希望森兰科技股份有限公司

1  概述

    矿井提升机广泛用于煤矿、有色金属、黑色金属、非金属等矿山的竖井、斜井的提升，提升机系统用作提升矿物料及设备等。在整个生产过程中，提升机占有非常重要的地位。采矿生产是24小时连续作业的，即使故障停机维护也会给生产带来很大的损失。东塘子铅锌矿是西北有色金属地质勘探局下属的一个国营采矿单位，所用的矿井提升机系统采用传统的绕线式电机转子串电阻调速。电机是185kW绕线式6极电机，通过转子串电阻方式进行多档位切换进行调速。由于电器控制系统先天不足，经过多年的运行，经常出现故障停车，严重影响生产的正常进行。在采矿生产中，设备的安全可靠运行显得特别重要，为提高设备的可靠性，矿用提升机的技术改造非常必要。

    变频调速是近年来发展起来的一门新兴的交流电机调速技术，利用改变被控制对象的电源频率，可实现了交流电动机大范围无极平滑调速，并在运行过程中能随时根据用户的需求调整速度，使提升机始终处于最佳运行状态，在整个调速范围内均有很高的效率，节能效果很明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用方便、可靠性高并且经济效益非常明显，所以在工业控制方面得到了广泛应用。

 2 改造方案

    通过调研与论证，结合西北有色地质勘查局东塘子铅锌矿公司矿井提升的现场实际情况，最终决定对提升机实施变频调速改造。利用在机械行业中广泛使用的自整角机来作为控制变频器的速度给定。自整角机是通过角位移变送器输出模拟量信号，操作工人搬动提升机操纵杆的角度，角位移变送器输出相应大小的模拟量信号，由此控制变频器运行频率，进而控制提升的运行速度。这种操作方式还可用变频器多段速控制，提升机只能在这几种速度下运行；而角位移变送器输出的是连续的角位移变送器输出模拟量信号，理论上提升机可在任意速度下运行，操作起来会方便一些，且与原操作习惯相似，操作工人容易掌握。

    自整角机选择北京飞博尔电子有限公生产的FB900C系列角位变送器。其主要特点是：高精度：可在一圈内输出256-65536个绝对码，无温漂、时漂；可以测量高达3万圈；高可靠性：传感器的绝对位置和可靠的软件计圈技术，保证了其高度可靠性；且没有光电码盘的易损、易受干扰之缺点；自整角机使用方便：即插即用，无须调整传感器的零位，模块与传感器之间只需5根线，接线方便；功能强：该变送器即可以测量角度，也可以测量位置，具有角度与位置随意变换之功能。变送器具有的所有功能都由FB900C编程器设定。

    变频器选用希望森兰科技股份有限公司生产的SB70G250KW高性能矢量控制变频器。森兰SB70变频器器的主要特点是：集成高精度转子磁场定向矢量控制算法，具有250%瞬时转矩控制能力，实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的精度进行宽范围的调速运行；独创的多模式PLC运行功能，特别适合工业制造设备等应用；实用的多段速功能：提供编码、直接、叠加和个数选择方式；强大的PID功能等；具备强大的编程功能，用户可自定义内部I/O模块；转差补偿，AVR自动稳压功能。模拟量输入可设置为10V，当模拟量输入信号由正变到负时，电机运转方向也随之改变，反之亦然。在自整角机上设置相应的参数，使操纵杆从中心零位开始往前输出正信号，往后输出负信号，这会给使用上带来方便。

    提升机变频调速方案方框图如图1所示。

 
                       图1   矿井提升机变频调速方案

3  方案实施

    斜井提升负载特性是摩擦性位能负载，属恒转矩特性负载。提升机带五个斗装满物料沿斜面起动上行时，电机的转矩要克服负载阻转力矩和摩擦力，逐渐加速到全速运行，快到井口时，要逐渐减速。为提高效率，上行加速段和减速段的时间要尽量短，上行加速的时间可适当加大矢量控制变频器的容量来保证，由于负载重惯性大，当要求减速时间短时，上行的减速过程中有再生能量产生，会使变频器直流侧电压升高而“过压”，为此，需要用能耗制动单元加制动电阻或回馈单元处理再生能量；在下放过程中，提升机带的已经是空斗了，但在快速下放的过程仍有再生能量产生，也需要处理再生能量。

    原系统电机是185kW的6极绕线式电机，在平时工作电流在280～380A，为保证安全，提升机上行或下行起动时，是要加制动的，起动完成后一瞬间再松开制动。在这种情况下运行电流有时候会超过电机额定电流，达到400多安培。变频调速后，提升机上行或下行起动时，仍是要加制动的，变频器输出频率到0.3Hz有足够大的力矩时再松开制动。尽管0.3Hz以下电机处于堵转状态，但由于输出频率低，输出电压也低，电机不会过流。在生产中，装载的物料有时可能会超载，考虑重载加速时间短，选型时变频器容量需要加大，本例变频器为250kW，这样有利于电机在过载时候变频器有足够的过载能力。

