湖南宝山铅锌银矿副井绞车变频改造方案

一、 前 言
湖南宝山铅锌银矿副井卷扬机提升设备采用绕线电机串电阻调速。这套装置存在着很多缺陷，例如故障率高、维护费用高、运行效率低、噪音大，制约生产发展等。为了提高生产装备技术水平，提高生产能力，针对现副井，提出了改造要求，由长沙海特电子自控科技有限公司和烟台惠丰电子有限公司作出卷扬机变频操控系统方案。
变频调速是目前交流异步电动机最理想的调速方式，它模拟直流电机的调速方法，并考虑了电动机动态性能要求，具有无级调速、响应迅速、运行平稳、控制灵活等特点，广泛应用于各个领域。
“卷扬机变频操控系统”由变频柜、泄放单元、泄放电阻、操控台等组成，整套系统体积小、重量轻、操作使用方便可靠，并且完全沿用矿山设备的操作习惯。事实上，单从系统外观上看，新系统比原系统就有很大的优越性：原系统共有四个电控柜或电阻柜和一个操控台，而“卷扬机变频操控系统”只有一个变频控制柜和一个操控台。
副井卷扬机电机为115KW，考虑到负载的特殊性和系统可靠性注1，在设计中，“卷扬机变频操控系统”选用了160KW变频器，泄放单元和泄放电阻的作用主要是泄放电机所产生的再生能量。变频系统本身带有软制动，为了安全起见，继续应用了原系统的液压抱闸装置，作为安全保障。
变频调速器是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，可以达到0~400HZ。频率调节精度为0.01HZ，基本上实现了无级调速。所以，采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。并且，变频器提高了输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。另一方面，变频器还可通过软件，很方便地改变输出转矩（即调整转矩补偿曲线）和加减速时间、目标频率、上下限频率等。它还具有强大的兼容功能，通过微型键盘终端调用内部功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置（修改）和动态调速。通常，变频器可通过键盘操作，也可通过端子排控制，还可通过PLC进行多段速度控制。外控信号可以是电压，也可以是电流，还可通过编码器进行数字控制。
“卷扬机变频操控系统”的创新点之一就是在卷扬机系统中采用了泄放单元，该装置包括开关电源、电压采样与处理电路、脉冲信号发生与触发电路、保护电路、IGBT驱动电路及IGBT功率模块等。装置外设调节旋纽，可用来调节泄放的阀值电压和泄放速度。装置分别与变频器和泄放电阻连接。其中泄放电阻的大小直接影响泄放速度。
“卷扬机变频操控系统”的另一技术创新点就是在变频器内部设置了“PLC”功能，从而可以灵活控制液压抱闸装置，使之完成放开、抱闸和适度抱闸等不同操作功能。此处，液压抱闸装置为原系统所用，其机械可靠性早已得到证实。
操控台在外观上保持了原来风格，但内部控制系统和外部指示均为全新设计。操作继续沿用以前习惯，主令开关手柄改为无级调速手柄，用于动态调速。另外，加设了“紧急制动”按钮和“非常制动”按钮，以提高制动的可靠性。一般地，当变频器发生故障时，系统自动输出异常信号，控制系统安全抱闸。如果自动抱闸线路出现故障而不能准确执行功能时，操作“紧急制动”按钮可以紧急制动；如果“紧急制动”功能也失效，则可起用“非常制动”，按下该按钮，即可切断接触器线圈的控制电源，直接启动抱闸装置，从而达到最可靠的制动。
总之，“卷扬机变频操控系统”具有很高的技术含量和很好的技术优势，这主要体现在：
1.实现了电动机的软启动。
