变频调速在煤矿提升机控制系统中的应用研究.pdf

119 科学视界/2023年8月(上)技术创新与应用研究在煤矿提升机的使用过程中，其运行的效率和提升机的安全性是各大企业不断发展的关键环节。近年来，随着煤矿开采的总量不断提升，传统的煤矿提升机在安全性与耗能上被发现存在着许多的问题。因此，煤矿提升机当中的变频调速控制系统越来越受到企业的关注。相关企业应通过提升提升机的使用效率，减少企业的经济开支，同时，增加煤矿提升机的安全性，避免在作业时因提升机出现故障而造成意外甚至导致人员死亡的现象。一、提升机控制系统的现状及问题（一）传统交流拖动系统在煤矿生产中、矿井提升机起着非常重要的作用。而提升机的电控装置技术，会直接影响到提升机的整体运行效率与整体的安全性，同时还代表者提升机发展的整体水平。然而就目前我国的形势来看，大部分企业所采用的提升机容量在一千千瓦以下，且是传统的交流异步电机拖动，采用的技术是且电阻调速和转子串调速。在使用这种技术的时候，存在明显的缺点。首先，在调速上的非常差，在调速的过程中需要消耗大量的能量在电阻上，方式较为落后，进而导致控制的精度非常低，而且安全保护和监测系统并不完善，不仅在后期维护时工作量巨大，同时大量的能源损耗直接影响了企业的经济效益。其次，由于异步电动机在进行低速运作时特性曲线比较软，无法在使用的过程中产生有效的制动力矩，进而导致提升机的停车位置难以得到精准的把控。（二）传统交流电控系统在提升机的使用过程中，传统交流电控系统的可靠性非常差，其主要原因是安全保护以及闭锁、检测系统并不完善，绝大多数采用的是单线系统，再加上控制系统相互混联，出现多数共同使用一套线路的情况。虽然在技术的发展过程中，相继为提升机的控制系统增加了深度指示器、自动减速、限速等安全措施和相应的后备保护功能，对提升机的定点监测等进行了双线的安全保护寄宿制，但也只是初步改善了提升机的安全性能。二、提升机控制系统要求及控制方案（一）提升机控制系统要求第一，以四象限运行为主。在提升机控制系统的应变频调速在煤矿提升机控制系统中的应用研究贾博鹏（冀中能源股份有限公司邢台矿，河北邢台，054000）摘 要 煤矿提升机是矿井中煤炭、人员、设备等运输的主要工具，在进行煤矿的开采时具有不可或缺的作用。然而在提升机使用的过程中，离不开变频调速控制系统的应用。所以变频调速控制系统，直接决定了煤矿提升机的工作效率、安全性等。本文将从煤矿提升机的变频调速控制系统的现状和问题入手，进而分析煤矿提升机控制系统的要求、控制的方案以及提升机控制系统外围电路部件的选择，并根据这些要求对控制系统的应用进行相关的研究和探讨。关键词 变频调速；煤矿提升机；控制系统中图分类号:TN06 文献标识码:A 文章编号:1002-1221(2023)22-0119-03主要指标逐步改善，具体指标见表 5。九、结论同时抓好高炉自身和外围辅助工段运行，减少因人为操作，使设备损坏以及因管理不到位而造成的非计划休风。保证各工段从内到外长期稳定、有序的生产，才能最终达到降低高炉燃料比的目的。参考文献：1 徐少兵,杨俊,等.高炉炼铁成本优化的系统性分析和思考 J.宝钢技术,2015,34(03):1-8.2 李会肖,郭先燊,候健,等.高炉低燃料比冶炼实践 J.邯郸技术,2015,34(03):42-44.3 周文涛,胡俊鸽,毛艳丽,等.浦项保持持续竞争战略 J.世界钢铁,2011,(02):65-70.4 朱仁良,王天球,王训富,等.高炉优化操作与低炭生产 J.中国冶金,2013,(01):30-35.5 李维国.中国炼铁技术的发展和当前值得探讨的技术问题 J.宝钢技术,2014,(02):1-17.6 宁波钢铁有限公司.“低成本、高效率”经营策略的管理实践 J.宝钢经济与管理,2014,(05):43-49.7 朱仁良.宝钢大型高炉操作技术与管理 J.炼铁,2014,33(04):1-6.8宋飞远,王拓,梁晓涛,等.高炉增煤降焦实践J.邯钢技术,2014,33(02):29-32.9 李会肖,郭先燊,候健,等.高炉低燃料比冶炼实践 J.邯郸技术,2015,34(03):42-44.10 梁利生,陈永明,等.高炉长寿设计与操作维护实践 J.中国冶金,2013,(06):14-20.11 朱勇军,杨俊,王训富,等.宝钢 4 号高炉余热回收系统节能实践 J.矿冶工程,2011,32(01):65-68.120 科学视界/2023年8月(上)技术创新与应用研究用中，将电机的转速看作纵轴，而电机的转矩看作横轴，并根据这两个轴建立直角坐标系，并根据提升机控制系统的运行和工作状态，分别放进直角坐标系的四个象限中。