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摘 要：介绍了提升机转子变频调速系统的组成和系统功能，对转子变频调速工作原理及调速性能和PLC控制进行了阐述，分析了提升机应用转子变频调速系统的经济效益和社会效益，经过实践证明，具有广阔的应用前景。
关键词：变频调速；转子；PLC
东海煤矿二采区地面一段斜井提升，使用的是的是单绳缠绕式提升机，电动机为高压交流绕线式异步电动机，功率400kW，定子电压6kV，转子电压535V，电控系统为TKD电气控制系统，这种控制方式采用了大量的继电器、接触器及电阻器，控制系统复杂，故障率高，维护量大，噪声高。并且转子串电阻调速方式，不仅耗费了大量电能，而且调速性能性差，脉动大，不稳定、有冲击。这次对电控系统的更新改造，采用转子变频调速电控系统，其控制方式为“转子变频调速+双PLC冗余控制+上位机监控”。与原系统相比较，具有节能，噪音小，调速性能好，可靠性更高，维护极为方便的优点。
1 电控系统的组成
转子变频调速系统主要由操作台、变频柜、主控柜三部分组成。操作台由左、中、右三段组成。中间段装有彩色液晶体显示器及键盘。左右段的斜面部分装有各种指示仪表及指示灯，平面部分装有各种转换开关、按钮及可调闸和主令控制的操作手把，操作台内部有制动泵及润滑泵接触器、一套副PLC及接口端子。变频柜采用西门子6SE70系列变频装置，主要由整流/回馈单元和逆变单元组成。主控柜主要由一套主PLC和辅助继电器组成。继电器采用西门子3TH、施耐德系列继电器。
2 系统功能
2.1 信号闭锁打点信号通过中间继电器输入PLC，PLC根据点数实现如下闭锁：（1）“2”、“4”点：只能正向开车。（2）“3”、“5”点：只能反向开车。（3）“1”点：开车时系统不会自动停车，要停车必须由司机自行手动停车。
2.2 开车方式
该系统为手动开车，电动机的加、减速控制与一般TKD型提升机控制方法相同，便于司机操作。具体操作方法因为是用变频实现无级调速而略有变化。（1）手动开车。正常开车状态，速度可以从0～3.8m/s可调节。（2）应急开车。用在紧急开车中，应急开车将屏蔽PLC内部软过卷故障，其速度可以从0～2m/s可调节。（3）PLC应急开车。系统将屏蔽PLC内部所有故障，速度可以从0～3.8m/s可调节。（4）检修开车。主要用在检修绞车时，检修开车将屏蔽PLC内部的过卷保护。以保证其速度限制在0～0.5m/s。
2.3 安全保护
安全回路的作用是当提升系统出现异常情况时能够停止提升机运行，并防止重新起动，以防事故进一步恶化。系统设置两套安全回路，一套是主、副PLC内部程序设置的安全回路，一套是继电器安全回路。继电器安全回路独立于其它回路，直接作用于电气传动系统、闸制动系统等。安全回路双重化，独立运行互为冗余。本系统共有20项保护，其中15项作用于安全回路。
2.3.1 作用于安全回路，并发出声光报警的保护。（1）过卷保护；（2）超速保护；（3）过负荷保护；（4）欠电压保护；（5）限速保护；（6）断销保护；（7）松绳保护；（8）减速功能保护；（9）高压闭锁保护；（10）事故逆转保护；（11）信号方向闭锁；（12）踏开关保护；（13）液压站油压过压保护；（14）变频器故障保护；（15）急停开关保护。
2.3.2 不影响事故运行，但不允许下次开车，只作为开车闭锁条件的保护：（1）闸间隙保护；（2）润滑站超温保护；（3）液压站超温保护；（4）润滑站过压保护；（5）润滑站欠压保护。以上5种保护不作用于安全回路，但发出声光报警。
2.4 上位机监控
上位机监控系统通过与PLC通讯采集数据实现多画面实时监控，多参量数码及曲线显示和记录，各种故障的报警及记录。（1）基本画面，绞车正常运转时显示此画面。显示内容有：打点信号，行程，速度，电机电流，提升次数，开车方式，速度曲线，模拟显示容器运行位置动画图，以及安全保护故障显示。（2）子画面，可分页查询：故障一览，PLC-I/O监控一览，数据参数修改等子画面。（3）对于修改参数，必须通过设定的密码操作，方可进入修改子画面，以确保系统的安全运行。
3 PLC控制
采用主、副两套西门子GE90-30系列PLC可编程控制器，应用PROFIBUS-DP现场总线技术，使控制系统简化，维修方便，提高控制精度及安全可靠性。PLC包括主机架，电源模块、CPU模块，高速计数器模块，模拟量I/O模块，数字量I/O模块等，主PLC对整个系统的工作进行控制和管理，并执行正常的操作程序，接受并生成开车信号和方向信号，实现各种故障保护及闭锁。同时还具有与上位机的通讯功能。主、副PLC可实现双线制保护，对影响提升运行的关键信号（如速度、容器位置、减速、过卷等）均采用双重保护，互为监视，具有全行程速度和位置保护功能。
4 转子变频调速工作原理
