1引言
　　湖南省煤業(yè)集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱湘煤集團(tuán)）是經(jīng)湖南省人民政府批準(zhǔn)設(shè)立的大型省屬國(guó)有獨(dú)資企業(yè)，是全國(guó)煤炭百?gòu)?qiáng)企業(yè)和全國(guó)煤炭產(chǎn)量50強(qiáng)企業(yè)，是省政府確定的全省能源保障主平臺(tái)和省政府重點(diǎn)支持加快發(fā)展的九大企業(yè)之一，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3000萬(wàn)噸/年。
　　2009年，湘煤集團(tuán)集中原煤優(yōu)勢(shì)資產(chǎn)，聯(lián)合國(guó)電、大唐等大型企業(yè)共同發(fā)起設(shè)立了湖南黑金時(shí)代股份有限公司，寶源礦業(yè)有限公司是其下轄的子公司之一。
　　北平硐礦是寶源礦業(yè)公司下屬兩個(gè)礦井之一，北平硐礦井副井提升機(jī)采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點(diǎn)：
（1）大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。
（2）控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
（4）啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
（5）自動(dòng)化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低速段的啟動(dòng)力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
　　針對(duì)以上這些問(wèn)題，煤礦決定對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)當(dāng)今科技的發(fā)展，采用技術(shù)含量較高的變頻調(diào)速，替代原來(lái)的繞線電機(jī)串電阻調(diào)速，是較理想的方案。經(jīng)礦方多方面考察多個(gè)用戶現(xiàn)場(chǎng)，選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500T型高壓變頻器提升系統(tǒng)。
2 改造設(shè)備介紹
　　寶源煤業(yè)公司北平硐礦副井絞車現(xiàn)場(chǎng)使用兩個(gè)操作系統(tǒng)，原操作系統(tǒng)控制工頻運(yùn)行。新操作系統(tǒng)為山西華威提供，控制變頻運(yùn)行?；閭溆茫ＷC提升機(jī)安全運(yùn)行。兩個(gè)操作系統(tǒng)共用一個(gè)絞車系統(tǒng)。
2.1現(xiàn)場(chǎng)提升設(shè)備參數(shù)
　　設(shè)備配置如表1所示?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖
 

2.2高壓提升機(jī)變頻器參數(shù)
　　新風(fēng)光電子公司是國(guó)內(nèi)較早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家，風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器被列入國(guó)家火炬計(jì)劃，產(chǎn)品榮獲國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品、山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)，產(chǎn)品被列入國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄第一批名單。
　　JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，在以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，結(jié)合先進(jìn)的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)，融合了先進(jìn)的能量回饋技術(shù)，以及可靠的lGBT大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)，是新一代高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運(yùn)行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動(dòng)。高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)被列為國(guó)家火炬計(jì)劃項(xiàng)目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助。
　　風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表2所示。

3改造方案
3.1主回路方案
　　為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時(shí)可以切換。改造系統(tǒng)控制思路如圖2所示：

圖2  工、變頻系統(tǒng)切換控制 

　　高壓提升機(jī)變頻器是整個(gè)改造系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。配合自動(dòng)控制的操作臺(tái)運(yùn)行時(shí)，電控臺(tái)向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運(yùn)行”、“反轉(zhuǎn)運(yùn)行”和“變頻急停”三路開關(guān)量信號(hào)，以及一路4～20mA“給定轉(zhuǎn)速”信號(hào)。變頻器向電控臺(tái)發(fā)出“變頻器待機(jī)”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開關(guān)量信號(hào)，以及用于顯示的模擬量輸出信號(hào)。電控臺(tái)控制高壓斷路器分、合閘，分別連入相應(yīng)的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺(tái)發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)速及絞車位置信號(hào)。電控臺(tái)接受絞車司機(jī)的操作指令。
　　整個(gè)提升機(jī)系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效、限速、過(guò)卷、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)油過(guò)壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動(dòng)油超溫、潤(rùn)滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護(hù)功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)作出響應(yīng)，必要時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，確保設(shè)備及人員的安全。
　　主回路改造原理如圖3所示：

圖3  主回路改造圖

　　圖3中K1、K2、K3為三臺(tái)高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān)，變頻運(yùn)行時(shí)，K4切換到變頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài)；工頻運(yùn)行時(shí)，K4切換到工頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開，K4切換到變頻側(cè)，電機(jī)變頻運(yùn)行；當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合，K4切換到工頻側(cè)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來(lái)，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號(hào)和上一級(jí)的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級(jí)高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，上一級(jí)的高壓斷路器斷開，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。
3.2液壓制動(dòng)系統(tǒng)的控制
　　礦山提升機(jī)首先要求的是保證人員和設(shè)備的安全，最重要的保證安全的設(shè)備是制動(dòng)系統(tǒng)，目前多采用的液壓制動(dòng)系統(tǒng)要求電控系統(tǒng)對(duì)其閥組進(jìn)行控制以完成其正確的松閘、合閘動(dòng)作。從電控系統(tǒng)的角度來(lái)看，液壓站是安全保護(hù)的執(zhí)行設(shè)備。如果變頻器在運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生故障，停機(jī)保護(hù)，則變頻器內(nèi)置PLC與液壓站配合，完成提升機(jī)的停機(jī)過(guò)程，或者轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行。表3為該液壓站的閥組閉合動(dòng)作邏輯：

