煤礦提升絞車高壓變頻電控系統在井下的應用
趙樹國 1 孫峰 2 紀勝春 3 郭培彬 1
(1. 山東新風光 電子科技發展有限公司，汶上 272500; 2.河北邯鄲峰峰礦業集團公司 九龍礦 , 河北 邯鄲 056010; 3. 天津津友聯電氣控制設備有限公司 ,天津300020)
摘 要： 本文主要介紹了煤礦提升絞車高壓變頻系統的實施目的，實施過程以及其解決的技術關鍵。高壓變頻系統采用山東新風光電子科技發展有限公司生產的高壓提升機變頻器。該電控系統運行實驗表明，達到了預期目標，具有廣闊的市場前景。
關鍵詞： 絞車； 高壓變頻； 電控系統
The Application of Coal Mine Hoister High Voltage Inverter Electrically Controlled System in Mine Shaft
ZHAO Shu-guo 1 , SUN Feng 2 , JI Sheng-chun 3 , GUO Pei-bin 1
• Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develops Co.,Ltd, Wenshang 272500, China ; 2. Hebei Handan Fengfeng Mining Industry Group Company Kowloon Ore , Handan 056010, China ; 3. Tianjin Jinyoulian Electricity Control Device Limited Company, Tianjin 300020, China )
Abstract: This article mainly introduces the coal mine hoister high voltage system enforcement purpose, the implementation process as well as the solution technical key. The high voltage inverter system uses the high voltage elevator inverter which Shandong Xinfengguang Electronic Technology Develops Co.,Ltd produces. This electrically controlled system movement experiment indicates , it has achieved the anticipated target, and has the broad market prospect.
Key words: hoister; high voltage inverter; electrically controlled system
0 引言
查找國內外關于斜井提升機調速電控系統的有關資料發現，煤礦提升機的驅動電動機一般采用三相繞線式異步電動機，其調速方法是在電動機轉子回路中接入金屬電阻，用主令控制器逐段切除電阻來達到加減速和調速的目的。采用轉子串電阻調速的電控系統，這種系統的制動方式為能耗制動，制動所產生的能量全部消耗在電阻上。電動機轉子串電阻調速系統的調速屬有級調速，開環控制，調速范圍小，調速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差。在減速時和下放重物時，投入動力制動，不僅消耗外加直流電能，而且還將電動機上的再生電能消耗在轉子串接的電阻上，浪費了大量的電能，且運行維護量大，維護費用高。還有一種控制方式是變頻控制，但僅限于 660V 或 380V 低壓等級系統。
目前國內外通用變頻技術，四象限變頻技術， PLC 絞車電控技術已很成熟，應用已非常廣泛。但 6000V 絞車變頻電控系統未見報道和應用。
據調查了解，國內外至今沒有適用于我國煤礦井下提升機的 6000V 絞車變頻電控系統。將 6000V 四象限變頻技術、 PLC 絞車電控技術在井下斜井提升機上進行綜合應用并滿足《煤礦安全規程》的要求，使設備達到各項保護完善的目的是事在必行的，也是礦井斜井提升機安全、高效提升的有效途徑。
