关键词：煤矿；提升绞车；变频调速

Abstract: Some coal mine in Jining to carry out ground gangue winch and application of variable frequency speed control technology to enhance transport winch slope underground research for hoist frequency control operation problems from many aspects and put forward technical measures for implementation, has a certain reference value for the application in similar situation.

Key words: Coal mine; Lifting winch; Variable frequency speed regulation

【中图分类号】TD63 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）06-0000-00

1 引言

近几年来，位于山东省济宁市范围内的一些煤矿开展了地面矸石山排矸提升绞车和井下斜坡运输提升绞车应用变频调速技术的研究，针对提升绞车变频调速运行中出现的问题从多个方面提出技术措施并进行实施，有效地保障了变频调速技术在煤矿地面和井下提升绞车的安全、正常应用，对于类似情况的矿区推广应用具有一定的参考价值。

2 煤矿井下提升绞车电控系统变频技术

位于济宁市兖州区的兖州矿业（集团）公司兴隆庄煤矿将BPJ1-200/660隔爆兼本质安全型交流变频器应用于井下十采区JBT-2×1.8提升绞车控制系统，使用效果很好。此处的上山倾角为7º，提升距离为799m。其设计满足《煤矿安全规程》、《防爆规程》、《矿山电力设计规范》、《煤矿提升绞车安全检验规范》、《交流传动矿井提升机电控设备技术条件》、《矿用提升机和矿用提升绞车安全要求》、《煤矿用提升信号装置通用技术条件》等要求，使提升绞车运行系统得以优化。

2.1 煤矿用的变频器调速特点

变频调速是电动机调速的主流技术。交流电动机转速n=60f（1-s）/p。式中，f为定子供电电源的频率；s为电动机的转差率；p为电动机的极对数。当平滑地改变f时，n也可得到平稳的改变。所以，变频调速技术的关键是如何获得频率可变的大功率供电电源。由于主磁通Φm=Elx/4.44kefxN。式中，Elx为电动势；ke为比例常数；fx为频率；N为每相绕组匝数。当1台电动机已经制造完成后，其比例常数ke和每相绕组匝数N均为常数，所以

              Φm=Elx/4.44kefxN=const

在电动机额定频率时，定子绕组的阻抗压降ΔU=IlZl。式中，Zl为定子绕组的阻抗，包括电阻rl和漏磁电抗xl，由于所占比例甚小可以忽略不计，所以电动势与电源相电压基本平衡，Ulx≈Elx，即Ulx/f=const。由此看出，变频的同时也必须变压，因而称为V/f恒定控制。交流电动机是多变量、强耦合和非线性被控对象，仅用电压/频率（V/f）恒定控制，不能满足对调速系统的要求，又提出以交流电动机双轴理论为依据的矢量控制。在同步旋转坐标中把定子电流矢量分解为2个分量，与转子磁链矢量重合的分量称为励磁电流分量，与转子磁链矢量垂直的分量称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标中的位置及大小即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的大小．达到直流电动机那样对磁场和转矩的解耦控制。目前，煤矿用的变频器多为这一类型的变频器。直接转矩控制避开矢量控制2次坐标交流及求矢量模与相角的复杂计算，直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通，通过转矩控制使转矩响应时间控制在1拍以内，且无超调，控制性能比矢量控制还好。