电机的运行非诚了两种，一种是单象限运行，另一种是四象限运行。二者之间有明显的差异，单象限运行的电机只能做正想或者反向的电动。而提升机在运行时，必须要满足四象限的运行要就，四象限分别是正想电动、反向电动、回馈发电制动以及反接制动这戏中运行状态。第二，提升机的速度加减要做到准确。提升机作为人员上下井必须使用的交通工具。提升机的速度加减控制不仅需要考虑到人员的舒适性与安全性，由于激烈的加速或者减速会让电机中枢产生巨大的冲击电流，所以需要时时关注提升机在运行时的位置。提升机速度的增加与减少是提升机控制系统的核心要求。第三，提升机在使用时需要保证行程指示的精准。在进行提升机的操作时，由于需要及时观察提升机的运行位置，所以在提升机的控制系统中需要配备一个能够显示提升机位置的装置，而圆盘式指深器就能够非常精准地显示提升机在运行时的具体位置，并根据经位置作做加速或者减速的精确操控。第四，在提升机控制系统中，需要健全和完善故障检测功能。煤矿提升机是煤炭运输和矿井人员进出的主要通道，如果提升机在使用的过程中出现故障，不仅会为企业带来巨大的损失，同时如果有人员正处在提升机内部，甚至会出现人身意外。所以在提升机的控制系统中，必须安装和完善故障检测系统，故障检测系统能够及时发出预警，避免提升机在使用中出现意外。精准的检测系统也能够帮助检修人员快速确定提升机出现故障的位置，减少因为停工而带来的经济损失。第五，提升机的控制系统中，需要做好制动系统的安装与定期检修。制动系统是保证提升机安全性的最后防线，一旦提升机出现预期之外的故障，制动系统能够减轻经济损失，甚至挽救矿井人员的生命。制动系统可以选择可调闸式制动。可调闸式制动又分为了工作制动和安全制动两种制动形式。工作制动是指提升机控制系统中由司机进行控制的停车制动，而安全制动则是提升机出现故障之后，系统自动进行调闸的制动系统。（二）变频器选型和控制方案在提升机的控制系统中，变频器的构成为控制盘、电机侧变流器、传动单元控制接口、直流电路以及网侧变流器等。其中网侧变流器的作用是将脚力点整流为直流电，并将其中的能量以直流电的形式储存在直流电路中。电机侧变电流器则采用 JTBT 电子器件，将直流电源转变为可以进行频率调节的交流正弦电，这种功率的电子器件 可以让能量在电网和浮在之间进行双向的流通，进而达到实现提升机四象限运行的目的。此外，电机、高压开关柜、变频控制柜等装置在安装完毕之后，需要进行相关的参数设置，变频器的操作面板总的来说是一个输入和输出的单元，且输出与输入的单元通过 RS485 通信接口进行信息之间的相互交流。变频器的才做面板主要包括了显示器、运转灯、故障灯、数字和复位键盘等，根据变频器的操作面板可以实现对电机的识别、测试和优化。三、变频器控制方式以及特点（一）正弦脉宽控制方式在提升机控制系统中，变频器的正弦脉宽控制方式最大的特点是控制电力的结构非常简单，相对的成本也比较低，再加上机械特性的硬度比较高。在进行一般传动的平滑调速时能够很好地满足要求。然而正弦脉宽控制方式在低频时，由于输出的电压相对较低，转矩受到定子电阻压降的影响会非常明显，进而导致输出最大转矩减小。除此之外，正弦脉宽控制方式的机械特性的硬度不如直流电机，进而导致静态调速性能和动态转矩能力都稍显劣势。让软土且其系统性不是很理想，控制曲线会随着负载的变化而出现明显的变化，转矩反应时间较长导致电机转矩的使使用率不高，进而在低速时受到定子电阻和逆变器死区效应影响，导致稳定性非常差。（二）电压空间矢量控制特点电压空间矢量的控制主要是以三相波整日生成的效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的的，一次性生成三相波，以内切多边形靠近圆形的方式进行控制的方式。在使用的过程中引入频率补偿，可减小或消除速度控制的误差，同时通过反馈估算降低磁链幅值对定子电阻在低速时所产生的影响。（三）矢量控制的特点在提升机的控制系统中，矢量变频调速时将异步电动机在三相坐标系当中的定子电流进行三相到二相转变的过程，将等成效的两相静止坐标当中的交流电流，通过等效成同步旋转坐标系下的直流电动机的励磁电流和与转矩成正比的电枢电流，之后再模仿直流电动机的控制方式。在经过对低压坐标的转变之后，实现对异步电动机的有效控制。其本质目的是将交流电动机转变为直流电动机，并分别对速度和磁场这两个量进行单独的控制。在实际的使用过程中，系统特性受到电动机参数的影响会非常明显，而且在转换的过程中，程序较为复杂，难以达到理想的控制效果。