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1  概述

    礦井提升機廣泛用于煤礦、有色金屬、黑色金屬、非金屬等礦山的豎井、斜井的提升，提升機系統用作提升礦物料及設備等。在整個生產過程中，提升機占有非常重要的地位。采礦生產是24小時連續作業的，即使故障停機維護也會給生產帶來很大的損失。東塘子鉛鋅礦是西北有色金屬地質勘探局下屬的一個國營采礦單位，所用的礦井提升機系統采用傳統的繞線式電機轉子串電阻調速。電機是185kW繞線式6極電機，通過轉子串電阻方式進行多檔位切換進行調速。由于電器控制系統先天不足，經過多年的運行，經常出現故障停車，嚴重影響生產的正常進行。在采礦生產中，設備的安全可靠運行顯得特別重要，為提高設備的可靠性，礦用提升機的技術改造非常必要。

    變頻調速是近年來發展起來的一門新興的交流電機調速技術，利用改變被控制對象的電源頻率，可實現了交流電動機大范圍無極平滑調速，并在運行過程中能隨時根據用戶的需求調整速度，使提升機始終處于最佳運行狀態，在整個調速范圍內均有很高的效率，節能效果很明顯。采用變頻器對異步電動機進行調速控制，由于使用方便、可靠性高并且經濟效益非常明顯，所以在工業控制方面得到了廣泛應用。

 2 改造方案

    通過調研與論證，結合西北有色地質勘查局東塘子鉛鋅礦公司礦井提升的現場實際情況，最終決定對提升機實施變頻調速改造。利用在機械行業中廣泛使用的自整角機來作為控制變頻器的速度給定。自整角機是通過角位移變送器輸出模擬量信號，操作工人搬動提升機操縱桿的角度，角位移變送器輸出相應大小的模擬量信號，由此控制變頻器運行頻率，進而控制提升的運行速度。這種操作方式還可用變頻器多段速控制，提升機只能在這幾種速度下運行；而角位移變送器輸出的是連續的角位移變送器輸出模擬量信號，理論上提升機可在任意速度下運行，操作起來會方便一些，且與原操作習慣相似，操作工人容易掌握。

    自整角機選擇北京飛博爾電子有限公生產的FB900C系列角位變送器。其主要特點是：高精度：可在一圈內輸出256-65536個絕對碼，無溫漂、時漂；可以測量高達3萬圈；高可靠性：傳感器的絕對位置和可靠的軟件計圈技術，保證了其高度可靠性；且沒有光電碼盤的易損、易受干擾之缺點；自整角機使用方便：即插即用，無須調整傳感器的零位，模塊與傳感器之間只需5根線，接線方便；功能強：該變送器即可以測量角度，也可以測量位置，具有角度與位置隨意變換之功能。變送器具有的所有功能都由FB900C編程器設定。

    變頻器選用希望森蘭科技股份有限公司生產的SB70G250KW高性能矢量控制變頻器。森蘭SB70變頻器器的主要特點是：集成高精度轉子磁場定向矢量控制算法，具有250%瞬時轉矩控制能力，實現轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的精度進行寬范圍的調速運行；獨創的多模式PLC運行功能，特別適合工業制造設備等應用；實用的多段速功能：提供編碼、直接、疊加和個數選擇方式；強大的PID功能等；具備強大的編程功能，用戶可自定義內部I/O模塊；轉差補償，AVR自動穩壓功能。模擬量輸入可設置為10V，當模擬量輸入信號由正變到負時，電機運轉方向也隨之改變，反之亦然。在自整角機上設置相應的參數，使操縱桿從中心零位開始往前輸出正信號，往后輸出負信號，這會給使用上帶來方便。

    提升機變頻調速方案方框圖如圖1所示。

 
                       圖1   礦井提升機變頻調速方案

3  方案實施

    斜井提升負載特性是摩擦性位能負載，屬恒轉矩特性負載。提升機帶五個斗裝滿物料沿斜面起動上行時，電機的轉矩要克服負載阻轉力矩和摩擦力，逐漸加速到全速運行，快到井口時，要逐漸減速。為提高效率，上行加速段和減速段的時間要盡量短，上行加速的時間可適當加大矢量控制變頻器的容量來保證，由于負載重慣性大，當要求減速時間短時，上行的減速過程中有再生能量產生，會使變頻器直流側電壓升高而“過壓”，為此，需要用能耗制動單元加制動電阻或回饋單元處理再生能量；在下放過程中，提升機帶的已經是空斗了，但在快速下放的過程仍有再生能量產生，也需要處理再生能量。

