大型交流提升機傳動與控制系統集成研究

大型交流提升機傳動與控制系統集成研究史更生，楊力（北京有色冶金設計研究總院，北京100038）（1100m）單臺提升機功率最大（4400kW的提升機，認真研究系統集成對優化參數、節約投資、安全可靠運行有著重要的意義。
? ? ? ?有色冶金設計研究總院電氣自動化所所長，高級工程師。
? ? ? ?厲和交1刖目銅都銅業公司冬瓜山銅礦主井提升機是北京有色冶金設計研究總院建院以來所承擔深度最深（提升高度1100m、單臺提升機功率最大4400kW）的提升機。隨著電力電子技術和計算機控制技術的發展，技術先進的發達國家對大型提升機電力傳動在二十世紀80年代末開始形成了交流傳動代替直流傳動的趨勢。1992年金川有色金屬公司二礦區西主井提升機引進了國內第一套3500kW交一交變頻器供電同步電動機傳動交流傳動系統，獲得成功。
? ? ? ?近幾年來，北京有色冶金設計研究總院電氣自動化設計研究所先后簽定了十余套提升機自動控制系統集成合同，成功地運用了以計算機控制為核心的高新技術具有保護完善、運行安全可靠、全自動運行、設備運轉率高等特點。分布于有色金屬、黃金、煤炭等行業。與此同時還開發了用于提升機全行程監控的“電子監控器”和實現提升機安全運行所必須的四種開關與電源絕緣檢查裝置等。為“大型交流提升機電氣傳動與自動控制系統集成”打下了良好的基礎，按技術開發在先的原則，針對冬瓜山主井提升機的應用為目標，進行了開發研究。
? ? ? ?2優化提升機參數的研究提升機系統，特別是對冬瓜山主井這樣一個提升量大，提升高度超過1000m的提升機，參數的確定是一個涉及多因素的系統工程。以安全可靠運行為前提，尋求最佳經濟效益為目標進行研究。
? ? ? ?2.1提升速度以交流繞線電機為主傳動的提升機為研究對象，一般被采用的合理提升速度，其計算公式為v例如：冬瓜山主井提升高度為H=1100m，因此合理22加速度在提高提升速度和發揮同步電機過載能力的條件下，加大加速度，這樣有利于縮短一個提升作業的時間，提高生產能力。在冬瓜山主井的條件下，以加速度1.Om/s2為佳。
? ? ? ?流變頻調速傳動的提升機不完全適用，因為它們在加速與減速段無電阻中的能耗，合理的提升速度還可以根據井筒結構和電動機過載能力等因素加以提高，因此可以將此數據作為直流傳動與交流變頻調速傳動提升合理速度的低值。
? ? ? ?5m直徑圈筒的多繩提升機的交一交變頻同步電機傳動為研究對像。用于提升機的交一交變頻電源頻率，根據西門子公司的經驗，在0 ~13Hz調速較為合適。而4 5m直徑多繩提升機15.896m/r當同步電機極對數為12對時，則提升機速度為17.2m/s.因此可以以此速度作為應滿足的速度。
? ? ? ?提高速度在相同的作業時間下，可以減少一次提升量，在一定頻率調節范圍內，可以降低同步電機極對數，從而降低電機造價。因此，目前對于冬瓜山主井在沒有其它條件制約的情況下，提升機將提升速度定為16 50m/s較為合理。
? ? ? ?由于這個速度值在本院以往設計的提升機系統中沒有使用過，必須總結以往的實際經驗，用改進控制技術的方法來達到應用較高速度的目的。金川有色金屬公司二礦區西主井交一交變頻調速同步電機傳動鋼繩罐道的多繩提升機為引進德國AEC公司產品，提升速度12.0m/s.在調試過程中發現以此速度運行，箕斗在進入固定罐道處與罐道碰撞嚴重，只得將速度降低至9Om/s運行。冬瓜山主井提升機同樣采用鋼繩罐道，可以采取改進控制技術避免出現同類問題。在采用軸編碼器作為提升距離控制的計算機控制系統中，可以改進提升機速度控制（使箕斗進入固定罐道的速度低于產生嚴重碰撞的速度）其速度見。
? ? ? ?2.3提升作業時間現代提升機系統中機械方面在不斷改進，大型提升機采用了不經減速機的直聯傳動方式，簡化了傳動系統，用滾動軸承代替了滑動軸承，簡化了潤滑系統；凡此種改進，提高了提升機機械的可靠性，減少了維護時間。
? ? ? ?由于計算機控制系統和電力電子裝置（變流器、變頻器）的成功應用，控制系統的可靠性更是原有的電控設備所不能比擬的，其維護工作95%是對開關與線路的維護與檢修。集成系統將各類開關縮減到最低的限度，并采用高可靠性的開關。綜合上述理由，現代提升機的整體設備運轉率可超過95%，大型提升機每班運行時間完全可以達到或超過以往設計中多采用的65小時。安慶銅礦、金川龍首新1主井提升機的實踐證明了可采用的6 5h/班的運行時間。
? ? ? ?2.4有效載重冬瓜山主井設計的日提升量13000t，年運行300天，每天3班。以本文上述的提升速度16.5m/s、加速度1.Om/s2多階段速度圖、作業時間6.5h/班、有效載重22t（―次提升量）；作業時間6.0h/班、有效載重24t.如果采用這些優化的參數，可以用4繩（繩徑40mm）卷銅直徑45m的多繩提升機來裝備冬瓜山主井。這樣，將帶來良好的經濟效益。表現為：一次提升量為22t（6.5h/班）或24小時（6.0h/班）可使用4X4多繩提升機，而且由于受力的降低和改善，在提高提升機機械可靠性的同時還降低了造價。