2.2 兴隆庄煤矿井下提升绞车变频控制系统

①变频器的直接转矩控制方式。兴隆庄煤矿十采区提升绞车变频控制系统选用的ABB公司ACS800-04-0610-7-200kW-690V变额器采用先进的DTC直接转矩控制方式，利用逆变器的通断直接控制电动机关键磁通和转矩；直接转矩控制只控制电动机定子侧的参数，控制效果不受转子回路参数变化的影响；直接转矩控制的控制计算均在定子静止坐标中进行，不需要在旋转坐标对定子电流进行分解和设定；直接转矩控制采用转矩闭环直接控制电动机的电磁转矩，只追求转矩控制的快速性和准确性。直接转矩控制利用电压矢量的概念，对逆变器的开关器件的导通与关断进行综合控制，在相同控制效果下比分相控制的逆变器开关器件开关次数少且开关损耗小。直接转矩控制克服了矢量控制计算复杂，控制效果受转子参数变化影响较大的缺点，结构简单、控制性能优异、控制思路新颖、自动换向变频技术、四象限运行；当电动机减速制动时，从逆变器返回的再生功率使变频控制装置内的直流母线电压升高，变频控制装置控制芯片发出指令，使输入电流相位与电源电压相位相反将电动机再生能量反馈到电网，实现电动机能量的再生制动；变频器能提供无温度传感器的温度自动补偿；保证转矩输出与期望的转矩一致；具有PROFIBUS-DP通讯接口，便于和PLC及上位机通讯组网。

②系统技术性能。兴隆庄煤矿井下提升绞车变频控制系统的电控系统和保护系统采用变频调速技术，输入电源为660V、50Hz，电压允许波动范围为-15%～+10%，允许频率波动范围为±2.5%，输出功率为200kW，输出频率50Hz连续可调。控制箱采用快开门方式，电气控制采用双PLC全数字控制系统，2套PLC与硬件电路互相冗余，组成绞车的提升控制与数字监控系统。在负载变化为-120%～+120%额定负载时能够满足四象限运行的要求，过载能力强；低频运转时有自动转矩提升功能，能够保证100%额定转矩；在PLC故障时能够分别完成临时应急提升。控制系统配备正常操作而设置的过压、欠压、过流、断相和功率元件过热等各种保护，安全保护可靠。其中，防止过卷装置、过速装置、限速装置和减速功能保护设置为相互独立的双线形式；同时，系统具有各种保护试验功能。声光信号与控制回路具有闭锁功能，未发信号不能开车，发出信号的时间次数记忆不少于30d。操作台除了有正常的各种操作开关与按钮以外，还有深度、速度、电压、电流、油压和温度等指示，比较直观。深度指示采用数字显示，能够准确清楚显示矿车在巷道中的运行位置；深度指示一旦失效能够迅速断电停车。绞车控制具有手动、自动、检修运行及远程控制等操作方式。检修时能够手动操作，运行速度为0.3～0.5m/s，操作方便可靠。变频器采用模块式结构，出现故障时能方便地查找故障点并及时进行更换，维修简单。

③变频器的诊断和保护功能。失压检测与脱扣；过压检测与脱扣；过流检测与脱扣；温度过高检测与脱扣；外部脱扣信号检测与脱扣；变频器输出端短路检测与脱扣；接地故障检测与脱扣；电动机失速保护；电子式协电动机保护；32条故障信息缓冲区；32条报警信息缓冲区；与防爆变频器配套的进线电抗器、输出电抗滤波器和自耦变压器保证电动机反馈的再生能量接近正弦渡，不会污染电网和干扰其它设备的正常工作。

④信号控制。选用KXJDI-127型隔爆兼本质安全型电源控制箱，由互为备用的2套西门子S7-300PLC、10.4＂真彩触摸屏、本质安全型电源和继电器及防爆外壳等组成。主要功能是完成绞车所有控制功能；提供本安电源供操作台、信号、继电器及现场仪表用；通讯组网。PLC承担对各个输人、输出量的数据采集、程序控制和信息交换的任务，同时在变频器、PLC和人机界面之间建立通讯网络，在人机界面上实时反映变频器的重要参数及系统的重要信息，强化系统的操作和显示功能；多种不同的通讯接口可以连接不同的AS-I接口、PROFIBUS和工业以太网总线系统；支持过程通讯和数据通讯，MPI多点接口集成在CPU上，可以同时连接编程器、上位机、人机界面、变频器等自动化控制系统。电控箱选用10.4＂真彩触摸屏，显示屏上反映的主要内容有读取频率、速度、转矩、电流、电压、功率、直流母线电压等变频器参数；运行时间显示、打点信号显示、本班提升钩数、总提升钩数显示；电源、井筒开关等状态的安全回路工况监视；绞车位置直观的数字、图形显示，绞车速度数字、曲线显示；故障报警和故障发生时间及发生时提升容器位置、速度等记忆。

