第２５卷第４期 大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．２５。Ｎｏ．．１ ２００８年１ １月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ＮＯＶ．．２００８ 矿井提升机数字化变频调速系统的实现 马瑞军 ，申红军 ，张 勇。，庞晓虹 （１．工业高等专科学校电气与信息工程系．乌鲁木齐８３００９１； ２．煤矿机械有限公司，乌鲁木齐８３００００） 摘 要：阐述研发新型ＫＴＤＣ－－ＢＰ矿井提升机数字化变频调速系统的必要性，介绍该系统配置及实现的控制 功能、特点．在玛纳斯县兴达煤矿试验应用表明，该系统安全可靠、经济效益和社会效益显著． 关键词：矿井提升机；变频调速；柔性控制 中国分类号：ＴＭ９２１．５１ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００—２８３９（２００８）０４—０４８４—０，１ Ｍｉｎｅ Ｈｏｉｓｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｐｅｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ａｃｈｉｅｖｅｄ ＭＡ Ｒｕｉ—ｊｕｎ，ＳＨＥＮ Ｈｏｎｇ—ｊｕｎ，ＺＨ０ＮＧ Ｙｏｎｇ，ＰＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｈｏｎｇ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ．Ｕｒｕｍｑｉ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３００９１．Ｃｈｉｎａ； ２．Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．Ｌｔｄ．Ｕｒｕｍｑｉ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ ８３００９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｎｅｗ ＫＴＤＣ—ＢＰ ｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌｍｉｎｅ Ｍａｎａｓｉ Ｘｉｎｄａ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｓａｆｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ． ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｈａｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｓｏｃｉａｌ ｅｆｆｅｃｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｎｅ ｈｏｉｓｔ，Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ０ 引 言 矿井提升机是煤矿生产过程中的重要设备．提升机的安全、可靠运行，直接关系到煤矿企业的生产 状况和经济效益．玛纳斯兴达煤矿，采用斜井混合提升，这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动、减 速制动，而且电机的转速按一定规律变化．斜井提升机的机械结构示意如图１所示．斜井提升机的动力由 鼠龙式三相异步电动机提供．提升机的基本参数是：电机功率１３２ｋＷ，卷筒直径１ ６００ｍｍ，减速器减速比 ２４：１，最高运行速度２．５ｍ／ｓ，设计为两水平提升，钢丝绳长度将为６８０ｍ，当前拟开采一水平，钢丝绳长 度为３８０ｍ． 目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调 速系统，电阻的投切用继电器一交流接触器控制．这种控制系统由于洞速过程中交流接触器动作频繁， 设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障．另外，提升机在减速和爬行阶段的速度 控制性能较差，经常会造成停车位置不准确．提升机频繁的起动、调速和制动，在转子外电路所串电阻上 产生相当大的功耗．这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械 特性较软，静差率较大；电阻上消耗的转差功率大，节能较差；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大； 中高速运行震动大，安全性较差，接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成 本较高等问题． １矿井提升机数字化变频控制系统方案 针对传统的绕线式异步电动机转子串电阻调速的电气控制系统存在的问题，我们开发研制了以ＰＩ ｃ ・收稿日期：２００８—０５・２３ 基金项目：维吾尔自治区高校科研项目资助（ＸＪＥＤＵ２００ １１３７） 作者简介：马瑞军（１９６２－）．男，硕士，剐教授；目前主要从事自动控制技术及其应用、信息处理技术的研究，电力系统 的稳定与控制、煤矿综合自动化系统方面的研究． 