煤矿提升绞车电控系统的三次技术革新

1煤矿提升绞车电控系统的改进陈乐平（甘肃华亭煤电股份公司东峡煤矿甘肃华亭744100）摘要本文通过对煤矿提升绞车电控系统技术革新的回顾，阐述了我国科学技术日新月异的发展和科技在推动企业发展中的巨大作用。主题词绞车电控技术革新概述绞车是矿井的大型设备之一，也是煤矿所有设备中唯一需要调速运行的设备，它担负着煤矿人员与设备材料的提升。最早的绞车电控系统是KKX或TKD电控系统，由于它在当时的技术条件下能够满足绞车的调速要求，因此得到了非常广泛的应用，好多煤矿至今仍沿用这种控制系统。下面以斜井提升绞车TKD电控系统为例来简单介绍这种控制系统的调速原理及应用。(一)调速原理依公式n=no60f(1-s)/p，异步电动机的调速方法有变频（f）、变级（p）和变转差率（s）三种方法，由于当时变频调速尚未问世，而采用变级调速结构太烦琐，太复杂，一般不采用。使用最多的是变转差率（s）调速的方法，TKD控制系统就是采用这种方法进行调速的。它是在绕线式异步电动机转子回路串接可切换的电阻，以电流为主附加时间校正为原则来改变转差率实现电机调速的继电器—接触器控制系统，其控制原理如图1所示。(二)系统组成⑴高压开关柜：用来提供高压电源；⑵高压换向器：电机换向用；加速接触器1JC~8JC可控硅整流装置继电器控制屏高压换向器操作台~6000V输入M图1TKD电气控制原理图磁放大器时间继电器1SJ~8SJ自整角机主令控制器速度保护速度给定测速发电机电阻R1~R8R8R18JC1JC线路接触器2⑶主电机：为提升设备的提供源动力；⑷主令控制器：由司机操作，用来切换电阻用以调速；⑸测速发电机：提供与主电机速度成正比的直流电压，为限速设备提供电源；⑹直流发电机或可控硅整流装置：动力制动电源；⑺制动油泵和润滑油泵电动机：制动和润滑用；⑻电阻箱：附加在异步电机转子回路，用来调节电机转速；⑼继电器屏：包括加速交流接触器和直流继电器等，以电流和时间为原则，用来切换电阻。(三)电气回路⑴主回路包括交流拖动主回路和动力制动主回路两部分。⑵安全回路是安全接触器AC线圈所在的回路，是按照《煤矿安全规程》的规定由主令控制器零位闭锁触头、制动手把闭锁触头、限速和过速继电器触头、监视继电器的常开触头、过卷开关及过卷恢复开关、闸瓦磨损开关等触头串连而成。当提升机正常的工作状态被破坏时，其相应的继电器或开关动作，断开安全回路，其安全电磁铁动作，实现紧急安全制动。⑶测速回路提升机必须按照设计的速度运行，一旦发生超速运行时，有可能造成安全隐患。为了符合提升速度要求，防止超速运行，在TKD控制系统中设置了电气测速回路，回路中的直流他激测速电机由主电机经三角皮带传动，其电压与其转速成正比，反应了提升机实际运行速度。⑷控制回路由加速电流继电器、时间继电器、加速接触器和主令控制器等元件组成，用来实现以电流和时间为控制信号（以电流为主附加时间校正）的自动控制过程。⑸辅助回路控制提升机的辅助设备，如制动油泵、润滑油泵电机等，并给信号、照明和安全电磁铁供电。(四)TKD电控系统的动作原理及工作过程简介斜井提升绞车最常用的控制方法有两种：提升和下放物料时采用正力加速等速运行—正力减速的方法；下放人员时采用脚踏动力制动运行的方法，其机械特性如图2所示。Mnn0012345678MzAM1图2TKD电控系统调速特性曲线R1R2R3R4R5R6Ry1Ry2M23⒈正力加速—等速运行—正力减速这个阶段是由司机操作主令控制器，时间继电器1SJ8SJ、加速接触器1JC8JC自动交替切换电阻实现的，提升机电动机的启动过程是沿着1、2、3、4、5、6、7、8、A点逐渐加速，直至稳定运行于最大速度A点，这时电动机产生的力矩与提升机负载力矩相等。等速阶段，提升机没有任何转换和操作。电动机的停止过程与起动过程相反。⒉脚踏动力制动运行按此方式运行时，提升机脱离高压电网，而是在电机的定子回路接入两相直流电源（由直流发电机或可控硅整流装置提供），转子回路串入八段电阻，由司机踩动脚踏动力制动开关，改变自整角机的转角调节激磁电流来控制提升机速度。