　　1DT、2DT、3DT、4DT、5DT、6DT為液壓站電磁閥，電控系統(tǒng)PLC通過(guò)控制該六組電磁閥來(lái)控制制動(dòng)油泵的起動(dòng)，提供制動(dòng)系統(tǒng)中需要的壓力。另外，通過(guò)控制六組電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)：正常停車、井中緊急制動(dòng)、井口緊急制動(dòng)及跳繩離合器等動(dòng)作。
3.3控制回路
　　該提升機(jī)變頻系統(tǒng)采用雙PLC控制。高壓變頻器內(nèi)配置一套PLC用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)；操作臺(tái)內(nèi)配置一套PLC用于變頻系統(tǒng)和原工頻系統(tǒng)所有操作信號(hào)的邏輯處理，實(shí)現(xiàn)變頻器的自動(dòng)、半自動(dòng)運(yùn)行。工變頻系統(tǒng)控制關(guān)系如圖4所示。

（1）變頻工作
　　操作臺(tái)人機(jī)界面啟動(dòng)變頻操作畫面，根據(jù)工況要求，絞車司機(jī)通過(guò)操作臺(tái)首先給出上提（下放）指令，操作臺(tái)PLC向變頻器發(fā)出上提（下放）信號(hào)，然后司機(jī)推動(dòng)閘把手柄給出松閘信號(hào)，變頻器PLC接收到信號(hào)后啟動(dòng)變頻器。絞車司機(jī)通過(guò)推動(dòng)檔位手柄調(diào)節(jié)檔位，操作臺(tái)PLC根據(jù)當(dāng)前的檔位給出4~20mA頻率給定信號(hào)來(lái)控制變頻器的運(yùn)行頻率，達(dá)到控制絞車運(yùn)行速度的目的。
（2）工頻工作
　　操作臺(tái)人機(jī)界面啟動(dòng)工頻操作畫面，根據(jù)工況要求，絞車司機(jī)通過(guò)操作臺(tái)給出上提（下放）指令，操作臺(tái)PLC控制換相柜內(nèi)的換相接觸器來(lái)改變?nèi)喔邏弘姷南嘈颍瑢?shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；然后司機(jī)推動(dòng)閘把手柄，電機(jī)起動(dòng)。絞車司機(jī)通過(guò)推動(dòng)檔位手柄調(diào)節(jié)檔位，操作臺(tái)PLC根據(jù)當(dāng)前檔位分別控制KM1、KM2、KM3、KM4來(lái)調(diào)節(jié)絞車的速度。
（3）安全回路
　　變頻器高壓聯(lián)跳信號(hào)與操作臺(tái)緊急跳閘信號(hào)串聯(lián)起來(lái)，一起串入該系統(tǒng)的安全回路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者操作臺(tái)發(fā)出緊急跳閘信號(hào)，上一級(jí)的高壓斷路器斷開，同時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)緊急抱閘，保證生產(chǎn)安全。
4高壓提升機(jī)調(diào)試情況
4.1模擬電控試驗(yàn)
　　通控制電調(diào)試時(shí)必須確保高壓電不能加到變頻器上，以確保人身安全；
（1）通上交流220V控制電，合上控制柜。旁路柜內(nèi)斷路器，打開UPS，觸摸屏自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)控程序；
（2）合旁路柜主回路上的隔離開關(guān)（可以不合K1，把K1到PLC的節(jié)點(diǎn)短接，試完必須復(fù)位）；
（3）短接高壓就緒；
（4）操作電控上的主令和付令信號(hào)控制變頻器運(yùn)行，調(diào)節(jié)上提（下放）頻率運(yùn)行到50Hz；用示波器測(cè)量單元輸出波形和總輸出波形是否正確，如果示波器看到的波形比較模糊，建議在變壓器輸入加入220VAC電源，輸出電壓開環(huán)控制狀態(tài)下看輸出波形；
（5）電控給變頻的主令和付令信號(hào)：主令和付令信號(hào)應(yīng)是獨(dú)立，應(yīng)是經(jīng)電控處理后給出。主要檢測(cè)是否存在下面2個(gè)問(wèn)題：
      ①制動(dòng)泵不啟動(dòng)而主令和付令信號(hào)給出到變頻器，這樣變頻器運(yùn)行時(shí)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，變頻器會(huì)過(guò)流保護(hù)或者損壞。
      ②制動(dòng)泵不啟動(dòng)時(shí)是否存在主令或副令中有一個(gè)信號(hào)給出到變頻器，這樣變頻器會(huì)出輸制動(dòng)信號(hào)電機(jī)有制動(dòng)電流，長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)有可能出現(xiàn)燒壞電機(jī)的現(xiàn)象；
（6）電控在檢測(cè)到變頻器就緒后啟動(dòng)制動(dòng)泵、潤(rùn)滑泵。制動(dòng)泵、潤(rùn)滑啟動(dòng)后操作主令和付令給出上提（下放）松閘信號(hào)變頻運(yùn)行。（制動(dòng)泵、潤(rùn)滑泵不啟動(dòng)不能給出上提下放信號(hào)，即安全回路輸入信號(hào)報(bào)故障）；
（7）試驗(yàn)變頻與工頻的互鎖；
（8）試驗(yàn)電磁鎖；
（9）試驗(yàn)變頻器的各項(xiàng)保護(hù)功能，報(bào)警功能與分?jǐn)嗤獠扛邏汗δ埽?br/>（10）試驗(yàn)變頻與電控之間的各種功能，確保各種互鎖與信號(hào)邏輯的正確性。
4.2現(xiàn)場(chǎng)通高壓電調(diào)試
（1）將高壓電送至變頻器，無(wú)特殊情況不允許在通高壓電開機(jī)運(yùn)行的情況下測(cè)量輸出或是其他地方，如需測(cè)調(diào)試人員需做好安全防護(hù)并經(jīng)技術(shù)人員允許后再測(cè)試，以免出現(xiàn)安全事故；
（2）在不開機(jī)狀態(tài)下測(cè)量功率單元輸入電壓，并換算到隔離變壓器初級(jí)，看電網(wǎng)電壓高低情況，來(lái)判斷是否需要調(diào)整變壓器電壓抽頭，并做好記錄；