⑤操作台功能。CXH-1/9.5本质安全型操作台主要完成绞车的各种操作；完成控制信号与故障信号的隔离和转换；组成硬件安全回路并与软件安全回路相互冗余及闭锁；完成液压站、工作闸、安全闸的状态信号采集；通过PROFIBU$或ControlNet现场总线与上位机桥接。

2.3 绞车保护

根据《安全回路设计应为双线冗余制》的规定，兴隆庄煤矿井下提升绞车变频控制系统采用双PLC加硬安全回路继电器真正实现“双线制”冗余控制和安全保护。对安全回路、等速超速、减速超速、过卷等重大故障均采用软硬件冗余设计和多重保护。当系统出现重故障时，PLC程序中的安全回路被断开，作用于安全继电器并执行安全制动（二级制动）或紧急制动（一级制动）；系统能自动发送减速控制信号，并伴有声光信号，使绞车同时自动投入减速运行。安全制动或紧急制动停车时，在人机界面上能记忆并显示故障时绞车的位置和速度及故障发生的原因；系统断电时，原前的设置参数和绞车的位置、状态等能被断电记忆功能存储，恢复供电时所存储的内容能被自动恢复；开车方式选择功能使绞车能分别在自动、手动、检修方式下运行。在自动方式下运行时．闸和速度给定是自动控制的，在安全回路正常时并且打点信号和方向记忆相符只需按“自动开车确认按钮”绞车即按预先设定的速度图实现加速、减速、停车、自动换向，并且带有方向记忆；在手动或检修方式下运行时，由制动手把和主令手把控制闸和绞车速度及方向的给定，检修方式下速度为0.5m以内可调，最低速度可以控制到0.03m/s。

3 基于变频技术的煤矿井下对拉绞车应用

对拉绞车运输是煤矿井下生产的主要运输方式，现场应用中的安全管理难度较大，经常因为同步协调配合不到位出现你拉车我刹车致使钢丝绳断绳、滚筒缠绳不及时导致下坡车轧坏被动车钢丝绳、2部绞车配合不同步从而造成车辆掉道等现象。位于济宁市任城区的兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿在6304-2工作面运煤巷道布置运输距离为309m的BPJ1-45/660对拉绞车上首次成功应用变频驱动装置。通过此变频装置驱动一侧绞车为速度控制、另一侧绞车为转矩控制，实现2部绞车松绳、紧绳的同步运行，消除对拉绞车原有的安全隐患，提高运行的可靠性。

（1）原有状况

济宁三号煤矿工作面安装、撤除期间，由于轨道运输路线坡度不规则、起伏较大，只能采用对拉绞车运输。原先对拉的每台绞车都是通过1台BQZ-80N磁力启动器及三联按钮控制绞车电动机启动、运行和停止，运行中需要2位绞车工密切配合，根据轨道变化起伏、提放物料载荷、钢丝绳张紧程度酌情掌握绞车运行速度。这种操作控制系统在运行中速度时快时慢、运行不稳定、安全隐患大，容易发生断绳、掉道、跑车。为了实现2部同型号绞车松绳和紧绳的同步运行，他们提出了对拉绞车变频驱动控制的要求及系统的设计。

（2）对拉绞车变频驱动控制系统结构

①变频器。2台BPJ1-45/660型变频器分别驱动1台绞车电动机；2台变频器与PLC控制器之间采用CAN总线连接，最长的通讯距离不小于1km，通讯中断超过500ms时故障停车；变频器自带的矩阵键盘实现就地控制；启动（加速）、减速、停止按钮分别连接到变频器的数字量输入端，用以实现远方控制。

