浅谈变频器在矿山提升机调速系统中的应用

曹蛟龙

【摘  要】目前我国矿山提升机电气控制系统主要是用转子串电阻实现调速，控制装置主要由继电器和接触器组成。这种电控系统存在较多缺点，比如在控制上较复杂、繁琐;运行可靠性、安全性较低;调速效果较差等。针对此种状况，通过应用基于PLC的变频器调速系统，可以很好地弥补当前提升机电控系统存在的缺陷，提升系统的整体控制效果更佳，安全性和可靠性得以保障，调速功能更加完善。

【关键词】提升机;电机;调速系统;变频器

0 引言

矿井提升机是矿山地下运输的主要设备，负责井下矿石、废石、人员及材料的提升，被称作矿山的“咽喉”，提升机能否正常运行直接影响着整座矿山的安全运作及生产任务的完成。电控系统是矿井提升机的主要部分，提升机对电气控制的要求很高，必须有良好的调速性能，较高的精度，能快速切换正、反向，动态响应快，能准确定位和制动，运行可靠，安全系数高。传统的矿井提升机大多选用由继电器和接触器组成的控制系统，主要用绕线式异步电动机转子回路串电阻实现调速，该调速系统结构复杂，控制逻辑繁琐，调速性能较差，维护成本高，安全性不高，难以满足线代矿山大规模生产的需求。因此，传统的继电器调速系统逐渐被淘汰，而基于PLC的变频器调速系统成为现代矿山发展的主流，发挥着越来越重要的作用。本文就变频器在矿山提升机调速控制系统中的应用作简要阐述。

1 变频器简介

变频器是利用交流异步电动机同步转速随电源频率变化而变化的特性，实现电动机调速运行的装置。变频器可以很好的实现异步电动机的无级调速，可以方便的进行恒转矩调速和恒功率调速，调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬、节能性好，因此广泛应用于工业领域的各个方面。在20世纪70年代，随着场效应晶体管的问世，变频器的性能有了极大的完善和发展，近年来，变频器向着更高性能、更大容量以及智能化方向发展，在工业控制领域发挥着不可替代的作用。

变频器是通过改变电源频率来实现电机控制的装置，应用最多的是“交-直-交”型变频器，其主要结构可分为四部分：1、整流单元，其作用是把工作频率固定的交流电变换成直流电，一般通过桥式整流电路来实现;2、大容量电容器，其作用是对整流单元输出的直流电进行滤波，滤除杂波和干扰信号，给逆变器提供纯净稳定的直流电;3、逆变器，其作用是把大功率开关晶闸管排列构成电子开关，通过控制晶闸管开合的频率和幅值，将直流电转换为其他设定频率和幅度的方波信号;4、控制器，其作用是根据所设的程序运行，控制输出方波的状态，让其叠加成与正弦波相似的交流电，实现频率和幅值可控，并驱动交流电动机实现调速运行。

2 电机调速简介

交流异步电动机转速计算公式为：n=60f/p（1-s）。从公式可见，电机调速可以通过改变供电频率f、改变电动机极对数p、改变转差率s等几种方式来实现。

2.1 变极对数调速方法

这种调速方法是通过改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数实现调速的，优点有机械特性较硬，稳定性较好;无转差损耗，效率高;接线简单、控制方便、价格低。缺点是有级调速，级差大，不能实现平滑调速，因此难以满足提升机稳定调速的要求，在矿山提升机系统中应用较少。

2.2 变转差率调速方法

改变转差率调速主要有定子调压调速和转子回路串电阻调速。

定子调压调速是通过改变电动机的定子电压，得到不同机械特性的曲线，从而获得不同转速，特点是线路简单，易实现自动控制;调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低;适用于100KW以下的机械设备，难以满足矿山大型提升机的生产要求。

转子回路串电阻调速是绕线式异步电动机转子回路串入附加电阻，使电动机的转差率改变，串入的電阻越大，电动机的转速越低。这种方法结构简单，控制方便，但转差功率以发热形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软，不能实现平滑调速，难以满足提升机稳定调速的要求。