(五)TKD电控系统的缺陷由TKD电控系统的组成、调速特性曲线以及控制过程不难看出，该控制系统存在以下缺陷：⑴使用继电器、接触器繁多，控制电路复杂，故障点多，故障率高，维护难度大。⑵由于使用了大量的直流或交流继电器或接触器，机械和电磁噪声大。⑶系统组成复杂，占用空间大。⑷调速过程中的转矩及速度脉动大，故调速特性差。⑸调速过程中产生大量的转差功率，并消耗在转子回路，使转子发热，所以电耗大，不节能，调速经济性较差。⑹起动电流大，起动力矩小，加减速阶段的加速度较大，机械冲击大。⑺调速范围小，控制精度低、安全可靠性差。TKD控制系统的这一缺陷，引起了有关制造厂家和专家的重视，他们开始针对以上课题展开了广泛的研究。九十年代中期，随着自动控制等技术的成熟和发展，以PLC代替继电器以及外围电路、可控硅无触点调速装置代替交流接触器的新一代电控设备终于在焦作华飞公司诞生，它的问世大大简化了原提升系统，使绞车的控制超着简单化和智能化迈进了一大步。目前，随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，好多厂家已经研制出高压变频调速装置并将其成功应用于煤矿绞车控制系统。下面就煤矿提升绞车电控系统的技术革新过程作一综述。一、PLC技术在煤矿提升绞车电控系统的成功应用(一)PLC概述可编程控制器（PLC）是60年代末在美国首先出现的，最初研制和应用它4的目的是用来取代继电器，以执行逻辑判断、计时、计数等顺序控制功能。可编程控制器是专门为工业控制应用而设计的一种通用控制器，是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有结构简单、编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点。近年来在工业生产的许多领域，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门得到了广泛的应用，已经成为工业自动化控制的三大支柱之一。（二）绞车电控采用PLC的优势⑴简化了系统。PLC与传感器等器件配合后，完全代替了原TKD控制系统中的时间继电器、磁放大器、自整角机、测速度发电机等部件，因此，减化了控制系统，减少了故障点，使维护变得简单易行。⑵可靠性高，抗干扰能力强。可编程控制器是专为工业控制而设计的，在硬件和软件电路设计方面都采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到（3~5）×104h以上。⑶编程直观、简单。可编程控制器是面向用户、面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，其编程所用的梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂。⑷适应性好。可编程控制器是通过程序实现控制的，当控制要求发生改变时，只要修改程序配置，组成规模不同、功能不同的控制系统即可，适应能力非常强。⑸增加了控制的科技含量。目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等等功能，使设备控制水平大大提高。二、可控硅无触点加速接触器及真空接触器的应用我们知道，TKD电控系统的高压换向器、线路接触器、加速接触器等全采用的是大功率的空气式交流接触器用于线路及电阻切换，这些元件存在的一个共同缺点就是电磁及机械噪声大、结构复杂、易损坏不可靠。经过多年的研究和探索，焦作华飞公司终于研制出高压真空换向器和可控硅调速装置，很好地解决了这一问题。1、高压真空接触器的使用。用高压真空接触器代替原空气式高压换向器、线路接触器，并采用现场总线方式接收主控台PLC发出的操作指令，实现提升机的正反向切换和正常运行控制。该接触器以真空作为灭弧介质，因此具有主电路电弧不外露、分断能力大、体积小、重量轻、寿命长、低噪声和安全可靠等优5点。2、可控硅调速装置的研制应用。该装置利用了可控硅(SCR)的开关特性，巧妙地替代了原系统的空气式交流接触器，同时采用现场总线方式接收主控台PLC发出的操作指令，实现主电机转子回路外接电阻的切换，其切换原理如图3所示。