矿井鼠笼提升机电控系统设计

宋盛

(神华能源股份有限责任公司神东煤炭集团,陕西榆林　719315)

矿井鼠笼提升机电控系统设计

宋盛

(神华能源股份有限责任公司神东煤炭集团,陕西榆林719315)

矿井提升机是矿山生产过程中最重要的设备之一,是联系井下和地面完成人员、物料、设备运输的“咽喉”设备。作为矿山中重要的生产设备的矿井提升机,为了实现矿井提升机安全可靠地运行,设计一套可靠的提升机的电控系统就具有非常重要的现实意义。本文针对矿井提升机工作过程和控制要求,设计了一套基于PLC、高压变频器的提升机电控系统。

矿井提升机高压变频器PLC提升机供电

传统的矿井提升机调速系统采用继电器-接触器控制，使得矿井提升机工作过程中出现速度不平稳、故障率高、耗费电能大、可靠性差等问题。为了解决这些问题，设计一套全新的安全可靠的矿井提升机电控系统是非常必要的。

1　矿井鼠笼提升机电控系统的总体设计

提升机系统通过控制交流电机来实现提升设备的往复运行，交流电动机的正反转决定了提升设备的上下运动，电动机的转速的变化使得提升设备能够加减速运行。提升机的工作时序，“为了使提升设备能够安全可靠地持续工作，电动机在正反转时，都会经历启动、加速运行、稳定运行、减速运行、低速运行、停车制动等几个阶段”[1]。

(1)第一阶段t1:启动后的初加速运行阶段，此时应该缓慢加速，以免对提升设备产生过大的冲击。

(2)第二阶段t2:主加速运行时间，此时的加速度较大，速度从v2一直加速到v1。

(3)第三阶段t3:提升设备以最大运行速度v1稳定运行，一般这段时间提升设备位于井筒中段，运行时间最长。

(4)第四阶段t4:主减速阶段，提升设备以很大的加速度减速，在t4时间内从最大速度v1减速到较低速度v2。

(5)第五阶段t5:爬行阶段的运行时间，提升设备以较低的速度运行，以便能够在规定位置停车。

(6)第六阶段t6: 停车制动的时间，提升设备到达规定位置，提升机停车用的时间。

与提升机的工作时序相应的，电动机的运行一样有这相同的六个阶段。由于提升机的往复运行是靠电机的正反转实现的，所以电机应该能够在正转加速、正转减速、反转加速、反转加速这四个象限内运行。

从矿井提升机系统的运行过程中不难看出，其电控系统对整个系统能否安全可靠地运行有着决定性的作用。矿井鼠笼提升机电控系统可分为这几个部分:供电系统、驱动系统、控制系统、传感器监测系统(测速系统)、生产负载等。

本文选用的电机是额定电压为10kV，额定功率为1250kW的三相异步鼠笼电动机。供电系统采用了10kV双回路的进线方式;驱动系统主要是由高压变频器部分组成，来自母线的10kV电压通过高压变频器的的调频调压后，供给电动机以驱动其运行;控制系统采用西门子公司生产的S7-300系列PLC;测速系统通过旋转编码器与PLC中计数模块结合的方式，通过M/T法进行测速;生产负载中主要有提升机、滚筒、以及减速箱等。

2　高压变频器的主回路计算及选型

“高压变频器是应高压交流电动机无级调速的需要而诞生的，它是利用电力电子器件的通断作用将工频电源变换成另一种频率电源的电能控制装置。高压变频器是目前最理想的高压电动机的调速装置，高压变频器是随着大功率电力电子器件的飞速发展而发展起来的”。虽然高压变频器产品的种类有许多，但其基本的工作原理都是一样的。“三相交流异步电机转速计算公式为”:

式中:n为电动机的实际转速;

n0为电动机的同步转速;

p为电动机的极对数;

f交流电的频率;

S为电动机的转差率。

本文中高压电动机额定电压为10kV，额定功率为1250kW。那么高压变频器的输出线电压值也应该为10kV。

高压变频器输出线电压为

式中U0为高压变频器输出线电压有效值(V)

Ud为功率单元中直流电路中直流电压值(V)