2.3 变频调速方法

变频调速是改变电动机定子电源的供电频率，从而改变其同步转速的调速方法，运用的主要设备是提供变频电源的变频器。变频器可分为交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大多数使用交流-直流-交流变频器，其特点有：1、调速过程中没有附加损耗，效率高;2、调速范围大，特性硬，精度高;3、应用范围广，可用于笼型异步电动机，也可用于绕线式异步电动机;4、技术要求高，造价成本高，集成度高，维修保养难度大。变频器调速因其效率高、精度高、易操作，可实现平滑调速，而广泛应用于现代矿山提升机控制系统中。

3 变频器在铜矿峪矿混合井提升系统中的应用

铜矿峪矿混合井提升机为多绳摩擦式提升机，主电机为400kW绕线式异步电动机，减速机速比为20：1，控制核心为三菱FX2N系列PLC，使用的变频器为西门子G120系列变频器，功率为75KW。变频器在铜矿峪矿混合井提升系统中基于PLC控制，固定频率调节输出电压来实现电机调速，可分为以下两种运行模式：

3.1 自动投入运行

矿井提升机运行安全是第一位的，无论提人提物，必须保证平稳可靠运行。要保证安全，运行速度十分关键，必须控制在一定范围内，并可以稳定停车。铜矿峪矿混合井提升机提升设备为箕斗和罐笼，箕斗负责提升掘进废石，罐笼负责提升人员和材料，提升机运行分为箕斗运行和罐笼运行两种状态。

箕斗运行全过程和罐笼运行上行时，PLC程序设定一个减速点，到达减速点之前为高压（6kV）提升，当提升设备到达减速点，PLC控制高压电撤除，变频器投入运行，输出频率为3.6HZ左右，PLC根据提升位置、运行速度、负载等参数运用PID算法调节变频器输出电压，实现提升设备匀速平稳运行，到停车点稳定停车，这样既保证了提升安全，又避免了由于速度过快、紧急停车对设备的损害。

3.2 人工控制运行

当罐笼载人下行时，为保证乘罐人员安全，避免设备受较大制动力的冲击，罐笼运行速度必须控制在一定范围内，平稳运行。铜矿峪矿混合井提升机设置了人工脚踏控制装置，来实现人工调速，该装置由脚踏板、无接触式自整角发送机（简称角机）和行程开关组成。

角机输入为AC110V，输出为AC 0～50V，由脚踏板踩踏幅度决定。角机输出到PLC接口板，再通过A/D转换模块将信号传给PLC控制器。PLC根据接收到的数字信号，控制变频器输出电压，来实现调速。提升机运行过程中，卷扬工踩踏脚踏板，变频器投入运行，输出频率为3.6HZ，踩踏幅度越大，变频器输出电压越大，罐笼运行越慢;踩踏幅度越小，变频器输出电压越小，罐笼运行越快。这样就实现了对罐笼运行速度的控制，保证罐笼平稳可靠运行。

4 总结

矿井提升机在矿山生产经营中发挥着举足轻重的作用，是矿山生产中不可或缺的一环，提升机的安全可靠运行是矿山生产顺利进行的必要条件。提升机运行速度的有效控制是提升机安全可靠运行的关键，传统的调速方式存在诸多缺陷，难以满足现代矿山的严格要求，而基于PLC的变频器调速系统因其稳定性高、精度高、易操作、应用范围广、智能化设计，而被广泛应用于现代矿山的提升机调速系统中，并将在以后的发展中，进一步改进完善，发挥不可替代的重要作用，是未来发展的主流。

参考文献：

[1] 闫治安，苏少平，崔新艺.电机学（第3版）[M].西安：西安交通大学出版社，2016.

[2] 李金城.三菱FX2N PLC功能指令应用详解[M].北京：电子工业出版社，2018.

[3] 徐海，施利春.变频器原理及应用（第2版）.北京：清华大学出版社，2017.

（作者单位：北方铜业股份有限公司铜矿峪矿）