转子变频调速是晶闸管串级调速的一种改进，如图所示，它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网，其原理如下： （1）定子绕组直接接至3～10kV电网。（2）转子绕组接400～1000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。
5 转子变频调速系统性能特点
（1）硬件结构简单，故障点少，可靠性高。转子变频调速系统的硬件电路均采用大规模和超大规模集成电路，元器件少，结构简单，故障点少，可靠性高。传统TKD系统则以分立元件为主，元器件多，线路复杂，故障点多，可靠性差。（2）可靠精度高，工作稳定性好。转子变频调速系统设有微处理器，整个控制功能与调速算法由软件完成，控制参数一经确定，就不会发生改变，所以控制精度高，工作稳定性好。而老式电控系统的控制功能与调速算法均由硬件实现，控制参数离性大，控制精度低，工作稳定性差。（3）调速性能好，无级调速。转子变频调速具有调速范围广，调速精度高，调速性能稳定，可实现无级调速。而老式电控系统的串电阻调速，它是有级调速，调速性能差，效率低，而且可靠性差。（4）能量回馈，节省电能。转子变频调速系统能够将转子馈出的功率，通过变频器返馈回电网，节电率达15%～20%。而转子串电阻调速时，转子馈出的功率以热能形式消耗在电阻上。（5）故障自诊断能力强，大大降低使用维护成本。转子变频调速系统中，硬件工作状态可以通过软件来反映，软件运行情况也可以通过硬件来监视，这样硬、软件故障可以通过指示直接反映出来，维护方便。
6 经济效益和社会效益
经济效益：（1）通过电表计量可知，原老系统平均每月电耗7万kWh。采用新系统平均每月电耗5.5万kWh，每月可省电1.5万kWh。全年可节省18kWh，按每kWh可省0.62元计算，年可节省电量约11.16万元。（2）由于采用新系统，电气元件可靠性高，易损件少，年节省材料、配件费约1.45万元。
社会效益：（1）转子变频调速系统不仅使电控系统装备水平得到提高，而且安全可靠性大大增强，保证了提升机的安全运转。（2）电控设备柜式封闭结构，PLC无触点控制，采用进口继电器，降低了噪声，减少了噪声污染，有利于环保。（3）转子变频调速精度高，性能好，平滑高效减少了传动部件间的冲击，降低了噪声，延长了设备使用寿命。（4）变频柜采用西门子6SE70，辅助继电器采用西门子3TH施耐德系列继电器，电气元件可靠性高，维护工作大大减轻。■
作者简介：张继福（1979-），2000年毕业于黑龙江省煤炭工业学校机电专业，现任东海矿机运管理科主任工程师，一直从事机运技术管理工作。
关键词：变频调速；转子；PLC
东海煤矿二采区地面一段斜井提升，使用的是的是单绳缠绕式提升机，电动机为高压交流绕线式异步电动机，功率400kW，定子电压6kV，转子电压535V，电控系统为TKD电气控制系统，这种控制方式采用了大量的继电器、接触器及电阻器，控制系统复杂，故障率高，维护量大，噪声高。并且转子串电阻调速方式，不仅耗费了大量电能，而且调速性能性差，脉动大，不稳定、有冲击。这次对电控系统的更新改造，采用转子变频调速电控系统，其控制方式为“转子变频调速+双PLC冗余控制+上位机监控”。与原系统相比较，具有节能，噪音小，调速性能好，可靠性更高，维护极为方便的优点。
1 电控系统的组成
转子变频调速系统主要由操作台、变频柜、主控柜三部分组成。操作台由左、中、右三段组成。中间段装有彩色液晶体显示器及键盘。左右段的斜面部分装有各种指示仪表及指示灯，平面部分装有各种转换开关、按钮及可调闸和主令控制的操作手把，操作台内部有制动泵及润滑泵接触器、一套副PLC及接口端子。变频柜采用西门子6SE70系列变频装置，主要由整流/回馈单元和逆变单元组成。主控柜主要由一套主PLC和辅助继电器组成。继电器采用西门子3TH、施耐德系列继电器。
2 系统功能
2.1 信号闭锁打点信号通过中间继电器输入PLC，PLC根据点数实现如下闭锁：（1）“2”、“4”点：只能正向开车。（2）“3”、“5”点：只能反向开车。（3）“1”点：开车时系统不会自动停车，要停车必须由司机自行手动停车。
2.2 开车方式
该系统为手动开车，电动机的加、减速控制与一般TKD型提升机控制方法相同，便于司机操作。具体操作方法因为是用变频实现无级调速而略有变化。（1）手动开车。正常开车状态，速度可以从0～3.8m/s可调节。（2）应急开车。用在紧急开车中，应急开车将屏蔽PLC内部软过卷故障，其速度可以从0～2m/s可调节。（3）PLC应急开车。系统将屏蔽PLC内部所有故障，速度可以从0～3.8m/s可调节。（4）检修开车。主要用在检修绞车时，检修开车将屏蔽PLC内部的过卷保护。以保证其速度限制在0～0.5m/s。
2.3 安全保护