N为每相功率单元的串联个数

md为波形系数，当功率单元的逆变电路逆变部分采用正弦波调制时，md=，当采用平顶波调制时md=2。

本设计中采用SPWM波控制逆变电路，采用的是正弦波调制，md取。每相串联六个功率单元，所以N=6。

算得功率单元直流电压Ud=1361V。功率单元整流部分采用三相全控桥进行整流，整流后输出直流电压为

式中Ud整流后输出的直流电压

U2l移相变压器二次侧输出相电流值

1.35为三相全控桥整流系数

α为触发角，空载时，取α=0

移相变压器二次侧线电压有效值U2l=1008V。

电机额定功率P=1250kW，额定电压U=10000V，功率因数cos φ=0.95

由于电机所带负载提升机属于频繁加减速的设备，那么变频器容量应该比电机额定功率稍大，留有一定的裕量。变频器容量取电机额定功率的1.5倍。

变频器的输出电流:I0=1.5IAN=1.5×76=114A

移相变压器二次侧输出电流:I2=1.816Id=0.816I0=0.816× 114=93A

另外，晶闸管选用额定电压2800V，额定电压为100A的晶闸管，IGBT模块可选用额定电压3300V，额定电流600A的器件，具体型号为英飞凌公司生产的DD500S33HE3 IGBT模块。直流滤波电流一般采用大容量电容进行滤波，整流电流输出直流电压Ud=1361V，一般考虑10%的电压波动，则输出的最大直流电压值在1500左右，电容的耐压值应该在此之上。理论上，滤波电容的容量越大越好，不过实际上选取电容容量是从限制电压波动的角度来考虑的，在此系统中滤波电容器的容量选择7.11×10-3F。综合以上条件，高压变频器选用北京合康亿盛公司生产的H IVERT-Y/T通用10kV系列高压变频器。

3　高压供电系统设计

本设计中的供电系统采用10kV双回路进线，10kV电源分别来子不同的变电站，在同一时间，只有一路电源给系统供电，承担系统全部的工作负荷，另一路电源备用，当正在供电的一路电源发生故障时，可以立即切换到另一路电源，提高了供电系统的可靠性和安全性。两路电源进行都是先连接到高压进线柜，进线柜中有高压断路器用来切换电源。供电线路采用了单母线分段制线路，母线上引出两路电源，一路供给高压设备，一路供给低压设备。供给高压的电源线直接从母线中引出，先通过出线柜直接与高压变频器连接，10kV高压通过高压变频器的调压调频后带动电动机运行。另一路从出线柜引出后通过10kV/380V变压器，变压器二次侧出来的低压供给其他低压设备，如PLC控制柜、照明设备等。为了保证低压设备供电系统的可靠性，也必须有两路低压进线，另外一路可以直接从其他变电站引进低压线路。

4　PLC控制系统的设计

在矿井提升机系统中，PLC控制系统是控制系统各部分稳定运行的核心。PLC通过接受提升机系统运行中的产生的各种信号，通过预先装载的程序进行逻辑运算，然后发出指示信号，在接收来自主控制台的信号后控制系统运行。在矿井提升机系统中，输入PLC的输入信号一般有:提升机上升信号、提升机下降信号、速度转接信号、轴编码器的高速脉冲信号、电机过载信号、超重信号、急停信号、过卷信号、调绳信号和液压轴温度信号等。PLC输出信号一般有:控制变频器多段速度运行的指示信号、由变频器驱动的电动机启动、停车、加减速的信号、液压控制阀控制信号、提升机抱闸停车时的指示信号以及其他各种指示信号。本系统采用西门子公司生产的S7-300系列PLC作为矿井提升机控制系统的控制器件。

4.1S7-300系列PLC硬件设计

S7-300系列PLC是西门子公司在上世纪末推出的，具有不错的性价比，使它具有不错的竞争优势，很强电磁兼容性、抗振动抗冲击性强则让它能适应各种复杂的工业环境，在工业领域随处都能看见它的身影。本系统利用负载电源模块、CPU模块、信号模块、通信处理器、功能模块、接口模块和导轨构成一个PLC系统。下面将主要对PLC中最主要的几个部分进行设计。

