变频器在矿山提升机上的应用研究

【摘 要】本文通过对现有矿山提升机在使用过程中存在的问题进行分析，认为造成提升系统提升能力和安全性受到限制的原因是由于现有的变频器是针对低压电机系统，随着矿井生产能力的提升，相应的矿井提升能力也需要相应提高，低压电机系统已经无法满足现有生产，而正常的变频器无法在高压电机的制动方面满足现有生产，因此使用矿用变频器控制提升机系统就是迫在眉睫，本文分析了在使用之后的优点，并且进行了使用效果分析，发现使用了矿用变频器控制系统之后无论在安全性和经济性上都得到了较大的提高。

【关键字】矿山提升机；变频器；矿用变频器控制系统；安全性和经济性

前言

在煤矿生产中，工作面所采出的煤炭资源必定要经过矿井的提升系统运至地面，因此提升系统是对于煤矿的生产影响是巨大的，没有充足的提升能力以及稳定的工作性能，井下采再多的煤炭也无法及时、安全地为国家的经济发展提供能源，这就要求矿井提升系统的提升能力要和煤矿的生产能力匹配，二者要吻合，不能出现偏差。

随着我国煤矿生产机械化程度和采煤工艺的进步，我国煤矿产量得到了很大的提升，这也就对矿井提升系统的提升能力提出了更高的要求。现在我国矿井的提升系统的工作性能较之以往有了很大的提升，矿井提升能力得到了明显提高。提升能力的提高就更加对提升系统的安全、高效提出了更高的挑战。我国矿井提升系统在矿井提升过程中存在着一些与生产不匹配的现象，一部分原因是现有的提升系统变频器针对的是低压电机系统，随着高压电机使用的越来越广泛，变频器在制动方面的一些问题就开始暴露出来，因此需要使用矿用变频器控制系统，以让改进后的变频器能够满足现有的高压电机系统，使得矿井提升系统能够安全、高效运行。

1 提升机电控系统现状分析

目前全国各类矿山的提升机（绞车）多采用交流绕线式异步电动机转子串电阻调速方案，用交流接触器进行速度段切换，形成了低速降压启动、档位切换加速、全速运行、档位切换减速、低速降压停车的工作过程。这种运行方式存在明显的缺点，主要体现在以下几个方面：

（1）大量的电能消耗在转子电阻上，造成了严重的能源浪费。当料车空车下放时，电机的转速超过了同步转速，电机处于发电状态，由于没有能量处理环节，大量的电能消耗在转子电阻上，致使电机能耗增加，不但浪费大量的电能，而且使电机铜损、铁损增加，增大了电机的维修费用。

（2）控制系统采用绕线电机转子串电阻的方式进行调速，不仅将大量的转差功率消耗在转子电阻上，浪费了大量电能，同时电阻器的安装需要占用很大的空间，增加了机房建设费用。

（3）这种切换转子电阻调速的控制系统复杂，导致系统的故障率高，接触器、电阻器、绕线电机碳刷容易损坏，维护工作量很大，直接影响了提升机的生产效率。

（4） 低速和爬行阶段需要依靠制动闸皮摩擦滚筒实现速度控制，特别是在负载发生变化时，很难实现恒减速控制，导致调速不连续、速度控制性能较差。

（5）启动和换档冲击电流大，造成了很大的机械冲击，导致电机的使用寿命大大降低，而且极容易出现“掉道”现象。

（6）自动化程度不高，增加了开采成本，影响矿山产量。

（7）低电压和低速段的启动力矩小，机械特性比较软，带负载能力差，无法实现恒转矩提升。

针对以上这些问题，煤矿决定对原系统进行改造。采用技术含量较高的变频调速，替代原来的绕线电机串电阻调速，通过变频调速实现电机的软启动、软停车，连续平滑调速的生产要求，同时考虑到节能减排的时代背景，拟采用带能量回馈的单元的四象限运行变频器，将电机在发电状态下的再生电能回送电网，降低电能消耗，节约电能。