（四）矩阵式交交控制特点在提升机控制系统中矢量控制变频以及转矩控制变频，都是“交直变”变频中的一种。这几种变频的共同特点都是输出功率比较低而谐波电流比较大。交流电路在使用时需要储能较大的电容且再生能量有 121 科学视界/2023年8月(上)技术创新与应用研究不能够直接反馈电网，这就意味着不能进行四象限运行。所以在技术不断的改良和完善下交交的变频就成为变频调控的主力军。在这个过程中，省去了中间直流环节从而不需要再浪费资金购置体积大且价格昂贵的电解电容。它能够将功率的因数保持为 1，输入的电流为四象限运行。这种技术的实质不是间接对电流进行过控制，而是把转矩直接作为能够被控制的量。四、提升机控制系统外围电路部件（一）轴编码器的应用在提升机控制系统的外部，也就是提升机的主轴和电动机的主轴上，同时进行旋转编码器的安装。其目的是保护和监测。编码器所产生的脉冲信号经过信号分配器的光电隔离与信号分配，将信号传输给两个控制器 PLC。这样，两个控制器之间就可以通过信息的共享对转速和位置进行相互验证，一旦其中某个出现异常，就会立即触发保护机制，进而向变频器传达紧急停车的指令，使煤矿或者正在提升机内的人员的安全得到保障。（二）行程开关的应用在提升机控制系统中，深度指示器是其中较为重要的工具，其工作的原理是通过齿轮将贯通的转动传达给深度指示器。同时，深度指示器的指针在像个相反方向运动的杆带动下进行移动，两者的转动速度形成正比，所以可以实现深度的指示工作。而深度指示器在使用的过程中，为了避免出现深度指示器失准的情况，提升机的控制系统中需要在特定的位置安装行程开关或者霍尔元件及时对深度指示器进行校准工作。通常情况下，行程开关的安装位置在上过卷、下过卷、上井口、下井口以及上终端和下终端减速点这些比较特殊的位置上，而霍尔元件则需要安装在深度指示器的轴上。应保证它们与深度显示器适配，以此来达到更精确的校准目的。（三）压力与温度传感器的应用在提升机的控制系统中，液压站和润滑油站，都需要进行压力传感器和温度传感器的安装。压力传感器的安装是为了显示当前提升机的油压。而温度传感器的安装，则需要在油箱内部安装温度传感器，同时需要连接信号线缆。（四）操作手柄的选择在提升机的控制系统中，操作台上的手柄主要分为两种，分别是主令手柄和制动手柄。这两个手柄的电气控制是通过角位移传感器来实现操作的。角位移传感的主要工作原理是将手柄的旋转角度转变为一个 4 毫安到 20 毫安的标准电流信号，再进过新高处理器的转换，送入到 PLC 当中。这两个手柄需要分别接入不同的模拟量输入通道。通常情况下，制动手柄在控制提升机的制动时，是通过 PLC 模拟传输信号，输出 10 伏以下的电压信号，再经过比例放大电路从而控制提升机刹车的松紧程度。而一旦出现紧急情况，制动手柄可以不经过PLC 环节直接对制动装置进行轻质控制。这对与提升机来说，能够更进一步地为最后的制动保障工作提供基础，进而减少因提升机紧急故障而造成的经济损失或人员安全事故，有效地的提升提升机的安全系数。（五）控制系统安全回路确定提升机的安全回路是指在提升机出现紧急故障时，提升机的控制系统会直接对提升机采取紧急制动，并向工作人员发出警告。在提升机控制系统的安全回路要求中，需要采用双安全回路，也就是软安全回路和硬安全回路。两个回路各自单独运行，进而为提升机提供更加安全和全面的制动系统，提高提升机的可靠性。其中硬安全回路是通过控制继电器动作向变频器制动发出指令，而软安全回路则是PIC在程序中直接发出制动指令。两套回路在运行逻辑上相互独立，在发生紧急情况时，任意一种回路都能够对提升机进行有效的制动保护。综上所述，煤矿提升机对于煤炭、人员等运输任务是非常重要的，而变频调速在提升机的控制系统中占据着重要地位。变频调控不仅能够增加提升机的使用效率，为企业节省大量的成本资金，同时也对提升机的安全性有了极大的升级，保证了提升机在使用时的效果。在变频调控的过程中，需要对变频控制的方式进行更加透彻的研究和理解，同时从内部和外部两方面对提升机的控制系统进行性能上的提升，保证提升机在工作中出现故障能及时进行制动。提高提升机的可靠性。参考文献：1 杜维平.煤矿提升机变频调速及监控技术设计分析 J.机械管理开发,2022,37(06):252-253.2 张翔.煤矿提升机变频调速控制系统设计研究J.机械管理开发,2022,37(05):268-269+272.3 王俊青.煤矿提升机变频控制系统设计 J.矿业装备,2020(02):104-105.4 王兴乐.煤矿提升机变频调速控制系统设计 J.现代矿业,2017,33(10):148-150+154.