4.1.1CPU模块

CPU模块是由CPU芯片和存储器构成。本系统选用的CPU模块型号为标准型CPU 315-2DP，315-2DP具有比较大的容量，而且其对二进制和浮点数处理性能上也是比较出色的。同时它还具有两个PROFIBUS-DP主站/从站接口，并且可以配置成分布化的结构。这对于有着多个输入输出量的矿井提升机系统是非常适用的。

4.1.2信号模块

本系统中数字量输入模块采用SM 321 DI32xDC24V模块，数字量输出模块采用SM 322 DO16xDC24V/0.5A模块，模拟量输入采用SM 331 A I8x12Bit，模拟量输出采用SM 332 AO4x12Bit。

数字量输入模块SM 321主要作用是将输入的数字信号电平转换成PLC内部运行的信号电平，然后进行经光电隔离和滤波，送到输出缓冲区等待CPU采样，采样后的信号经总线被送入输入映像区。

数字量输出模块SM 322作用是将PLC内部信号电平转换成外部所需的信号电平，可用来直接驱动各种线圈、信息指示灯和极小功率的电机等。数字量输出模块分为直流输出、交流输出交直流输出方式，前两种是通过晶闸管输出，最后一种是通过继电器输出。

4.1.3功能模块

本设计的功能模块为计数器模块，型号为FM 350-1，FM 350-1是一种高速计数器模块，用于S7-300可编程控制器。模块可以连接1通道90相位差脉冲或脉冲加方向的计数输入，完成计数与测量的功能。计数功能包括连续计数、脉冲倍频、周期计数、单循环计数、计数值比较和计数值锁存等;而测量功能包括频率、转速和周期测量。

选择FM 350-1计数模块的原因是:与CPU模块内部集成的计数器相比，在性能方面有如下几个优势:

(1)高速计数模块的计数范围比集成计数器的计数范围更大，而且其最高计数频率能够达到500kHz。

(2)计数输入信号种类齐全。

(3)FM 350-1模块除了具有高速计数功能外，还有同步控制模式和测量模式。测量模式时能够进行转速测量和周期测量功能。

(4)状态指示:模块的工作状态可以通过安装于面板上的状态指示灯与安装于I/O点上的指示灯检查。通过状态指示灯，可以指示计数模块的运行、出错报警、计数方向以及各信号的I/O状态。

(5)I/O控制信号:模块除计数输入外，还可以连接3点数字量输入信号，连接的输入信号可以作为模块的启动、停止等外部控制信号，而且还可以连接2个数字量输出信号。

4.2电机测速系统设计

电机的测速是通过PLC系统与旋转编码器的结合来完成的。旋转编码器安装在被测电机的主轴上，与被测电机的主轴同轴旋转，电机旋转一周，旋转编码器的输出脉冲量是固定的，通过与PLC中FM 350-1计数模块相连的导线，旋转编码器的输出脉冲被送入计数模块中，电机转速不同，在固定时间内，计数模块计数的脉冲量也不同。根据这个原理，系统就能对电机的转速进行测量。

现在电机测速一般采用光电编码器进行测速，光电旋转编码器是通过光电转化，将电机主轴的角位移量转换为脉冲信号的传感器。光电旋转编码器是由光栅码盘和光电检测装置构成的，光栅码在一定的直径上有这多个等距的圆形小孔，当电机旋转时，光栅码盘也跟着一起同速旋转。发光元件和光敏元件分别位于光栅码盘的两侧，当电机旋转时，发光元件发出的光通过光栅码盘上的小孔照射到光敏元件上，光敏元件感光后把光信号转换为电信号输出。“电机转速不同，光敏元件的输出脉冲信号频率也不同，续传编码器就是根据这个原理进行测速的”。

5　结语

现阶段矿井提升机对保证矿山的安全生产具有重要作用，是矿山中重要的生产设备。本文主要为矿井提升机设计了一套基于变频器和PLC的可靠的电控系统，希望对其他设计人员有一定的参考价值。

[1]蒋宏民.技术在我国矿井交流提升系统中的应用研究[J].冶金矿山,2011(8).

[2]马建民,赵增玉.现代提升机数字控制系统[M].中国矿业大学中国矿业大学,2007.

[3]胡省三等.应用高新技术改造传统煤炭工业[J].中国煤炭,201 2 (3):5-8.