提升机的更改分以下几个步骤进行

    （1）变频系统操作时和原来工频系统在设备状态上有所不同，在提升机控制台上有个凸轮控制器（其作用是利用控制器的多接点当作提升机的档位，控制接触器，调节转子电阻的阻值大小，对应低高速档），除开油路部分的控制触点以外的所有接点弹簧全部已被去掉，这样有利于在使用角位控制时候减少操作阻力。

   （2）再将绕线式电机的转子绕组全部短接。

   （3）利用原来的凸轮控制器，在凸轮控制器的后方轴上安装自整角机，与凸轮控制器的中心轴同心，这样就利用原来的上升和下放的操作方式。对应凸轮控制器的正负角度，分别角度是108度和-108度，自整角机把这个角位信号以脉冲形式送给角位变送器，角位变送器再根据正负角度对应输出正108度与负108度时的正10伏和负10V的模拟电压信号，变频器接收正负10伏作为正反转运行信号。

   （4）利用原凸轮控制器控制制动油路系统，在凸轮控制器上中心点到相对应两边第一个触头须使用。度过两边的触点后，随着操纵杆的推动平滑的过渡到正负108度。在操纵杆在未打到油路系统触点时，自整角机已经识别到角位的变化，对应角位变送器就会有正负电压的输出，因为在油路系统未打开之前变频器是有很低的频率输出（0~0.3Hz）。油路未打开刹车系统就处于制动状态，通过变频器内部的逻辑单元、算术单元和比较器等相关功能进行设置，过渡了两个接触点的清零位置，使得在操纵杆在过油路触点时候变频器在0.2Hz以下运行，得到非常好的控制效果。

变频器的参数设置

    针对变频器在本系统上的应用，对这台变频器设置了以下参数。

    F0-01=7、F0-02=1、F1-00=7、F1-01=3、F1-18=1.0、F1-25=1、F2-01=2、F2-04=90、F4-01=16、F4-08=0、F5-00=49、F5-01=14、F5-03=5、F6-00=6、F6-15=1、F6-16=101.1、FE-00=10、FE-01=28、FE-02=11、FE-03=25、FE-05=44、FE-06=10、FE-07=29、FE-08=1、FE-09=0、FE-12=1、FE-13=50、FE-14=0、FE-16=14、FE-18=7、FE-44=29、FE-46=8、FE-48=27、FE-49=31、FE-50=3、FE-51=70、FE-52=10、FE-53=28、FE-54=1、FE-56=10、FE-57=28、FE-72=21、FE-73=22、FE-74=48。

    以上为变频器设置的基本参数，其中电动机参数栏FA-01至FA-05必须按照电机铭牌上的标示进行输入，当输入完电机参数后，要把F0-01设置为0；F0-02设置为0；然后把FA-00设置为11；为电机静止自整定状态，然后对电机进行检测，变频器对电机检测完毕后将F0-01和F0-02的设置改为7和1变频就将控制转变为外部信号启动和控制。

 
                      图2   变频器基本接线图

工频系统的操作

    当变频系统出现故障时，可将该系统还原到原来的工频系统工作，切换到工频系统后要做的工作有以下几方面：断掉系统总电源后，将绕线式电机的转子接线还原，连接工频输出端。然后再将绞车控制台下方的凸轮控制器触点弹簧全部安装还原，这时工频系统就恢复到未改变频装置之前一样，提升机操作工可继续按照原来工频系统操作习惯进行控制。

4  节能计算

    目前国内各类矿山等提升机大都采用交流绕线式异步电动机转子串电阻方式调速方案，使用交流接触器改变转子电阻来进行速度段的切换。对于绕线式电机，无论在起动?制动还是调速中，采用转子串电阻方式均会带来电能损耗。这种损耗随着转速的降低，转差率S的增大而增大。绕线式电机的功率关系为：

    上式中：若S=0.5时，电磁功率就有一半的功耗消耗在转子的电阻上，调速系统效率非常低，只有50%左右。本例中，据测算提升机有30%的时间运行在低速段，节能率在24.5%左右，经济效益十分显著。

并且，原系统经常故障，主要是交流接触器触头频繁闭合和断开，容易造成触点及线圈的烧毁，经常维护电器电部分的接触器、电机的碳刷与机械部分的刹车装置等。变频调速改造后，基本上无故障，大大地减少停工损失，产生的效益也不可小视。

5  结束语

    传统绕线式电机串电阻方式调速方式，在矿井提升机上使用较多。转子串的电阻上消耗了大量的转差功率，速度在越低时候消耗的转差功率就越大，相对浪费的电能就越多。使用变频器调速后，没有转差率的消耗，功率因数也有提高，节能非常显著。变频调速控制方案，推动了提升机电气控制技术的进步，完全满足吊车的软启动、软停车、无冲击、平滑调速功能，有效降低系统的能耗及机械的维护成本，延长机械的使用寿命。