矿用提升机节能变频调速控制技术研究

随着科技的不断发展，中国社会经济水平不断提升，可持续发展受到了越来越多的关注。其中，降低能耗、减少排放作为可持续发展战略中一项重要任务，逐渐成为各行各业发展的重要目标。煤炭行业涉及到较多的大型机电设备，能耗较大，特别是井下的提升机，其能耗能达到整个矿井能耗的20%[1]，因此有必要对其技术进行优化，以此来降低提升机的能耗。目前来说，煤矿中提升机的动力来源主要为直流电机和交流电机。其中，交流电机尽管设备成本较低，但可控性较差，难以对转速进行精确控制，在加减速过程中不易操作，且容易导致过卷或过放的安全事故。同时，转子串电阻控制电路中包含了较多的电子元件，如电阻器、接触器、绕线电机电刷等，极易遭到破坏，再加上控制电路较为复杂，后期维修成本较高。此外，提升机的启停频率较高，会产生较大的能耗。相比于交流电机，直流电机更加容易控制，但其成本较高，操控较为复杂。因此，本文介绍了节能变频调速控制技术在矿井提升机中的应用，采用该技术能够有效降低提升机的能耗，应用前景广阔。

1变频调速的技术原理

变频器主要是将工频电源通过半导体器件转变为特定频率的电能控制设备。大多数变频器将交-直-交电路作为主电路，其工作原理是：首先对工频交流电进行整流转变为直流电，然后进一步转变为特定频率、特定电压的交流电输出到电机，因此变频器的电路主要分为四部分，即整流部分、直流部分、逆变部分和控制部分。其中，整流部分采用三相桥不可控整流器；逆变部分采用IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管）三相桥逆变器，输出的电流为PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）波形；直流部分的作用是滤波、储能与缓冲。交流变频调速技术能够有效结合自动控制、电力电子与传统电动技术的特点，实现强弱电结合自动控制。该技术调速可控、效率高，并且无附加转差损耗。变频技术之所以能够得到广泛的应用，源自其可依据电机负载变化量来进行恒加速或恒减速的控制，可大幅度提高提升机的作业效率，并且可以在很大程度上降低能耗。从原理上来看，电机转速与交流电频率之间的关系[2]可用式(1)表示：电的频率，Hz；q为电机极数。由公式(1)可以得出，电机的转速与交流电的输出频率成正比。在电机极数q不变的情况下，可通过改变交流电频率实现对电机转速的控制。当交流电频率f处于0～50Hz范围内时，电机转速n会处于一个较宽的可调节范围。而变频调速控制技术正是利用这一原理，通过改变供电电源频率满足电机转速条件。变频调速控制技术的应用在很大程度上提高了提升机的工作效率。

2变频调速控制技术可行性分析

a)变频器成本较高，特别是高压变频器，若未能合理选择，不仅无法达到节能降耗的目的，还会无故增加生产成本。一般来说，对变频器的要求是，转速不能低于额定值的50%，通常选择转速在额定值的70%～100%内[3]。若转速过低，则会降低电机的工作效率，还会增加能耗。同时，应尽量避免机械临界共振转速，以免造成电机零件的损坏。b)将变频调速控制技术应用于实际中时，需要结合设备具体情况，从节能降耗出发，达到提升设备效率的目的，通过成本与收益的比较，选择合适的变频器。c)优化工艺简单。在进行变频技术改造时，可通过原有的电机对老旧设备进行改进，不需要重新安装电机。该方案不仅操作简单，管理方便，还能够保证能耗的降低，满足压力恒定的实际需求。此外，当电机转速较低时，其扭矩较大，运行更加稳定，而且不会产生谐共振现象，对设备起到很好的保护作用。d)相比于传统的调速技术，变频调速控制技术具有软启动功能，能够有效降低设备启停过程中电机产生的强大电流对电路造成的冲击。应用变频调速控制技术之后，启动过程中电流从零开始变化，并且其最大值不会超过额定电流，一方面降低了过电流对电网造成的冲击，另一方面还能起到有效保护电机的作用。此外，变频调速控制技术还具有故障率低、效率高等优势以及各种保护功能，能够更加有效地进行电机转速的控制并保护电机。

3变频调速控制技术可靠性分析

a)变频器的可靠性可以直观地体现在其实际应用效果上，这也是进行变频器选择时的参考条件。一些煤矿企业所使用的变频器除了价格高之外，可靠性还差，再加上自身技术的缺陷，变频器的故障率大大增加，并且在发生故障之后无法维修，只能停产，造成了过多的成本浪费，严重降低了生产效率。b)变频器由于其自身优势可以通过对电机转速的控制，有效实现恒定加减速，对提升机过卷和过放事故起到很好的预防作用。此外，变频器还能够利用电机软启动，有效避免设备启动过程中过电流对电网造成的冲击，并且达到节能降耗的目的。c)变频器的电路结构较为简单，能够有效克服转子串电阻中电子元件易受损的问题，极大程度上降低事故的发生概率。变频器的调速功能可以实现对提升机多段速度的控制，防止在弯道等条件下发生脱轨现象[4]。

4提升机变频调速系统的结构组成

图1为矿井提升机变频调速系统的结构组成图[5]。该系统主要包括操作控制系统、变频器、能耗制动系统、抱闸制动系统和行程控制系统。各部分的功能为：操作控制系统负责控制提升机的上升、下降、复位及紧急制动等操作；变频器负责提升机加减速过程中电机转速的控制；能耗制动系统和抱闸制动系统负责提升机的停车操作；行程控制系统负责提升机的加减速、停车及制动等。M.电机。图1矿井提升机变频调速系统的结构组成图