1 技術關鍵
（ 1 ）數字本安電路實現斜井防爆提升機的雙線制運行。
（ 2 ）將創造單元串聯多重化技術的國產高壓變頻器應用于礦山提升機的記錄。
（ 3 ）變頻調速實現斜井提升能耗制動轉為發電反饋制動。
（ 4 ）采用矢量控制技術，實現低速大轉矩，起動力矩大的目的。
（ 5 ）充分發揮 PLC 的數字化、網絡化及計算功能，使提升機具有更完善的軟硬件保護功能，各主要保護實現雙線制。
( 6 )滿足提升機頻繁起停要求。
( 7 )滿足井下100%的濕度要求。
2項目實施情況
（ 1）現有技術及基礎條件
峰峰集團九龍礦是年設計能力 120 萬噸的礦井 , 目前開采一水平煤層 , 正在為二水平開采做開拓延伸工程 。
高壓變頻器在風機、泵類應用已經比較成熟 ,PLC技術和低壓變頻器在提升機的應用也日趨成熟。
(2)現場設備情況
峰峰集團九龍礦井下南二絞車環境惡劣，電控系統改造時，正值夏日，井下霧氣大，車房潮濕度極高；同時受我礦矸石電廠影響，電壓波動范圍高達 5700V-6800V ，南二坡巷道破壞嚴重， 6KV 提升絞車四象限高壓變頻電控系統能否適應如此惡劣的環境，經受住工業性試驗的考驗，是三方攻關人員面臨的挑戰。經過三方共同的努力，解決了實驗中出現的問題，使絞車的各項運行指標達到了設計要求，絞車達到了改造的目標。
· 南二車運行參數及環境條件
型號 JK-2K
主電機功率 240KW
額定電壓 : 三相 AC6KV
最大速度 4m /s
斜坡長度 930m
該絞車承擔九龍礦井下南二地區物料、人員、設備的運輸任務，負荷在 15 噸范圍內無規律變化，南二軌道坡有 7 個片口，絞車啟動停止頻繁。
(3) 6KV 絞車變頻調速電控系統
6KV 絞車變頻調速電控系統主要有變頻器、操作臺和傳感器。現分述如下：
①新風光電子公司 JD-BP37 型高壓提升變頻調速器
JD-BP37 型高壓提升變頻調速器采用新型 IGBT 為主控器件，全數字化，彩色液晶觸摸屏控制，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標，采用先進的矢量控制變頻調速技術完成提升機的四象限運行，用于鼠籠式電機或繞線式轉子串電阻電機控制，即可用于新礦井安裝，也可用于老礦井改造。風光高壓提升變頻器，采用若干個低壓逆變器功率單元串聯的方式實現直接高壓輸出，所用的 6kv 高壓提升變頻器，變壓器有 18 組付邊繞組 ，每相 分為 6 個功率單元 ，三相共 18個單元， 采用 36 脈沖整流，輸入端的諧波成分遠低于國標規定。高壓提升變頻器系統結構圖如下圖 1 示 . 。功率單元電路結構 2示。
圖 1 高壓提升變頻器系統結構圖
Fig.1 high voltage promotion inverter system structure drawing 
圖 2功率單元電路結構
Fig.2 power unit electric circuit structure
高壓提升變頻器是整個電控系統的一個核心部分，它具有與電控系統相適配的各種接口。它接受電控系統的操作命令，包括開停機、正反轉、抱閘信號及速度命令，按照操作命令進行，同時它又將運行狀態，包括工作頻率、電機電流、電源電壓、電流及故障信息隨時送給電控系統。變頻器本身又將工作信號及工作狀態自動記錄以備查閱。變頻器的所有輸入、輸出接口均進行了隔離，也避免對變頻器引入干擾。
經過研究，決定選用我山東新風光電子科技發展有限公司生產的 JD-BP37-300T 高壓提升變頻器對該絞車電機進行調速。
·新風光電子公司 JD-BP37-300T 高壓提升變頻器主要性能指標
變頻器功率 300KW
額定輸出電流 36A
輸入頻率 50Hz ± 5Hz
額定輸入電壓 6KV
允許電壓波動 ±20%
輸入功率因數 ≥ 0.98
輸出頻率范圍 0~50Hz
輸出電壓范圍 0~6KV
頻率分辨率 0 .01Hz
加速時間 可由用戶生產工藝設定
減速時間 可由用戶生產工藝設定
變頻器效率 ≥96%
操作鍵盤 中文彩色液晶觸摸屏
界面語言 簡體中文