（3）試驗(yàn)工頻變頻狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)向是否一致。如果不一致，則將變頻器三相輸出中任意兩相更換位置。
（4）輕載試驗(yàn)：
　　①設(shè)定變頻器的基本參數(shù)。上升時(shí)間為15s，下降時(shí)間為15s，上限頻率50Hz，下限頻率1.5Hz，額定頻率50Hz，功能設(shè)置4，制動(dòng)電流（設(shè)為不超過(guò)額定電流的1.5倍，設(shè)定過(guò)小重物上提時(shí)電機(jī)會(huì)反轉(zhuǎn)），頻率穩(wěn)定度為0.1Hz，電流系數(shù)為出廠值，額定電壓為變頻器的額定電壓，低頻補(bǔ)償為20（重載試驗(yàn)時(shí)在調(diào)整），額定電流為電機(jī)的額電流，輸出電壓下降時(shí)間為0，頻率到達(dá)信號(hào)45Hz，啟動(dòng)頻率0.5Hz，比例系數(shù)控制為350以出廠為準(zhǔn)，反轉(zhuǎn)頻率上限為25Hz（重載試驗(yàn)完后調(diào)整為50Hz或現(xiàn)場(chǎng)要求的速度）輸出電壓閉環(huán)系數(shù)為出廠值，定子電阻系數(shù)為0。
　　②開機(jī)上提和下放觀察減速區(qū)內(nèi)有否超速現(xiàn)象和提升機(jī)的回饋是否正常，超速減小下降時(shí)間再試，回饋不正常查明原因后再試。輕載正常轉(zhuǎn)入重載試驗(yàn)。
（5）重載試驗(yàn)：上升時(shí)間為15s，下降時(shí)間為15s，上限頻率50Hz，下限頻率1.5Hz，反轉(zhuǎn)上限頻率為25Hz，上提看電機(jī)是否反轉(zhuǎn)如反轉(zhuǎn)停機(jī)增加低頻補(bǔ)償值以不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)為準(zhǔn)，下放看變頻回饋是否正常，正常停機(jī)后反轉(zhuǎn)上限頻率調(diào)整為30Hz，再上提下放一次如正常反轉(zhuǎn)上限頻率調(diào)整為35Hz，每試一次反轉(zhuǎn)上限頻率增加5Hz，到50Hz后。調(diào)整上升下降時(shí)間，每開一次機(jī)調(diào)整2s時(shí)間以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。調(diào)試正常后記錄下變頻器的基本參數(shù)。
5各種保護(hù)的觀察和試驗(yàn)
（1）高壓斷電保護(hù)：在安全繼電器吸合情況下，踩下右下角的腳踏開關(guān)，高壓開關(guān)掉電，安全回路繼電器立即斷電。
（2）主令位置保護(hù)：主令不在零位的情況下，安全回路繼電器斷電后，安全條件具備燈不會(huì)得電。
（3）手閘位置保護(hù)：在手閘推上情況下，安全回路繼電器斷電后，此時(shí)安全條件具備燈不會(huì)得電。
（4）減速過(guò)速保護(hù)：當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行到減速點(diǎn)時(shí)，有減速報(bào)警及減速功能，如超過(guò)給定的12%時(shí)安全繼電器立即斷電，同時(shí)伴有語(yǔ)言報(bào)警；試驗(yàn)減速過(guò)速時(shí)，在減速區(qū)按住慢上按鈕，當(dāng)速度超過(guò)0.5m/s安全回路立即斷電，同時(shí)伴有語(yǔ)言報(bào)警。
（5）等速段超速保護(hù)：當(dāng)正常速度超過(guò)額定速度的15%時(shí)，在或等速區(qū)時(shí)按住慢上速度超過(guò)0.5m/s安全回路立即斷電，同時(shí)伴有語(yǔ)言報(bào)警。
（6）制動(dòng)油過(guò)壓保護(hù)：人為使制動(dòng)油壓增加到大于6.2MPa，安全回路繼電器立即斷電，制動(dòng)泵停止。
（7）接近井口的2m/s限速保護(hù)：此項(xiàng)保護(hù)可通過(guò)觀察提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中2m/s速度繼電器工作的正確性和接近井口的位置繼電器工作的正確性來(lái)判斷。也可以按住慢下按鈕，使提升機(jī)運(yùn)行到接近停車位置8m時(shí)速度超過(guò)0.4m/s來(lái)試驗(yàn)。
（8）過(guò)卷保護(hù)：該保護(hù)有2處，即監(jiān)控機(jī)過(guò)卷、主控機(jī)過(guò)卷，可采用暫時(shí)短接1處，判斷1處的辦法進(jìn)行，作此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，一定要使提升機(jī)運(yùn)行到過(guò)卷位置，但速度不可過(guò)快，任意一處動(dòng)作都會(huì)使安全回路繼電器斷電。
（9）軸編碼器壞保護(hù)：在提升機(jī)慢速運(yùn)行時(shí)，將任一個(gè)軸編碼器的輸出線斷開，提升機(jī)運(yùn)行4m后，安全回路繼電器立即斷電。
（10）潤(rùn)滑油欠壓：如果潤(rùn)滑油壓低于0.05MPa時(shí)，無(wú)法打上信號(hào)。
（11）閘間隙保護(hù)：人為動(dòng)作后有語(yǔ)言報(bào)警。
（12）錯(cuò)向保護(hù)：人為使提升機(jī)向反方向運(yùn)行，速度超0.5m/s或行程超過(guò)1m，安全回路掉電。
6現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及運(yùn)行效果
　　從目前運(yùn)行情況看，副井提升絞車變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的真正軟啟動(dòng)，縮短了提升時(shí)間，減少維護(hù)工作量，提高了生產(chǎn)效率。大大提高了提升機(jī)的安全運(yùn)行。高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行如圖5所示。