2.实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电机转速。
3.运行平稳，无转差冲击，延长了机械系统的使用寿命。
4.响应迅速，控制灵活，便于实现集中控制和系统集成。
5.集信号处理、运行控制、电子制动、机械制动、安全保护为一体，提高了设备的整体功能。
6.操作直观简便，驾驭轻松自如。
7.节能率高。
该系统于2002年4月首次在金蟾山金矿安装调试，同期经过矿旗两级验收，并正式投入使用，到鉴定之日已经安全无故障运行至今。
二、原卷扬提升机系统简介
原卷扬机系统主要由主轴装置、减速机、绕线式电机、盘形闸、液压站、深度指示器、天轮、配重、井架、电源柜、加速控制柜、动力制动柜、电阻柜等组成。该系统在我国各矿区被普遍采用。
该矿卷扬提升机是关键的采矿设备，对安全性要求特别高，而对设备的效率、操作性以及自动化程度几乎没有要求。一般地，一种证明安全可靠的设备在矿山使用后，是轻易不会更换和改造的。原卷扬机系统就是这样，几十年来被普遍使用，原卷扬系统迫切需要改造。
然而，原系统由于技术落后、辅助环节多、故障点多，其动态性能差、调速不平稳，并且经常发生诸如电阻烧毁、接触器烧毁、可控硅损坏等问题，给生产和维护带来很大困难。据矿主管领导和操作工介绍，该套系统故障率和维修费用都很高，更重要的是由于经常维修，影响正常生产，给企业造成很大损失。

1.原卷扬机系统概述
原卷扬机系统的工作原理是通过改变电动机正反转来实现罐笼上升与下降，而速度的改变则靠改变串入绕线式电机转子的电阻来实现的。其优点主要表现在机械抱闸制动方面。该抱闸装置控制方便，在长期使用中性能稳定，安全性很高。
这套系统的缺点也是明显的，主要表现在系统组成复杂，体积庞大、操作复杂、故障率较高。从实际系统中我们可以清楚地看到，各单元、各元件之间的连线达数百条；电阻器频繁烧毁，电机铜头、刷架、电刷等经常出现故障等。另外，由于控制系统繁琐，给检修维护带来很大困难，也是该系统的主要缺点之一。
从系统运行情况，我们不难看出，原卷扬机系统为有级调速，动态速度变化不平稳、调速范围小，对罐难度很大，操作不易掌握，尤其是运行不稳增加了设备磨损。另一方面，当系统低速运行时，电机的转差率大，相应的转差功率完全转化为热量消耗掉。所以，该系统只是一种低效率、高消耗的调速装置。
我们知道，对于交流电机调速来说，改变电源电压、电源频率或电机的极对数均可改变电机转速。而对于原系统，电机极数和施加于定子侧的电源频率均不变，因此，电机的同步转速也不变，所谓调速，实际是通过串联电阻改变定子绕组上的电压，这就使电气传动的稳态调速精度大大降低；同时，由于串入电机转子回路的电阻阻值不能无级变化，所以无法实现平滑调速。
我们还应注意的一点是原系统即使在再生能量回馈状态下仍然消耗大量的电网电能，例如，空罐上升时，电机处于发电状态，所产生的再生电能全部消耗在电阻上，并且由于系统处于制动状态，串入的电阻同样消耗大量的电能。这就是该系统的致命缺点之一。
2.原卷扬机系统组成
该系统包括卷扬机、罐笼、配重、主动电机、油泵站、液压机械抱闸装置、电源柜、加速控制柜、电阻柜、动力制动柜、操控台等，如图2－1所示。其中，液压机械抱闸装置在失电状态下处于完全抱紧（制动）状态注1，旋转操纵杆，控制自整角机（即旋转变压器）两轴的转角差，从而改变自整角机输出电压。此电压经整流后加在电磁阀上调节油路上电磁控制阀的开启程度，并由此控制抱闸力的大小。当操纵杆推到最大（约直流20V）时，抱闸完全放开（即盘闸处于自由状态）；当操纵杆推到某一位置（约DC7V）时，系统处于临界制动状态注2。