②矿用隔爆控制箱。由220V AC电源供电，内置断路器、开关电源、本安电源板、PLC控制器及I/O模块构成。此控制箱通过CAN总线与2台变频器连接，是变频器与矿用本安操作箱的桥梁，主要作用是采集变频器的参数送交矿用本安操作箱显示；接收变频器DI输入指令，实现变频器的启动、停止、加速、减速等操作；接收矿用本安操作箱的指令，实现变频器的启动、停止、加速、减速等操作以及对超速系数的设置。

③矿用本安操作箱。除了甲启动、甲减速、甲停止、乙启动、乙减速、乙停止6个控制键和设置、查询、确认、返回4个功能键外，运行中还可以通过外接三联按钮单方操作加速、减速控制2台绞车的加速、减速，以实现拉绳绞车和松绳绞车的绳速均衡，并且每部绞车的停止按钮均可以实现2部绞车同时停止运行。设有液晶显示窗，通过RS232串行总线与矿用隔爆控制箱连接。

（3）现场应用

济宁三号煤矿在63下04-2工作面运输、安装液压支架54组，在运煤巷道中布置2部SDJ-28型绞车形成对拉运输。运行长度为329m，巷道底板坡度最大为8°，铺设24kg/m钢轨。他们通过BPJ1-45/660型变频驱动装置控制2部对拉绞车，将所有设备运至工作面安装。在工作面运输、安装过程中，BPJ1-45/660型变频驱动装置运行控制、绳速均衡等功能正常，消除了原有的不安全现象，实现2部对拉绞车钢丝绳运行同步、使用处于正常的张紧状态、杜绝运输事故，实现安全生产。

BPJ1-45/660对拉绞车变频驱动装置在济宁三号煤矿的应用，彻底消除传统对拉绞车运输存在的安全隐患，为实现安全运输提供保障；变频控制驱动技术消除对拉绞车的安全隐患，提高对拉绞车运行的安全可靠性，进一步扩展对拉绞车应用范围，为实现长距离对拉绞车运输打下基础；BPJ1-45/660对拉绞车变频驱动装置的成功应用，为此项技术的推广应用提供了参考实例。

4 煤矿地面矸石山绞车电控系统变频技术应用

为了矸石山排矸系统在布置、设备选型、管理等方面与现代矿井的特点相适应，矸石山排矸绞车的电气控制技术必须具备安全可靠性和速度可控性，即必须达到绞车能低速启动、中部能等速平稳运行、快到位时能低速脉动爬行、到位点能施闸制动等对速度的要求。位于济宁市微山县的山东省微山湖矿业集团有限公司泗河煤矿在地面矸石山排矸绞车电动机应用变频调速技术，使绞车实现无级调速，不仅适应工况调节的要求也能适应绞车启动的要求；而且与其它调节方法和启动附加装置相比，效率高、节约能源。变频调速技术在煤矿绞车上的应用，确保提升安全稳定运行，对矿井的安全生产具有重要意义。

（1）当前变频装置的类型

①交一交直接变频装置。采用晶闸管做变频器件（桥式线路需要36个晶闸管），功率较大，但变频范围窄。当电源频率50Hz时输出频率最大不超过20Hz，适合大功率低转速的设备，且设备成本较高。

②交一直一交间接变频装置。由整流器（交一直变流器）逆变器（直一交变流器）和中间直流环节3部分组成，变频范围宽，输出频率为0～50Hz甚至可以达到100Hz，理论上无输出频率限制。

（2）绞车变频调速技术实施

①矿井绞车电控调速技术的现状。目前矿井中常用的调速方法有3种：转子串电阻调速，由于转子电阻是手动不连续的分级调节，响应慢、速度变化不均匀；串级调速，即将电动机转子上的转差损耗经整流反馈给电网或转换成其它形式的能量，设备复杂、成本高；变频调速，通过改变电动机供电电源频率来改变旋转磁场的旋转速度，使电动机转速改变。对绞车运行无论采用哪种调速驱动方式都会取得明显的节能效果，但在无特殊要求时采用变频调速驱动节电效果最佳、安全性能更高。