安全回路的作用是当提升系统出现异常情况时能够停止提升机运行，并防止重新起动，以防事故进一步恶化。系统设置两套安全回路，一套是主、副PLC内部程序设置的安全回路，一套是继电器安全回路。继电器安全回路独立于其它回路，直接作用于电气传动系统、闸制动系统等。安全回路双重化，独立运行互为冗余。本系统共有20项保护，其中15项作用于安全回路。
2.3.1 作用于安全回路，并发出声光报警的保护。（1）过卷保护；（2）超速保护；（3）过负荷保护；（4）欠电压保护；（5）限速保护；（6）断销保护；（7）松绳保护；（8）减速功能保护；（9）高压闭锁保护；（10）事故逆转保护；（11）信号方向闭锁；（12）踏开关保护；（13）液压站油压过压保护；（14）变频器故障保护；（15）急停开关保护。
2.3.2 不影响事故运行，但不允许下次开车，只作为开车闭锁条件的保护：（1）闸间隙保护；（2）润滑站超温保护；（3）液压站超温保护；（4）润滑站过压保护；（5）润滑站欠压保护。以上5种保护不作用于安全回路，但发出声光报警。
2.4 上位机监控
上位机监控系统通过与PLC通讯采集数据实现多画面实时监控，多参量数码及曲线显示和记录，各种故障的报警及记录。（1）基本画面，绞车正常运转时显示此画面。显示内容有：打点信号，行程，速度，电机电流，提升次数，开车方式，速度曲线，模拟显示容器运行位置动画图，以及安全保护故障显示。（2）子画面，可分页查询：故障一览，PLC-I/O监控一览，数据参数修改等子画面。（3）对于修改参数，必须通过设定的密码操作，方可进入修改子画面，以确保系统的安全运行。
3 PLC控制
采用主、副两套西门子GE90-30系列PLC可编程控制器，应用PROFIBUS-DP现场总线技术，使控制系统简化，维修方便，提高控制精度及安全可靠性。PLC包括主机架，电源模块、CPU模块，高速计数器模块，模拟量I/O模块，数字量I/O模块等，主PLC对整个系统的工作进行控制和管理，并执行正常的操作程序，接受并生成开车信号和方向信号，实现各种故障保护及闭锁。同时还具有与上位机的通讯功能。主、副PLC可实现双线制保护，对影响提升运行的关键信号（如速度、容器位置、减速、过卷等）均采用双重保护，互为监视，具有全行程速度和位置保护功能。
4 转子变频调速工作原理
转子变频调速是晶闸管串级调速的一种改进，如图所示，它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网，其原理如下： （1）定子绕组直接接至3～10kV电网。（2）转子绕组接400～1000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。
5 转子变频调速系统性能特点
（1）硬件结构简单，故障点少，可靠性高。转子变频调速系统的硬件电路均采用大规模和超大规模集成电路，元器件少，结构简单，故障点少，可靠性高。传统TKD系统则以分立元件为主，元器件多，线路复杂，故障点多，可靠性差。（2）可靠精度高，工作稳定性好。转子变频调速系统设有微处理器，整个控制功能与调速算法由软件完成，控制参数一经确定，就不会发生改变，所以控制精度高，工作稳定性好。而老式电控系统的控制功能与调速算法均由硬件实现，控制参数离性大，控制精度低，工作稳定性差。（3）调速性能好，无级调速。转子变频调速具有调速范围广，调速精度高，调速性能稳定，可实现无级调速。而老式电控系统的串电阻调速，它是有级调速，调速性能差，效率低，而且可靠性差。（4）能量回馈，节省电能。转子变频调速系统能够将转子馈出的功率，通过变频器返馈回电网，节电率达15%～20%。而转子串电阻调速时，转子馈出的功率以热能形式消耗在电阻上。（5）故障自诊断能力强，大大降低使用维护成本。转子变频调速系统中，硬件工作状态可以通过软件来反映，软件运行情况也可以通过硬件来监视，这样硬、软件故障可以通过指示直接反映出来，维护方便。
6 经济效益和社会效益
经济效益：（1）通过电表计量可知，原老系统平均每月电耗7万kWh。采用新系统平均每月电耗5.5万kWh，每月可省电1.5万kWh。全年可节省18kWh，按每kWh可省0.62元计算，年可节省电量约11.16万元。（2）由于采用新系统，电气元件可靠性高，易损件少，年节省材料、配件费约1.45万元。
社会效益：（1）转子变频调速系统不仅使电控系统装备水平得到提高，而且安全可靠性大大增强，保证了提升机的安全运转。（2）电控设备柜式封闭结构，PLC无触点控制，采用进口继电器，降低了噪声，减少了噪声污染，有利于环保。（3）转子变频调速精度高，性能好，平滑高效减少了传动部件间的冲击，降低了噪声，延长了设备使用寿命。（4）变频柜采用西门子6SE70，辅助继电器采用西门子3TH施耐德系列继电器，电气元件可靠性高，维护工作大大减轻。■
作者简介：张继福（1979-），2000年毕业于黑龙江省煤炭工业学校机电专业，现任东海矿机运管理科主任工程师，一直从事机运技术管理工作。