過載能力 100% 連續 160% 連續 1min 220% 允許 1.5S
可提供直流制動 、回饋制動等多種制動方式。
可滿足電動機的四象限工作要求。
② 操作臺（雙 PLC 系統和中間繼電器）
操作臺上設有各種工況顯示設備，以彩色液晶顯示屏為主要顯示設備，可以觀察 PLC 運行情況，各外部接點動作狀態， 各模擬量回路狀態等，更加方便維修工作。同時還具有必要的開關量、模擬量的數字顯示，可以獨立提供必要的提升數據，其中包括：安全回路指示燈，油壓數字顯示液壓表，減速、故障聲光報警顯示，高、低壓表 , 電流表等。
③ 各種傳感器。
3 6KV 絞車變頻調速電控系統電氣保護實驗
該系統具有以下幾種保護：
（ 1 ）立即安全自動故障：該類故障綜合在硬軟件安全電路中。安全電路正常時吸合，有緊急故障時釋放。一旦安全電路釋放，就會立即封鎖變頻器，跳制動油泵，并控制油壓系統電磁閥實施安全制動，抱安全閘。主要的安全制動故障有：
① 轉動系統故障：如主回路和控制回路電源故障 , 主電機過溫、堵轉 , 變頻器故障等。
② 過卷故障。
③ 超速故障：如等速、超速 , 減速段定點超速和連續超速等。
④ 緊急故障。
⑤ 液壓制動系統故障：如制動油泵跳 , 系統油壓高等。
⑥ 錯向。
⑦ 測速機、軸編碼器斷線（深指斷軸）。
⑧ 松繩故障。
（ 2 ）先電氣制動、后安全制動故障：這類故障發生后，轉動系統會自動進行減速，當速度降到爬行速度時會立即轉為緊急制動。這類故障主要有：事故停車，閘瓦磨損。
（ 3 ）完成本次開車后、不允許再次開車故障：開車前如出現這類故障，則開不起車；如在運行過程中出現，則允許本次開車完成，但不允許下次開車，除非故障解除后。這類故障主要有指電機過溫報警 , 液壓站油溫過高等。
我們進行了過卷、超速、錯向、編碼器斷線、松繩、過載、欠壓、缺相、閘瓦磨損等保護實驗，結果各項保護均能可靠動作，且顯示靈敏正確，達到了設計要求。
4 6KV 絞車變頻調速電控系統運行實驗記錄
在電控系統的實驗過程中，我們對絞車的運行狀況進行了連續的監測記錄，主要有以下幾個方面。
（ 1 ） 6KV 絞車高壓變頻電控系統在環境潮濕度極大的情況下，連續安全運行 8 個月無事故。
（ 2 ）絞車高壓變頻電控系統實現了四象限連續安全運行。我們特別對下放重物的過程進行了實驗，下放 6 個砟罐時，速度最大時（ 4m/s ）時的電流進行統計，如下表 5 示：
表 1 電流統計表
Tab.1 table of electric current statistical
（ 3 ） 6KV 絞車高壓變頻電控系統能夠適應絞車頻繁啟動停止的工況要求。九龍礦井下南二坡有 7 個片口，需要上下人員、物料、設備等，每天開車可達 60 多勾，經過 8 個月的運行無事故，證明該系統能滿足絞車頻繁啟動停止的工況要求。
（ 4 ） 6KV 絞車高壓變頻電控系統實現了低速大轉矩運行，在 2005 年 12 月份的九龍礦南翼 220 工作面安裝，綜采支架運輸過程中，由于軌道坡條件惡劣，出于安全考慮，需要絞車低速運行，變頻絞車電控系統充分發揮其低速時可大轉矩運行的特點，既安全又高效地完成了支架運輸任務。
（ 5 ）在實驗過程中，絞車啟動平穩，加速過程正常 。 絞車運行過程中，司機通過主令手把調整變頻器的輸出頻率 , 實現無級調速，減速點實現自動減速，停車平穩。
5 6KV 絞車變頻調速電控系統運行整體情況和結論
6KV 絞車變頻調速電控系統于 2005 年 8 月在九龍礦投入工業運行，至今設備運行良好，工作可靠，大大提高了系統的安全性能，降低了電耗及維護費用，實現了絞車安全高效的目的。
絞車變頻調速電控系統 具有控制性能優良 、操作簡便、運行效率高、維護工作量小等諸多優點，隨著變頻調速技術的日益成熟與能源節約要求的必然趨勢，它正成為礦山提升機傳動的發展方向。 據統計全國大型煤礦 1000 家以上，若在全國煤礦絞車上推廣，經濟效益更加可觀，該系統具有廣闊的市場前景。
作者簡介： 趙樹國（ 1978－），男，2002年畢業于海軍大連艦艇學院，現在山東新風光電子科技發展有限公司技術部負責高壓變頻器的工作。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