②绞车变频调速方案的制定。随着元器件制造技术的发展和成本的降低，变频调速装置应用范围不断扩展，矢量控制技术使交流调速性能接近直流。不仅中小设备广泛采用变频调速技术，许多大型设备也在采用。如果能够用于煤矿提升绞车电控，则可以满足对各种速度性能的要求。泗河煤矿经过多方实地考察和技术论证，确定变频调速装置采用唐山开关厂生产的变频器柜。此变频柜装配ABB公司ACS800系列变频器。这种变频调速装置是基于交—直一交间接变频技术为框架，在全功率范围内统一使用相同的控制技术，如启动向导、自定义编程、DTC控制、通用备件、通用的接口技术以及用于选型调试和维护的通用软件工具，现场应用极其方便。

③系统技术原理。配置1个低压电源柜给整个控制系统供电，在主控室内增加1个操作台，主控制系统采用双PLC控制（2台FX2N-16MR型PLC，A/D、D/A转换器各1台），以实现安全回路双回路控制，增加安全可靠性。所有输入端子都单独占用1个PLC输入点，可以避免出现硬件串、并联现象。设置2个行程编码器，以检测绞车运行速度，卸矸架上6组输入点单独使用1个扩展输入模块，以RS-485通信方式与操纵台相连。操纵台上设有能指示电动机电流、电压、系统油压的指示表，设置可调闸电流表，以显示开合闸间隙。此外，在低压电源柜内装有功率因数表及电度表。

（3）绞车变频调速系统运行

①提升。司机接到开车信号后，松开制动闸手柄，将主控制手柄推向前，电动机开始平稳加速，达到设定速度后匀速运行，当V型矿车碰撞卸矸架上的减速开关后，电动机开始减速，减速到爬行速度，系统爬行运行直至碰撞停车开关停车，施闸。

②下放。司机接到开车信号后，松开制动闸手柄，将主控制手柄向后拉，电动机开始平稳加速，至设定速度后匀速运行。快达到停车位置时，电动机开始减速，减速至爬行速度，系统爬行运行至停车点，停车、施闸。

（4）绞车变频调速系统运行效益

泗河煤矿自投入使用矸石山绞车变频调速装置后，电动机运行转速根据现场实际需要进行调整，节约电能，降低煤矿生产成本。变频调速实现对电动机的软启动，减少对电动机、绞车、低压开关等设备的启动冲击，延长设备使用寿命，经济效益显著。变频调速技术在矸石山绞车上的应用可保障绞车安全稳定运行，对矿井的安全生产具有重要意义，社会效益也很明显。实践证明，这个项目实现了矿井提升绞车运行变频化，对于推动煤炭行业科学技术的进步具有重要的意义。

5 绞车变频调速尖峰电压吸收装置的研究 

位于济宁市市中区的山东东山矿业有限公司王楼煤矿和中国矿业大学为了减少电动机接线端尖峰电压对电动机对地绝缘的影响，保证煤矿变频绞车安全稳定运行，基于均匀传输线过电压模型以及吸收电路原理，设计了1种绞车变频调速尖峰电压吸收装置。这种装置采用电容充放电原理，可以有效地降低电动机端的尖峰电压，防止电动机的绝缘被击穿。试验结果表明，绞车变频调速尖峰电压吸收装置减小了变频器输出电压变化率，降低了电动机接线端瞬时峰值，输出尖峰电压得到有效治理。