2 矿用变频器控制特点

针对上面提升机电控系统存在的问题，对比总结的使用矿用变频器控制的特点如下：

（1）变频系统甩掉了原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低了很多。

（2）调速连续方便，分段预置，连续平滑调节。实现了低频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小。

（3）启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大启动电流不超过1.3倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，没有大电流出现，大大地减小了对电网的冲击。

（4）增加了直流制动功能，使重车停车时更加平稳，有效避免了“溜沟”现象。

（5）转矩补偿达到规范要求，重车启动正常。

（6）采用能耗制动、回馈制动或超级电容吸收技术，成功解决了位能负载在快速、减速或急停时的再生发电能量处理问题，保证了变频器的安全运行。

（7）采用变频控制后，原绕线式电机可改为普通电机，这不但降低了成本，普通电机比绕线式电机可节约投资1/3，而且电机维护方面，避免了转子炭刷的烧损及维护。

（8）机内采用深圳加能回馈单元，回馈能量可直接输给电网，且不受回馈能量大小的限制，适应范围广，节能效果明显，系统可以实现四象限运行；据实测，在低速段节能明显，一般可达到30%左右。而且矿井越浅，低速段运行时间越长，节能效果越明显。

（9）安全保护功能齐全，除了过压、欠压、过载、过热、短路等自身保护外，还设有控制的连锁保护，包括制动闸信号与正、反转信号的连锁，变频器故障信号与系统安全回路的连锁，机内备有自动减速程序等。

3 使用效果分析

在使用了矿用变频器之后，提升机下行制动时，高压切除后低频电源未投入前，提升机由重物牵引自由滑行达到一定的速度，当低频电压投入后，提升机的制动转矩迅速加大。同理，提升机上行制动时也可以达到同样的效果，都是在低频电源投入后，提升机的制动能完全按照预先设置的曲线运行，实现平稳可靠的制动效果。在提升机上采用低频制动方式后可以减少系统的制动时间，使提升机的运行效率有较大的提高，同时该低频制动系统还有效的改善了转爬行的平稳性，提高了系统运行的安全性和可靠性。除了在提升机制动方面的有点之外，使用变频器后还有以下优点：

（1）变频系统无需原电控调速用的交流接触器及调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低。

（2）调速方便，连续平滑调节。

（3）实现了低频低压的软起动和软停止，使运行更加平稳，机械冲击小，避免了掉道现象。

（4）启动及加速过程冲击电流小，加速过程中最大电流不超过1.3倍的额定电流，提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速，没有大电流出现，减小了对电网的冲击。

（5）增加了交流制动功能.使重车停车时更加平稳，有效避免了“溜沟”现象。

（6）节能效果显著"据实测，在低速段节能明显，一般可达到37%以上。

（7）采用变频控制后，原绕线式电机可改为普通电机，这不但降低了成本，普通电机比绕线式电机可节约投资1/3，而且避免了转子炭刷的烧损及维护。

4 结语

通过对现有煤矿提升系统存在问题的分析，得到了以下结论：

（1）造成提升系统提升能力和安全性受到限制的主要原因是由于现有的变频器是针对低压电机系统，随着矿井生产能力的提升，相应的矿井提升能力也需要相应提高，低压电机系统已经无法满足现有生产，而正常的变频器无法在高压电机的制动方面满足现有生产，因此对矿用变频器控制提升机系统的改进就是迫在眉睫。

（2）除了在制动方面矿用变频器控制系统具有很大优势之外，无论在安全性和经济性上都得到了较大的提高。

参考文献：

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[2]梁福平，李宾.高压变频器在矿山提升机电控系统中的应用之探讨[J].自动化技术与应用，2011（07）.

[3]赖长林.变频技术在矿山提升机上的运用[J].新疆有色金属，2011（06）.