? ? ? ?由于降低了一次提升量和提高了速度，使同步電機的定子電流降低、極對數減少，同樣提高了電動機的可靠性與降低造價，這一結果又為變頻器的選用和控制創造了良好的條件。一次提升量降低，采用4X 4多繩提升機，也使井塔造價降低。由此可見進行參數優化可以實現在安全可靠的前提下，實現良好的經濟效益。
? ? ? ?3變頻器應用研究作為系統集成的研究，把變頻器作為系統中一個標準件來研究，即將變頻器制造商已經標準化的產品，視為系統集成的一個標準件，研究如何正確應用此標準件，正常發揮此標準件的能力或挖掘其潛能，抑制其不利的一面。
? ? ? ?Shing！此前應用于大型交流傳動提升/機的變頻器，無一例外地使用交一交直變頻的變頻器，其主要特點是功率柜采用已有長時間使用經驗的四象限運行的晶閘管變流器，應用于同步電機，應用計算機控制，且控制技術成熟，應用的上限頻率較低，目前使用的多數在15Hz以下；電源側產生諧波且功率因數較低，需電容器補償；工作電壓較低，一般不超過1500V.近幾年交直交間接變頻器在向中壓規格（6kV，）發展過程中，開發了一種開關頻率略低于IGBT，而容量又與GTO接近的大功率可關斷IGCT器件。GE、ABB制造商將此器件應用于交一直一交中壓變頻器中，電源側和負載側均采用IGCT器件，應用電壓疊加原理構成中壓，雙側均可控，四象限運行，并調制出理想的正弦波和高的功率因數，可以應用于標準的同步電動機或異步電動機。
? ? ? ?電源側不需電容器補償和諧波吸收裝置。制造商均把此類產品作為將要取代交一交變頻器的替代器；但由于IGCT器件尚屬新產品，價格高，且運行經驗不足，另外其雖然在控制技術上做了重大改進，均宣稱可以從0Hz開始往上調速，但它仍然沒有完全擺脫交一直一交變頻器適用于頻率較高的特點，有些公司的產品推薦25Hz較為理想，有些公司的產品推薦在提升機可使用15Hz.對上述兩種可以在大型交流提升機系統集成中使用的變頻器分析的結果，冬瓜山主井的大型交流提升機的變頻器仍然以交一交變頻器為好。
4主控制計算機應用研究先進的提升機控制系統首選計算機控制，而主控計算機多是由具有中等規模的可編程序控制器（PLC）來完成。國內礦山引進的提升機的主控制計算機（PLC）有多種型號：ABB公司的MP―200（早期）和AC―100（近期）、西門子公司的S5―115（早期）和S7―400（近期）、GE公司的90―70系列。其115已分別被ABB公司和西門子公司的新型號所替代。
? ? ? ?研究這些產品以后，認為各有其特點，其控制性能和可靠性均能滿足提升機控制要求，但有一個共同特點是這些提升機電力傳動與控制系統的集成商均采用本公司的PLC產品作為提升機的主控制計算機。而北京有色冶金設計研究總院電氣自動化設計研究所作為提升機電力傳動與控制系統集成商，不受此條規律的限制。
? ? ? ?電氣自動化設計研究所在最近幾年十余套直流傳動提升機電力傳動與控制系統集成中，使用了TI一545作為提升機的主控制計算機，經實踐證明優點較多。
? ? ? ?硬件可靠。該PLC在礦熱電爐多灰塵、腐蝕性氣體、強電磁場干擾下以及井下多灰、潮濕條件下硬件可靠地運行，使用時間已超過四年，沒有任何硬件損壞。
? ? ? ?浮點運算能力強。提升機電子監控器已應用到提升機控制系統，而且主控計算機與電子監控器對提升過程進行包括起動、等速、全行程監控，并實現有兩套完整的獨立保護裝置，這樣，浮點運算能力強就為實現此要求創造了很好的條件。
? ? ? ?遠程通訊能力適合提升機控制系統的要求。
以主井為例，裝卸載站的控制與提升機主控系統是一個緊密的控制系統，但距離較遠，特別是裝載站（冬瓜山主井為1100m）采用遠程子站的方式較為合理。TI一545的主PLC與遠程子站的通訊接口可靠，用對絞屏弊雙絞線電纜即能滿足通訊要求。由于主井的控制電纜包括計算機通訊電纜只能敷設在井筒中，在實際中有多個礦井的控制電纜（如安慶銅礦）容易受到漏下礦石或其它雜物的打擊而損壞。而TI一545的通訊電纜可以采用鋼絲鎧裝的屏弊雙絞線電纜，大大提高了通訊電纜的可靠性。
? ? ? ?端子接線方便。可以將符合柜內的配線和直接配向現場的導線直接連接到I/O端子上，不需在框內轉接，提高了模擬和頻率信號的可靠性，這對于高安全要求的提升機相當重要的。許多PLC廠商的統計資料說明PLC中CPU和I/O模塊本身的故障率很低，控制系統的故障99%以上出現在現場一次檢測元件及其布線上，實踐也證明了這點。因此端子接線的方便和可靠與否是影響主控制計算機可靠性的一個重要因素。
5結論綜上所述，冬瓜山提升機的優化方案應是：同步電機交一交變頻加計算機控制系統，理想速度應是16. 5m/s，加速度應在1. 0m/s2，作業時間6小時，一次提升24t。