能力，　同时利用ＰＬＣ强大的控制功能实现灵活的控制方式。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　（４）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）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。　２．１．２系统切换柜的构成　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１所示。　自动开关　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。　４结谙　该系统改造自２０１０年６月投入使用以来运行稳定，各　项保护完备。工变频切换时间短，一般２ｍｉｎ内即可完成，　在保证提升机安全运行的同时，既节省了投资又保障了生　产。该技术值得在提升机改造过程中推广。　参考文献　图１　主回路工、变频切换原理图　所有开关切换至变频位置时，三相电源经双掷开关　［１］陈旭，马少华，徐瑞洁．矿井提升机变频调速方案的研究［Ｊ］．黑龙江科技　信息，２００９，（６）　［２］张向龙．变频器在矿井提升机调速系统的应用［Ｊ］．科技信息，２０１３，（２）　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。　【３】徐玉龙．ＰＬＣ在矿井提升机变频调速控制系统中的应用【Ｊ］．水力采煤　与管道运，２Ｏ１２，（４）　ｌ作者简介Ｊ梁建宾（１９７２一），男，河南柘城籍，主要从事　煤矿综采设备机电技术及管理工作。　３　ＰＬＣ变频控制改造后的效果