第４期 马瑞军，等：矿井提升机数字化变频调速系统的实现 ４８５ 为核心的ＫＴＤＣ—ＢＰ矿井提升机数字化变频控制系统．控制系统选用三菱ＦＸ。ｓＰＩ Ｃ，主要由ＣＰＵ、输入单 元、输出模单元、通信接口、扩展接口、电源等组成．主要的控制功能有：主令操作控制、保护监视控制． 对再生能量的处理，可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案．该控制系统 具有电机软启动，无级调速，启动力矩大，带负荷能力强，元冲击，加、减速过程平稳，操作灵活而平稳等 优点，极大地提高了主井提升机运转平稳的可靠性，同时具有三级制动及完善的后备保护．具有实现全 速、满载、全自动的十分理想的控制模式以及柔性控制方式，具有安全可靠，经济效益和社会效益显著的 特点．矿井提升机变频调速方案如图２所示． ＾ｃ：删 圆盎齿轮传动机构 成速器 ｔ 卷筒 × ］Ｂ × Ⅱ口 制动器 图１提升机卷简机械传动系统结构示意图 图２矿井提升机变频调这方累 玛纳斯兴达煤矿选用四川矿山机械有限公司ＪＴＰ一１．６Ｘ１．５／２４绞车，配套６极１３２ｋｗ三相鼠笼式异 步电动机，其特点比绕线式电动机的价格便宜，且维护方便．提升机在运行过程中，井下和井口必须用信 号进行联络，信号未经确认，提升机不能运行．为显示运行时车厢的位置，使用Ｅ６Ｃ２一ＣｗＺ６Ｃ １ ０００Ｐ旋 转编码器，即滚筒旋转１圈旋转编码器产生１ ０００个脉冲，这样每个脉冲对应车厢走过的距离为ｌ ６００７／ １ ０００－－５．０２６ ５５ｍｍ．与实际距离的误差值为０．００６５ｍｍ，卷筒运行一圈误差为０．００６５×１ ０００＝６．５ｍｍ， 已知钢丝绳长度为３８０ｍ，如果两个脉冲对应车厢走过的距离用近似值５．０２ｍｍ计算，３８０ｍ全程误差为 ６．５×３８０ ｏｏｏ／１ ６００７＝４９１ｍｍ，再考虑到实际检测过程中有一个脉冲的误差，则最大的误差在４９４．５ｒａｍ ～４９７．５ｍｍ之间，对于窜车来说误差范围不到０．５米，精度足够．因此，用计数器实时统计旋转编码器发 出的脉冲个数，则可计算出矿车的位置并用显示器显示．关于计数过程中的累计误差的处理，在实际检 测时，在一个提升过程开始前，首先将计数器复位，第一个矿车经过某个位置时，打开计数器计数，矿车 在斜井中的位置以此点为基准计算，没有累计误差．在操作台上，用ｓｗＰ—ＡＣ系列智能型交流电压／电 流数字仪表显示交流电压和电机工作电流，用智能型数字仪表显示提升次数和车厢的位置． ２方案实施 斜井提升负载是典型的摩擦性负载，即恒转矩特性负载．矿车上行时，电机的电磁转矩必须克服负 载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩擦力矩，电机处于电动工作状态，且工作于第一象限．在矿车减速 时，虽然矿车在斜井面上有一向下的分力，但矿车的减速时闻较短，电机仍会处于再生状态，工作于第二 象限．矿车下行时，电机纯粹处于第二或第四象限，此时电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的 制动．用能耗制动方式必将消耗大量的电能；用回馈制动方式，可节省这部分电能．但是，回馈制动单元 的价格较高，为此选用价格低廉的能耗制动单元加能耗电阻的制动方案． 提升机的负载特性为恒转矩位能负载。起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，因此，选用西 门子ＭＭ４４０ １６０ｋＷ变频器．由于提升机电机绝大部分时间都处于电动状态，仅在少数时间有再生能量 产生，变频器接人一制动单元和制动电阻，就可以满足重车下行时的再生制动，实现平稳的下行．井 口还 ４８６ 大学学报（自然科学版） ２００８链 有一个液压机械制动器，类似电磁抱闸，此制动器用于矿车静止时的制动，特别是矿车停在斜井的斜坡 上，必须有液压机械制动器制动．液压机械制动器受ＰＩ Ｃ和变频器共同控制，机械制动是否制动受变频 器频率到达端口的控制，起动时当变频器的输出频率达到设定值，例如０．２Ｈｚ，变频器１２、１３端口输出信 号，表示电机转矩已足够大，打开液压机械制动器，矿车可上行；减速过程中，当变频器的频率下降到０．２ Ｈｚ时，表示电机转矩已较小，液压机械制动器制动停车．紧急情况时，按下紧急停车按钮，变频器能耗制 动和液压机械制动器同时起作用，使提升机在尽量短的时间内停车． 提升机传统的操作方式为，操作工人坐在煤矿井口操作台前．手握操纵杆控制电机正、反转各５挡速 度．为适应操作工人这种操作方式， 变频器采用无极速度设置，利用自 Ｌｌ 卜—— Ｊｕ＾ —三三卜Ｆｕ Ｒ Ｕ 己研发的操纵手柄，实现正反转各５ Ｌ２ 卜——— 三三卜＿ Ｓ Ｖ 挡速度．变频器可以输出频率可调 Ｌ３ ＼ｌ——— 三三卜 Ｔ ０ 重 ｗ ０ 的交流电源，在变频器的控制输入 型 ＤＩＮ１ ０ １２ 回路中接入频率设定电路，本系统 中通过ＰＩ Ｃ输出电流信号（４～ 型 竺 刚ｚＤＩＮ３ 圣 ＤＩＮ４ ２０ｍＡ）来控制变频器的频率．另外 在变频器的外围加设有声光报警输 墓 出口及制动单元，能够实现变频器 ４～２０ｍＡ ＩＮ 一 ３ ———— ４ 故障报警和安全制动，更有效的对 控制系统进行安全保护，变频调速 原理图如图３所示． 图３变频调速原理图 变频器的参数设置如下：Ｐ１０００＝７；Ｐ０７００＝２；Ｐ０７０１—１；Ｐ０７０２—１２；Ｐ０７５６—２；Ｐ０７５７—４；Ｐ０７５９— ２０￣Ｐ０７７１＝２１；ＤＩＰ置ＯＮ；其余按出厂设置．