4.1变频调速

在提升机变频调速控制技术的应用中，变频器负责在加减速过程中进行变频调速，以控制提升机的运行状态。变频调速的原理是通过改变电源的交流电频率来实现对电机转速的调节。通常来说，变频器的频率范围为0～400Hz，精确度可达0.01Hz，完全能够适应提升机运行的速度。因此，应用变频调速控制技术后，提升机能够有效避免启动过程中过电流对其造成的冲击，实现软启动和平稳调速。与传统的转子串电阻调速方式不同，变频器的输出功率是随电机转速改变而改变的，能够在很大程度上降低能耗。此外，变频器还可以实现对输出扭矩、调速时间、电机频率等参数的设定，操作方便简单；可通过程序设置来实现多段调速[6-7]。

4.2行程控制

图2a)和图2b)所示分别为提升机上升和下降过程中的行程控制图。行程控制系统负责将提升机升降过程规划为不同的行程区间，再结合每个区间的具体情况，利用变频器来对提升机的升降速度进行控制。同时，行程控制系统还能够实现对提升机的停车与紧急制动。行程控制系统的应用使得提升机能够适应弯道等特殊的井下环境，有效预防过卷、过放及脱轨等安全事故的发生。

4.3制动控制

要提高提升机在运行过程中的安全性，要求提升机具备良好的制动控制系统，提升机中的制动控制系统采用的是能耗制动和抱闸制动相结合的系统。其中，能耗制动主要是借助提升机的惯性，利用其在减速过程中所产生的能量进行制动操作。能耗制动是一种软制动方式，能够有效避免制动过程中的冲击作用。为避免滑车、出轨等事故的发生，可采用抱闸制动系统控制提升机进行抱死制动。抱闸制动通常应用于停车行程过程，当提升机移动到停车位置后，抱闸制动系统收到指令，实施抱闸制动操作。

4.4操作控制

操作控制系统负责提升机的启动与抱闸制动等，提升机收到提升启动命令后，操作系统控制变频器正转，随后发出指令，通过行程控制系统来控制其提升阶段；收到下降启动命令后，操作系统控制变频器反转，随后发出指令，通过行程控制系统来控制。此外，变频器的停止与制动操作主要通过紧急制动操作系统来控制。

5矿井提升机运用变频调速控制技术后的效果

a)变频调速控制技术的应用，除了能够降低能耗外，还能够实现软启动，变频器会产生渐变电流，并根据提升机的承载量对电机转速进行调整。据调查，变频调速控制技术的引入能够节约40%～50%的电能。b)变频调速控制技术能够很好地对设备予以保护，延长设备的使用寿命，同时转速的降低导致输出功率降低，具有很大的节能潜力。系统启动过程中从低频率开始逐渐加速，降低过电流对设备造成的冲击，延长设备的使用寿命。c)变频调速控制技术可以进行远程操控，控制距离较远，并且能够精确控制设备的速度。此外，矢量控制方式的调速比例高达1∶100。同时，变频调速控制技术还可与同步控制器等其他附件相结合，实现全方位控制功能。d)变频调速控制技术引入后提速较为简单，只需要对电机输出频率就能相应地改变提升机的速度。当电机容量足够大时，其设备承载量可适当增加10%～20%，并且不需要改变其他参数。在50Hz的工频区，转速的大小并不取决于电源频率的高低，只与变频器的输出频率有关。e)变频调速控制技术最突出的特点就是操作方便、简单，参数设置时界面简洁，设置方便，能够设置多种程序参数，以适应不同的工作条件，并且能够对变频器运行过程中所出现的故障及操作进行记录，供随时查询。

6结语

从中国煤矿开采发展之初到现在，矿井提升机一直起着很重要的作用，其发展历经50余年，整体的技术水平得到了很大的提升，但与国外一些发达国家相比仍存在一定的差距，特别是在恒扭矩、恒定加减速、能耗等方面。变频调速控制技术在中国起步较晚，其能够根据承载能力对电机转速进行动态调节，进而控制提升机的加减速过程。该技术能够通过改变设备的电源输出频率实现大范围无极平滑调速。在煤矿实际生产过程中，变频调速能够依据电机负载的变化，保证电机处于最佳运转状态，提升工作效率，并且能够达到很好的节能效果，保证企业获得较高的经济效益，使得提升机设备的运行性能得到极大的提升。

参考文献：

［1］刘兵，胡联红，金湖庭.变频调速技术在矿井提升机中的应用［J］.煤矿机械，2006，27(6)：1076-1077.

［2］史颂平.变频调速智能控制节能技术［M］.贵阳：贵州科技出版社，2010.

［3］范爱文，张波，于立军.矿用提升机变频调速控制技术推广应用［J］.山东煤炭科技，2009，27(4)：51-52.

［4］杨丽丹.提升机变频调速节能分析［J］.矿山机械，2010，38(17)：70-71.

［5］王艳军，赵文军，王育丰.提升机的节能变频调速控制技术［J］.煤矿机械，2010，31(39)：95-96.

［6］张同庄，曹以龙，谢桂林.矿井交流提升机低频拖动系统的智能控制［J］.中国矿业大学学报，1999，28(2)：172-175.

［7］王建华，吴道.电工学实验［M］.3版.北京：高等教育出版社，2003.

作者：姜根慧 单位：山西省节能中心有限公司