全数字直流电控系统可行性研究

摘要：通过对数字技术在直流矿井提升机中的研究，针对提升机的高可靠性要求，提出一种高可靠性的提升机保护系统。副井提升机电控系统采用了当今最先进的双PLC技术、并联十二脉动整流技术和磁场换向技术来改造传统的由继电器、晶闸管组成的模拟调速控制直流提升系统。

关键词：十二脉动 矿井提升机 行程控制 PLC控制 全数字

1 概述

矿井提升机作为井下与地面联系的咽喉，是矿山的关键设备之一，提升机起、制动频繁，调速范围广（一般在1：40左右），要求可逆提升。采用晶闸管供电的直流调速装置，可以很方便地实现上述目标，国内外直流提升机已普遍采用这种方式，尤其是数字技术的飞速发展，全数字式直流提升机电控系统已居矿山广泛应用，其性能和优点已得到普遍好评。作为矿井上下人员、材料的副井，提升机的安全稳定性和可靠性、高效性是重要的技术指标，直接关系到人员的生命及财产的安全。原提升机属国产大功率早期产品，模拟调速控制存在技术陈旧、故障率高、运行参数易受环境影响等问题，这些因素对提升运行的安全和生产构成了潜在威胁。因此，在设计上，采用了目前最先进的全数字直流调速整流技术，以及PLC无触点控制技术，在安全回路上采用双线制，保证安全回路动作的可靠性。

三河尖煤矿副井提升机型号为：JKM-3.25/4-I，其主要技术特征如下：

滚筒直径：3.250m 最大静张力：450KN

最大静张力差：140KN 变位质量：17300kg

钢丝绳结构：6V×34+NF 钢丝绳间距：300mm

导向轮直径：3M

减速器型号为：ZG-90II

减速比：7.35 最大输出扭矩：39000kg.m

最大输入转速：735r/min 重量：23780kg

直流电动机型号为：ZD-99/60

额定功率：1400KW 电压：660V

励磁他激电压：110V 电流：2240A

额定转速：500r/min 电流：47.5A

绝缘等级：B级 重量：17200kg

该电控系统已使用13年之久，虽经几次改造，但线路及继电器已严重老化，而且故障率高，调速性能也不稳定，已不能满足三河尖矿现有的提升任务。

随着计算机技术、数字电子技术的发展，尤其近几年可编程控制器的发展，其广泛地应用于工业现场控制领域，工业自动控制水平有了大幅度的提高，煤矿领域的机电自动化水平也有了很大的进步。安全是煤矿行业的“天字号”工程，为了切实保障煤矿的安全提升，煤矿装备了各种安全保护设施，各种监测监控系统，但是各种保护设施的增加，也提高了故障发生的机率，给维护人员增加了困难。

本课题采用现代的计算机技术、数字电子技术，利用可编程控制器控制绞车的运行，提高绞车提升的安全可靠性，实现绞车的全自动运行。

2 方案设计、设计原则

①安全性。系统的安全性是设计时应首先考虑的因素。安全问题是煤矿的头等大事，因此，一定要确保系统自身的安全：其应符合煤矿安全规程的要求，系统装备上尽可能实现人与物的本质安全。②可靠性。系统的可靠性是设计时应考虑的重要因素。一定要确保系统的灵敏可靠，不能出现错误的信息和动作，其系统的可靠性是安全性的重要保障。③科学性。系统的设计一定要科学合理，采用当前最先进的技术与方法，保证系统的科学技术先进性。④可用性。设计的全数字自动直流电控系统应便于安装、施工、维护；便于系统的功能扩展和容量扩展。⑤经济性。全数字直流电控系统软硬件的投资不应过高，应该经济合理可行，其应用应该带来一定的经济和社会效益。

3 电气系统组成

该提升机电枢回路采用了并联12脉动调节方案，一台主整流变压器副边有两套绕组，联结方式为D/d0-Y1，副边两套绕组电压相位差30°，分别送给两组整流柜，经均衡电控器进行变换和迭加后，在电机两端得到12脉动的直流供电电压。

3.1 以高压开关柜、低压配电柜为主体组成的高、低压供电系统，其功能是对主整流变压器和调节控制及PLC等回路供电，使系统具备工作条件。这些系统中配有必要的电压、电流测量、指示及保护等措施。

3.2 以电枢整流调节柜、励磁调节整流柜、主变压器、励磁变压器、平波电抗器、直流快速开关为主体组成的晶闸管变流设备，它是提升机的核心部分，是实现电流变换、进行能量传递、实现速度控制和电流调节的关键。电枢和励磁整流调节柜采用的是西门子公司6RA70全数字调速装置，晶闸管整流和电流闭环调节融在一体，应用了数字调节和数字触发技术，静态参数设置数字化，操作键盘化；动态参数自动优化；触发同步信号无需调整，采用自同步方式，触发脉冲对称精度非常高。速度闭环控制与励磁电流闭环控制共用一套西门子6RA70全数字调速装置，采用高精度和可靠性的脉冲编码器作为速度检测和反馈元件，速度调节静差小、精度高。

3.3 提升机控制系统以PLC控制柜为核心，包括司机操作台和检测、保护等设备或器件。PLC是控制系统的核心，它实现提升机的开车、加减速和停车控制，并进行行程监视，保证提升机的安全运行。

4 设备功能说明

电枢整流柜

电枢整流柜共两台，通过并联后为电机供电，如下图所示。电机两端电压Ud与每台电枢整流柜输出电压Ud接近；电枢电流Id为：Id=IdI+Id2

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采用并联12脉动控制具有以下优点：①可以大大减少整流所造成的谐波对电网的“污染”，改善了电网侧电流波形，减小谐波分量；通过并联12脉动后，整流所造成的主要谐波由5次、7次，变成11次和13次，谐波量也有所减少。②可以减小无功冲击。③减少了直流脉动量，提高了直流供电质量。④提高了直流输出电压，为高电压的直流电机提供了更高的可靠性。