3.原卷扬机系统工作原理
如图2－1所示，卷扬机通过钢丝绳分别承吊罐笼和配重，配重约1.2T，空罐笼约0.4T，矿井深400m多。罐笼上升的时候，配重处于下降过程，二者运行方向永远相反。
通常，罐笼下降时不载重物（有时承载工具或工人），而在提升罐笼时，罐笼装载物体（有时是空罐笼）。也就是说，配重上升时电机负载较大（空罐笼），配重下降时电机负载较小（载重罐笼）。但有时配重下降时，所提升的罐笼也未装载重物，因此，电机处于很强的发电状态。图中所示机械抱闸在前文已做简要说明。
卷扬机系统控制罐笼升降，在响应各中段信号后，还应准确对罐。因此，电机转速必须可调节、制动必须可靠、起动必须迅速平稳。而原系统除了制动外，其他各项均不理想。
系统的动力配置注1为一台115KW的10级绕线转子串级调速交流异步电动机，有级调速，即通过主令开关改变转子回路串入不同数值可调电阻，从而获得电机的不同机械特性，从而改变电机转速，这种调速方式简单，曾被广泛应用。
4.原卷扬机系统优缺点
原系统的优点主要表现在机械抱闸（制动）方面。该抱闸装置设计巧妙，可靠性高，在长期使用中性能稳定、反映灵敏，并且操作简单，便于连接系统。
而原系统采用的调速方式比较落后，整个电源、控制系统包括三个大型低压电器柜和一个电阻柜，控制相当复杂，发生故障的环节较多。况且，可控硅斩波环节本身的故障率就很高，增加了系统维护的压力。另外，控制系统复杂、检修困难、维修成本高、调速范围小、调速不平稳。从节能方面考虑，卷扬机系统属于恒转矩性质负载，罐笼低速运行时，电机转差功率大，而这些转差功率全部转化为热量消耗掉了。所以原调速方式属于低效率调速方式，能耗大，低速运行时能量消耗在电阻上；由于电机极对数与施加于其定子侧的电压频率都不变，所以电机的同步转速或理想空载转速也不变，这样电机的机械特性是一族通过理想空载转速点的特性，调速时机械特性随着转子回路电阻的增大而变软，大大降低了电气传动的稳态调速精度；由于串入电机转子回路的附加电阻级数（即不能无级变化）受限，无法实现平稳调速；空罐上升时电机处于发电状态，此时同样消耗能量。这些都是该系统存在的致命缺陷。
三、副井变频卷扬操控系统
卷扬机变频操控系统采用交流电机变频调速器作为调速单元，操控台重新设计（操作方式保持原习惯），终极制动仍沿用原系统的盘闸制动。整个系统简洁明了、连接方便，可控性非常好。
1.卷扬机变频操控系统组成
宝山铅锌银矿副井选用电机115KW绕线式异步电动机，考虑卷扬机负载的特殊性，以及对原系统性能分析，故选用160KW通用变频器（型号为F1000-1600T3），附件为能耗制动单元，包括泄放控制单元（型号：BU01-0405）及泄放电阻（阻值约6Ω，功率为30KW），主要作用是消耗空放重物时产生的再生能量，另外液压系统、抱闸制动系统选用原系统，设计新的操控台，操控台沿用操作者传统习惯布局。
采用变频器控制后，整个电控系统连线十分简单，系统包括一个变频柜、一台泄放控制单元柜、一个泄放电阻柜和一个操控台，与原系统相比，体积和重量大幅度减小，而且接线非常简单，如图3－1所示。

图3－2位操控台外形，右手为调速手柄，左手柄为制动手柄。面板设置有电锁、“紧急制动”按钮、“非常制动”按钮、控制键盘等，操作使用简单直观。
变频柜、制动单元柜、泄放电阻柜等按照IP40标准设计，考虑了防腐防潮等不良环境。泄放单元面板上的调节按钮可用来调节泄放速度，指示灯分别指示电源和工作状态。上述三个柜子都为立式结构，其功能完全按照工作需要设计。
2.使用变频器控制的卷扬机系统方案
通过对原卷扬机系统的分析和采用变频器控制卷扬机的模拟试验，我们提出如图3－4所示的实用性方案。