该装置有以下优点：⑴无触点控制，运行可靠，无噪音；⑵优良的动、静特性；⑶结构简单，使用维护方便。三、高压变频调速装置的应用矿山提升绞车通过对控制电路的改造，减化了系统，降低了噪声，维护方便，同时增加了系统的科技含量。但其机械特性及调速的经济性等性能指标并没有改变。随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，一种数字、节能、智能化的绞车调速控制系统应运而生，那就是高压变频调速系统。1、高压变频原理随着通用变频器技术的日新月异和快速发展，高压大功率变频调速装置也不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来也随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展得到了很好的解决。高压变频器类型和拓扑结构比较多，但原理和功能大同小异。根据有无直流环节将高压变频器分为两大类：无直流环节的变频器，即交—交变频器和有直流环节的变频器称为交—直—交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波MR8R1SCR8SCR1控制电路PLC图3可控硅调速装置原理图数字式主令控制器至下一功率单元DST图4IGBT功率单元原理图6动的变频器则称为电压源型变频器，煤矿提升绞车一般多采用IGBT单元串联型变频器。由于受功率器件（IGBT或GTO）耐压的限制，高压变频器运用了电压叠加技术，输出电压由若干个低压单元串联而成，每个单元相当于一个常压变频器，完全利用了通用变频器的成熟技术和功率器件。各个功率单元由隔离变压器的二次线圈分别供电，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。其功率单元及系统原理如图3、图4所示。2、变频调速提升机的控制优势⑴真正实现了绞车的无机调速，可以实现大范围内的高效连续调速控制，使绞车在加减速阶段运行非常平稳，具有良好的机械性能。⑵软启动软停车，减小了机械冲击,在启动、加速换档及减速阶段不会对电网造成冲击，可以进行高频度的起动运转。⑶模块化、智能化设计，维护简单，排除故障容易。⑷系统简化，占用空间小。绞车变频控制系统取消了原老系统的加速接触器、电阻箱、高压换向器、低频电源装置、动力制动装置、测速装置、继电器屏等设备，系统仅由高压开关柜、高压变频器、主控台（PLC、数字式主令控制器等）很少的几部分组成，且只需要普通鼠笼型异步电机即可。⑸全中文界面，显示操作直观，交互性好。⑹变频器四象限运行，在绞车下放阶段向电网回馈能量，实现电气制动，提高了运行的可靠性。⑺由于使用了普通的鼠笼式电机，因此节省了原系统电阻部分的转差功率消耗。同时在绞车下放阶段向电网回馈能CLP工业计算机用户接口6000V输入控制器M图56000V变频器系统原理图单元C一单元C二单元C三单元C四单元C五单元C六单元B一单元B二单元B三单元B四单元B五单元B六单元A一单元A二单元A三单元A四单元A五单元A六7量，节能效果非常明显。据测算，绞车实现变频调速后，其节能效果提高30%40%。⑻容易实现电动机的正反转切换，无需任何换向装置。⑼适用范围广。目前，高压防爆变频调速绞车已成功应用于煤矿井下。⑽直接转矩控制，实现电动机速度和转矩的精确控制。结论高压变频控制系统的出现，使绞车的机械性能发生了质的飞跃，是绞车控制理论的一个重大突破。但是由于受功率单位耐压的限制，目前必须采用均压叠加技术才得一实现，而且在软件控制方面的技术并不十分成熟，因此它的发展尚有一定的空间。随着现代电力电子技术及计算机控制技术的日益成熟，高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化，直接器件高压和无传感器控制等方向发展。到那时，煤矿绞车的控制将会变得更加完美。Coal-mineimprovingwinches,thethirdtechnologicalinnovationoftheelectroncontrolsystemLepingChen（TheDongxiaco