圖5風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行圖

　　絞車改造后，整個(gè)變頻提升系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
（1）變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境。
（2）實(shí)現(xiàn)了絞車電機(jī)的軟起動(dòng)和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小。
（3）啟動(dòng)及加速過(guò)程沖擊電流小，加速過(guò)程中最大啟動(dòng)電流不超過(guò)1.3倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無(wú)級(jí)平滑地升至最高速，也沒(méi)有大電流出現(xiàn)，大大地減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
（4）增加了直流制動(dòng)功能，使重車停車時(shí)更加平穩(wěn)。
（5） 節(jié)能效果顯著。據(jù)實(shí)測(cè)，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到20%左右。采用回饋制動(dòng)，節(jié)能效果越明顯。
（6） 保護(hù)功能齊全，除了過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、過(guò)熱、短路等自身保護(hù)外，還設(shè)有外圍控制的連鎖保護(hù)，包括制動(dòng)閘信號(hào)與正、反轉(zhuǎn)信號(hào)的連鎖，變頻器故障信號(hào)與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機(jī)內(nèi)備有自動(dòng)減速程序等。對(duì)提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)及可能危及提升機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并具有故障顯示、報(bào)警功能。
　　鑒于風(fēng)光高壓提升變頻系統(tǒng)改造的良好效果，湘煤集團(tuán)下屬的多家煤礦改造的絞車變頻提升系統(tǒng)均采用新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的高壓產(chǎn)品。