该方案尤其在安全性方面采取了多重保护，在软制动（泄放制动）基础上将原系统使用的液压抱闸装置作为主要制动手段，并对其进行自动抱闸、适度抱闸和完全抱闸等操作，使系统在工作的全过程均有安全保障。

3.方案简介
4.图3－4中液压系统和机械抱闸装置（包括油泵站、电动阀、管道、抱闸机构及控制电路等）均为原系统所用，这样做主要是为保证卷扬机系统的安全性。泄放单元采用与变频器逆变单元功率模块同规格的开关件，以保证系统有足够的泄放容量；而泄放电阻则采用6Ω/30KW无感电阻，以保证系统有足够的泄放速度。操纵台做了重新设计，操作习惯仍旧保持原来风格。主令开关手柄改为无级调速手柄，用于动态调速，另加设了紧急制动按钮；当变频器发生故障注1时，系统自动输出异常信号，控制系统完全抱闸，如果自动抱闸线路出现故障而不能准确执行功能时，操作该按钮可以紧急制动；如果紧急制动也失效时，还有一级保护，即“非常制动”。按下“非常制动”按钮即断开接触器线圈供电，从而切断机械抱闸系统的电源，达到最可靠的制动。同时接触器辅助常闭触点短接BX、CM，变频器自由停车无输出。此处，刀闸“B”只是功能表征，实际采用接触器实现。
自动抱闸和紧急制动抱闸时，操纵台面板上的“抱闸指示”灯亮，给出灯光信号。此时，若系统未确实制动，可进行“非常制动”。
常开触点J4为控制抱闸回路的总开关，所画变压器实际上是自整角控制电机，旋转制动手柄改变两轴之间相位角，次级输出电压从0V到最大电压之间发生变化，经整流、限流电阻限流后加到电磁阀上，从而改变抱闸力的大小。当电机处于发电状态下，当泄放制动单元开始工作时J3继电器闭合，经电阻串联分压后加到电磁阀上，使系统适度抱闸，增加一定的阻力减缓下降速度，这只用于“空罐下配重”期间以及变频器减速时间短时减速。当然，泄放阻尼开关置于“关”位置可取消该功能。
“&1”只表示一种逻辑关系，其输出用来控制继电器J4的线圈，起到自动制动的作用。“&2”的输出用来启动弱阻尼电路，即控制J3继电器的线圈。
为避免对变频器、泄放制动单元造成干扰，有关信号控制线均采用光电隔离器件隔离。操控台电源加装高性能电源滤波器，控制板采用高电压（12V）电源同样是为了提高系统抗干扰能力。启动时当变频器输出小于某一频率F0（例如2HZ，此频率值可调），抱闸系统继续抱紧。因为变频器在启动时输出转矩较小，不足以克服重力，否则就会遭成罐体下掉。操控台配有电锁，当操作者离岗时锁定的同时切断电源，避免其它非操作人员误操作。
调速手柄实际上控制着电位器“W”中间抽头位置，手柄在不同位置输出不同电压，假设在中间位置时表示“0”位置，即VW＝2.5V时电机不运行，实际留有±0.2V死区。2.5V~5V对应变频器正转0~50HZ运行频率，输出频率随电压升高而增大，2.5V~0V对应变频器反转0~50HZ运行频率，输出频率随电压减小而增大。CPU应作不同处理。
变频器跳保护、变频器停车时，CPU立即停止发送PWM波，切断了变频器对电机能量继续传送，停车过程只有动能转换为热能，能实现T＝6S左右迅速停车。

1.泄放阻尼控制电路
泄放制动单元部分电路如下图所示，P、N是变频器直流母线电压，取自变频器外接端子，当电机处于发电状态，P、N两端之间电压必定升高，当高于某一设定值时，IC1B输出低电平，控制泄放单元工作；VR3设置电压比VR2设置电压高一档次，当PN端电压特别高（有可能泄放单元消耗能量不足于抵消发电能量，PN端电压继续升高），高于某一值时，IC1A的1脚输出低电平，光耦PC2关断，泄放单元不再工作，从而保护泄放单元（此种情况下变频器跳“OE”保护）。也就是说：V1≤Vi≤V2时，T1的E脚为低电平，PC1、T1导通。在原来回路中串入光耦PC5、PC6，PC5、PC6导通，分别控制操控台泄放指示灯和液压系统自动适度抱闸。PC1导通时，U1A（4093）的XF信号变为高电平，与“555”产生的振荡信号“与非”后驱动功率模块间歇导通，以避免泄放模块因连续工作发热而烧毁。