以上设置的意义请参见ＳＩＥＭＥＮＳ ＭＭ４４ｕ系列变频器用户 手册． ｆ ３提升机工作过程 ６ 采用提升机数字化变频调速系统后，系统 毛 的工作过程平稳的变化．操纵杆控制电机正五 挡速度，反转五段 度．不管电机正转还是反 转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电机工作 ． 在正转和反转电动状态，只有在矿车快接近井 口时，需要减速并制动，提升机工作时序图如图 图４提升机工作时序图 ４所示． 图４中，提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速 运行、制动停车等七个阶段．每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及斜井的深度有关，各段 加速度的大小，根据工艺情况确定，运行的时间由操作工人根据现场的状况自定．图中各个阶段的工作情 况说明如下： （１）第一阶段０～ｔ ：矿车在井底工作面装满煤后，发一个联络信号给井口提升机操作工人，操作工人 在回复一个信号到井底，然后开机提升，矿车从井底开始上行． （２）第二阶段ｔ ～ｔ。：矿车起动后，加速到变频器的频率为厂２的速度运行，中速运行的时间较短，只是 一过渡段，ＰＩ Ｃ通过传感器等外部控制信号判断是否有深度指示器失效、油路系统故障等，加速时间内设 备如果没有问题，ＰＬＣ输出电流信号给变频器，立即再加速到正常运行速度． （３）第三阶段ｆ２～ｔ３：再加速段． （４）第四阶段ｌｓ～ｔ ：矿车以变频器频率为厂３的最大速度稳定运行，一般，这段过程最长． （５）第五阶段ｆ ～ｔ。：操作工人看到矿车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动 第４期 马瑞军，等：矿井提升机数字化变频调速系统的实现 ４８７ 单元和制动电阻起作用，不致因减速过快跳闸． （６）第六阶段ｔ ～ｔ ：矿车减速到低速以变频器频率为 ，的速度低速爬行，便于在规定的位置停车． （７）第七阶段 ～ｔ ：快到停车位置时，变频器立即停车，矿车减速到零，操作工人发一个联络信号到 井下，整个提升过程结束． 以上为人工操作程序，也可按ＰＩ Ｃ自动操作程序工作．图中加速和减速段的时间均在操作台的触摸 屏上设置． ４ 结 语 绕线式电机转子串电阻调速，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率越大．使用变频 调速，是一种不耗能的高效的调速方式．提升机绝大部分时间都处在电动状态，节能十分显著，经测算节能 ２Ｏ 以上、取得了很好的经济效益．另外，提升机变频调速后，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提 高，减少了运行故障和停工工时，节省了人力和物力，提高了提升能力，间接的经济效益也很可观． 参考文献： ［１］西门子电气传动有限公司．西门子变频器ＭＩＣＲ０ＭＡＳＴＥＲ４４Ｏ用户手册，２００７． １－２３韩安荣．通用变频器及其应用（第二版）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００６． Ｅ３３魏召刚等．工业变频器原理及应用ＥＭ３．北京：电子工业出版社。２００６． 责任编辑：闫新云 （Ｉ－授第４８３页） 在城市土地利用上不可避免地存在一些问题，因此，对城市土地持续利用及其评价的研究，也有其特殊性， 而且需要进一步探讨与研究．（３）土地可持续利用评价的最终目的不仅仅是确立特定区域土地可持续利用 状况如何，更重要的是根据土地可持续利用状况找出障碍因素，进而提出具有针对性的管理措施，促进城 市土地可持续利用水平的提高．（４）指标体系是动态的，城市发展是具有阶段性的，涉及的影响因素应该是 复杂多变的，本文选取的２２个因素，所得结果也是初步尝试的，今后运用时，评价标准须随时间变化而进 行调整应更为合理． 参考文献： ［１］Ｌｕｏ Ｇｅｐｉｎｇ・Ｃｈｅｎ Ｘｉ，Ｚｈｏｕ Ｋｅｆａ，ｅｔ ａ１．Ｔｅｍｐｏｒａｌ ａｎｄ Ｓｐａｔｉａｌ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｏａｓｉｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｅｎｇｏｎｇ Ｒｉｖｅｒ Ｗａｔｅｒｓｈｅｄ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ，ＣｈｉｎａＥＪ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ ｉｎ Ｃｈｉｎａ（Ｓｅｒｉｅｓ Ｄ），２００３．４６（１）：６２ ７３． Ｅ２３唐华俊，陈佑启，伊・范朗斯特．中国土地资源可持续利用的理论与实践［Ｍ］．北京：中国农业科技出版社，２０００． ［３］徐建华．现代地理学中的数学方法［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４． Ｅ４］于开芹，边微。常明。李新举．城市土地可持续利用评价指标体系的构建原理与方法研究０３．西北农林科技大学学报。 ２００４，３２（３）：５９．６４． Ｅ５３袁丽丽．城市土地可持续利用评价研究［Ｊ］．咸宁学院学报，２００６，２６（３）：２２—２４． Ｅ６３任平，周介铭，何伟．蒋贵国．城市土地可持续利用评价方法研究［Ｊ］．四川师范大学学报。２００５，２８（６）：７３７－７４０． 责任编辑：闷新云