（1）课题由来

变频绞车采用矢量控制技术进行调速，调速范围宽、精度高，并且输出转矩特性较硬，是矿用绞车的发展方向；但其也存在缺点，由于变频调速装置与电动机之间的长电缆以及变频调速装置开关管高速切换的共同作用，产生输入到电动机端的尖峰电压容易导致电动机对地绝缘击穿。因此，需要对绞车变频调速装置进行改进。在现有变频器输出尖峰电压优化装置中，正弦波滤波器是由串联电抗和并联电容构成的，体积大、成本高，电抗和电容必须和电动机的容量精确匹配，控制复杂；du/dt滤波器串接在变频器的输出端，体积很大；电缆的长度必须小于300m，较适用于与参数相配的特定容量的电动机，通用性较差。尽管du/dt滤波器在很大程度上可减小电动机端子上的尖峰过电压峰值，的但高频率电压冲击引起的介质损耗发热和du/dt造成的不均匀分布还会危害电动机绕组绝缘。为了保障电动机绝缘，他们采用并联吸收方法设计了尖峰电压吸收装置。这种吸收装置与电动机并联安装,不改变原有系统的结构，在原系统中不产生压降、不降低力矩，也不影响变频器对电动机的控制。此装置的参数与电动机的转速和载波频率无关，不用与特定功率的电动机配型，可以有效地减小变频器输出电压变化率du/dt。

（2）电动机端过电压

他们采用传输线理论分析电动机端产生尖峰电压的原理。在使用电缆或者架空线路来传输电能时，由于线路的“尺寸”与“波长”接近，只能采用分布参数电路作为分析的基础。研究人员采用均匀传输线模型分析PWM电压脉冲传输过程，如PWM脉冲电压波在长线电缆的反射、电缆长度对电压波反射过电压的影响，并且分析了长线电缆对电动机端尖峰电压的影响。

（3）尖峰电压吸收装置

    他们设计尖峰电压吸收装置主电路结构的基本思想来源于电力电子器件吸收电路，均匀传输线过电压模型为此装置提供了依据。吸收电路具备抑制和吸收的功能，实际上总共有3种基本结构。

①RLCD吸收电路。串联电感用于抑制电流变化率di/dt，并联电容通过二极管充电，吸收电力电子器件上的尖峰电压能量。但是，由于电容电压不能突变，限制了电压变化率du/dt,电容能量只能通过电阻释放。为了提高效率，可以将RLCD吸收电路转换为RCD吸收电路。

②RCD吸收电路。目前，这种由RCD网络构成的吸收电路以及广泛应用于IGBT、电力MOSFET等电力电子器件的保护。

③单电容电路。可以应用于IGBT桥臂的保护。

他们根据以上3种吸收电路的原理，将整个变频器作为保护对象，设计出了尖峰电压吸收装置主电路。尖峰电压吸收装置主要由3个部分组成：三相整流部分的作用是将尖峰电压从交流变为直流，引入吸收装置；吸收电容部分的作用是在尖峰电压引入时储存能量，尖峰电压消失时释放能量，其中的稳压管利用内部电压降使电容放电时保有一定余量；耗能电阻部分的作用是为吸收电容部分提供放电回路，保证电容正常工作。

（4）试验结果

为了验证绞车变频调速尖峰电压吸收装置的控制性能，他们在煤矿现场对其进行了现场试验。绞车采用2JKB-3×1.7/31.5E单绳缠绕式双滚筒防爆绞车，配备YBBP450M-10 280kW防爆变频电动机，电压为1140V。变频调速系统由电源柜、变频柜、制动电阻柜、操作台4各部分组成。在现场的变频器与电动机之间增加1套他们自主研发的绞车变频调速尖峰电压吸收装置。此尖峰电压吸收装置置于符合防爆要求隔爆外壳内。6kV供电经变压器变为1140V为绞车供电和660V为辅助供电。1140V经低压馈电开关接入变频器系统，输出接拖动电动机。信号系统及司机操作台信号进入PLC，由PLC判断后给出控制指令发送到变频器，速度反馈信号由轴编码器获得。

从实测的峰值电压波形可以看出，使用并联式尖峰电压吸收装置后的电动机端瞬时峰值电压为2330V，未加峰值电压吸收装置前的电动机端瞬时电压峰值达到2820V。由此可见，这种吸收装置对于改善电动机两端的过冲电压效果明显。

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