四、变频改造后效果分析
我们在该矿安装调试卷扬机变频操控系统后，对现场各环节包括“对罐堵转”、“紧急制动”、“载重运行”、“吊配重”、“空罐下配重”。可以达到以下效果。
1.对罐、堵转
罐笼内部底面上铺设了轨道，必须与地面上或井下各个中断的轨道对接吻合良好，才能顺利将矿车推出罐笼。这就是说，在罐笼上升到各中断附近时电机必须迅速由高速变换到低速，到位时立即停车。这要求变频器减速时间短，大约6S时能够满足要求，此时有可能出现泄放，系统适度抱闸正好满足要求。调速手柄调到中间零位时或反向过零时变频器采用自由停车方式，不再输出功率，抱闸系统立即抱闸且对变频器没有任何冲击。空罐对罐、重罐对罐均工作正常。原系统工作时，主要靠机械制动减速运行，既损耗闸片注1，又消耗电能。
F1000-1600T3变频器具有较好的低速转矩性能，在各种负载下均可很好地超低速运行。在最大载重下注2，电机可在2HZ时均匀平稳地运行。如果在3HZ时启动抱闸，使电机堵转，此时电机的堵转电流应小于37A；这比原系统的堵转电流小许多倍。
2. 紧急制动、非常制动
紧急制动、非常制动一般发生在运行中突然停电、事故等非正常情况下，但这却是系统安全的最重要指标。试验中，将变频器全速运行，然后分别按“非常制动”、“紧急制动”按钮。这样可以模拟变频器发生故障或产生保护信号时的紧急制动，同时也模拟了运行中出现其他意想不到情况需要紧急刹车的特殊案例。
由于变频器的停车方式设置为自由停车，因此在自由停车后对高速运行的电机实施紧急制动丝毫不影响变频器，即变频器不会受到任何损坏。实际应用中，紧急制动、非常制动性能均可靠、效果良好。
3.载重运行
在罐笼内装载额定重物，从井下向上吊运。在此过程中，通过变频器动态地任意改变电机运行速度，卷扬机工作状态良好，变速过程平稳、调速范围宽，并且操作简单、节省电能。
4.吊配重
吊配重是指将配重下到井底，空罐笼处于井上，然后将配重从井底吊到井上。无任何问题。
5.空罐下配重
如果配重处于井上位置，位于井底的罐笼不装载任何重物，此时要将空罐笼提上，即将配重下到井下，则由于重力加速度的影响，电机会处于强发电状态注1。
原系统在这个过程中需要全额电功率输入，并配合机械抱闸制动，消耗电能同重载时几乎一样。采用变频器控制全速运行，在整个过程中可看到泄放指示灯出现闪亮，表明电动机发出电经模块续流二极管整流后加到直流母线上，造成母线电压升高，泄放单元开始工作。试验时分别将“泄放阻尼”开关置于“开”、“关”位置，系统工作均正常。“泄放阻尼”开关打开并出现泄放时，可明显看到运动速度放缓，表明阻尼在起作用。
6.结果分析
从以上试验结果来看：
（1）空罐上升（空罐下配重）期间变频器输入电流几乎为零，此期间系统不消耗电网能量；输出电流不为零，此电流为电机发电电流倒灌入变频器。
（2）重罐下降期间变频器输入电流只有2~3A左右，此时重罐重量同配重重量相近，几乎不消耗能量。
（3）在同一运行过程中，低频（低速）时变频器输入电流小，高频（高速）时变频器输入电流大。说明低速运行时可达到节电目的。
综合以上所述，采用卷扬机变频操控系统后，在电机处于发电状态时，系统反馈能量可通过泄放单元泄放掉。总之，在工作全过程，系统或者不消耗电能，或者节能运行，平均节电率实测可达30%以上。