    原系統電機是185kW的6極繞線式電機，在平時工作電流在280～380A，為保證安全，提升機上行或下行起動時，是要加制動的，起動完成后一瞬間再松開制動。在這種情況下運行電流有時候會超過電機額定電流，達到400多安培。變頻調速后，提升機上行或下行起動時，仍是要加制動的，變頻器輸出頻率到0.3Hz有足夠大的力矩時再松開制動。盡管0.3Hz以下電機處于堵轉狀態，但由于輸出頻率低，輸出電壓也低，電機不會過流。在生產中，裝載的物料有時可能會超載，考慮重載加速時間短，選型時變頻器容量需要加大，本例變頻器為250kW，這樣有利于電機在過載時候變頻器有足夠的過載能力。

提升機的更改分以下幾個步驟進行

    （1）變頻系統操作時和原來工頻系統在設備狀態上有所不同，在提升機控制臺上有個凸輪控制器（其作用是利用控制器的多接點當作提升機的檔位，控制接觸器，調節轉子電阻的阻值大小，對應低高速檔），除開油路部分的控制觸點以外的所有接點彈簧全部已被去掉，這樣有利于在使用角位控制時候減少操作阻力。

   （2）再將繞線式電機的轉子繞組全部短接。

   （3）利用原來的凸輪控制器，在凸輪控制器的后方軸上安裝自整角機，與凸輪控制器的中心軸同心，這樣就利用原來的上升和下放的操作方式。對應凸輪控制器的正負角度，分別角度是108度和-108度，自整角機把這個角位信號以脈沖形式送給角位變送器，角位變送器再根據正負角度對應輸出正108度與負108度時的正10伏和負10V的模擬電壓信號，變頻器接收正負10伏作為正反轉運行信號。

   （4）利用原凸輪控制器控制制動油路系統，在凸輪控制器上中心點到相對應兩邊第一個觸頭須使用。度過兩邊的觸點后，隨著操縱桿的推動平滑的過渡到正負108度。在操縱桿在未打到油路系統觸點時，自整角機已經識別到角位的變化，對應角位變送器就會有正負電壓的輸出，因為在油路系統未打開之前變頻器是有很低的頻率輸出（0~0.3Hz）。油路未打開剎車系統就處于制動狀態，通過變頻器內部的邏輯單元、算術單元和比較器等相關功能進行設置，過渡了兩個接觸點的清零位置，使得在操縱桿在過油路觸點時候變頻器在0.2Hz以下運行，得到非常好的控制效果。

變頻器的參數設置

    針對變頻器在本系統上的應用，對這臺變頻器設置了以下參數。

    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。

    以上為變頻器設置的基本參數，其中電動機參數欄FA-01至FA-05必須按照電機銘牌上的標示進行輸入，當輸入完電機參數后，要把F0-01設置為0；F0-02設置為0；然后把FA-00設置為11；為電機靜止自整定狀態，然后對電機進行檢測，變頻器對電機檢測完畢后將F0-01和F0-02的設置改為7和1變頻就將控制轉變為外部信號啟動和控制。

 
                      圖2   變頻器基本接線圖

工頻系統的操作

    當變頻系統出現故障時，可將該系統還原到原來的工頻系統工作，切換到工頻系統后要做的工作有以下幾方面：斷掉系統總電源后，將繞線式電機的轉子接線還原，連接工頻輸出端。然后再將絞車控制臺下方的凸輪控制器觸點彈簧全部安裝還原，這時工頻系統就恢復到未改變頻裝置之前一樣，提升機操作工可繼續按照原來工頻系統操作習慣進行控制。

4  節能計算

    目前國內各類礦山等提升機大都采用交流繞線式異步電動機轉子串電阻方式調速方案，使用交流接觸器改變轉子電阻來進行速度段的切換。對于繞線式電機，無論在起動?制動還是調速中，采用轉子串電阻方式均會帶來電能損耗。這種損耗隨著轉速的降低，轉差率S的增大而增大。繞線式電機的功率關系為：

    上式中：若S=0.5時，電磁功率就有一半的功耗消耗在轉子的電阻上，調速系統效率非常低，只有50%左右。本例中，據測算提升機有30%的時間運行在低速段，節能率在24.5%左右，經濟效益十分顯著。

并且，原系統經常故障，主要是交流接觸器觸頭頻繁閉合和斷開，容易造成觸點及線圈的燒毀，經常維護電器電部分的接觸器、電機的碳刷與機械部分的剎車裝置等。變頻調速改造后，基本上無故障，大大地減少停工損失，產生的效益也不可小視。

5  結束語

    傳統繞線式電機串電阻方式調速方式，在礦井提升機上使用較多。轉子串的電阻上消耗了大量的轉差功率，速度在越低時候消耗的轉差功率就越大，相對浪費的電能就越多。使用變頻器調速后，沒有轉差率的消耗，功率因數也有提高，節能非常顯著。變頻調速控制方案，推動了提升機電氣控制技術的進步，完全滿足吊車的軟啟動、軟停車、無沖擊、平滑調速功能，有效降低系統的能耗及機械的維護成本，延長機械的使用壽命。