大型交流提升机传动与控制系统集成研究

大型交流提升机传动与控制系统集成研究史更生，杨力（北京有色冶金设计研究总院，北京100038）（1100m）单台提升机功率最大（4400kW的提升机，认真研究系统集成对优化参数、节约投资、安全可靠运行有着重要的意义。
       有色冶金设计研究总院电气自动化所所长，高级工程师。
       厉和交1刖目铜都铜业公司冬瓜山铜矿主井提升机是北京有色冶金设计研究总院建院以来所承担深度最深（提升高度1100m、单台提升机功率最大4400kW）的提升机。随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，技术先进的发达国家对大型提升机电力传动在二十世纪80年代末开始形成了交流传动代替直流传动的趋势。1992年金川有色金属公司二矿区西主井提升机引进了国内第一套3500kW交一交变频器供电同步电动机传动交流传动系统，获得成功。
       近几年来，北京有色冶金设计研究总院电气自动化设计研究所先后签定了十余套提升机自动控制系统集成合同，成功地运用了以计算机控制为核心的高新技术具有保护完善、运行安全可靠、全自动运行、设备运转率高等特点。分布于有色金属、黄金、煤炭等行业。与此同时还开发了用于提升机全行程监控的“电子监控器”和实现提升机安全运行所必须的四种开关与电源绝缘检查装置等。为“大型交流提升机电气传动与自动控制系统集成”打下了良好的基础，按技术开发在先的原则，针对冬瓜山主井提升机的应用为目标，进行了开发研究。
       2优化提升机参数的研究提升机系统，特别是对冬瓜山主井这样一个提升量大，提升高度超过1000m的提升机，参数的确定是一个涉及多因素的系统工程。以安全可靠运行为前提，寻求最佳经济效益为目标进行研究。
       2.1提升速度以交流绕线电机为主传动的提升机为研究对象，一般被采用的合理提升速度，其计算公式为v例如：冬瓜山主井提升高度为H=1100m，因此合理22加速度在提高提升速度和发挥同步电机过载能力的条件下，加大加速度，这样有利于缩短一个提升作业的时间，提高生产能力。在冬瓜山主井的条件下，以加速度1.Om/s2为佳。
       流变频调速传动的提升机不完全适用，因为它们在加速与减速段无电阻中的能耗，合理的提升速度还可以根据井筒结构和电动机过载能力等因素加以提高，因此可以将此数据作为直流传动与交流变频调速传动提升合理速度的低值。
       5m直径圈筒的多绳提升机的交一交变频同步电机传动为研究对像。用于提升机的交一交变频电源频率，根据西门子公司的经验，在0 ~13Hz调速较为合适。而4 5m直径多绳提升机15.896m/r当同步电机极对数为12对时，则提升机速度为17.2m/s.因此可以以此速度作为应满足的速度。
       提高速度在相同的作业时间下，可以减少一次提升量，在一定频率调节范围内，可以降低同步电机极对数，从而降低电机造价。因此，目前对于冬瓜山主井在没有其它条件制约的情况下，提升机将提升速度定为16 50m/s较为合理。
       由于这个速度值在本院以往设计的提升机系统中没有使用过，必须总结以往的实际经验，用改进控制技术的方法来达到应用较高速度的目的。金川有色金属公司二矿区西主井交一交变频调速同步电机传动钢绳罐道的多绳提升机为引进德国AEC公司产品，提升速度12.0m/s.在调试过程中发现以此速度运行，箕斗在进入固定罐道处与罐道碰撞严重，只得将速度降低至9Om/s运行。冬瓜山主井提升机同样采用钢绳罐道，可以采取改进控制技术避免出现同类问题。在采用轴编码器作为提升距离控制的计算机控制系统中，可以改进提升机速度控制（使箕斗进入固定罐道的速度低于产生严重碰撞的速度）其速度见。
       2.3提升作业时间现代提升机系统中机械方面在不断改进，大型提升机采用了不经减速机的直联传动方式，简化了传动系统，用滚动轴承代替了滑动轴承，简化了润滑系统；凡此种改进，提高了提升机机械的可靠性，减少了维护时间。
       由于计算机控制系统和电力电子装置（变流器、变频器）的成功应用，控制系统的可靠性更是原有的电控设备所不能比拟的，其维护工作95%是对开关与线路的维护与检修。集成系统将各类开关缩减到最低的限度，并采用高可靠性的开关。综合上述理由，现代提升机的整体设备运转率可超过95%，大型提升机每班运行时间完全可以达到或超过以往设计中多采用的65小时。安庆铜矿、金川龙首新1主井提升机的实践证明了可采用的6 5h/班的运行时间。
       2.4有效载重冬瓜山主井设计的日提升量13000t，年运行300天，每天3班。以本文上述的提升速度16.5m/s、加速度1.Om/s2多阶段速度图、作业时间6.5h/班、有效载重22t（―次提升量）；作业时间6.0h/班、有效载重24t.如果采用这些优化的参数，可以用4绳（绳径40mm）卷铜直径45m的多绳提升机来装备冬瓜山主井。这样，将带来良好的经济效益。表现为：一次提升量为22t（6.5h/班）或24小时（6.0h/班）可使用4X4多绳提升机，而且由于受力的降低和改善，在提高提升机机械可靠性的同时还降低了造价。
       由于降低了一次提升量和提高了速度，使同步电机的定子电流降低、极对数减少，同样提高了电动机的可靠性与降低造价，这一结果又为变频器的选用和控制创造了良好的条件。一次提升量降低，采用4X 4多绳提升机，也使井塔造价降低。由此可见进行参数优化可以实现在安全可靠的前提下，实现良好的经济效益。
       3变频器应用研究作为系统集成的研究，把变频器作为系统中一个标准件来研究，即将变频器制造商已经标准化的产品，视为系统集成的一个标准件，研究如何正确应用此标准件，正常发挥此标准件的能力或挖掘其潜能，抑制其不利的一面。
       Shing！此前应用于大型交流传动提升/机的变频器，无一例外地使用交一交直变频的变频器，其主要特点是功率柜采用已有长时间使用经验的四象限运行的晶闸管变流器，应用于同步电机，应用计算机控制，且控制技术成熟，应用的上限频率较低，目前使用的多数在15Hz以下；电源侧产生谐波且功率因数较低，需电容器补偿；工作电压较低，一般不超过1500V.近几年交直交间接变频器在向中压规格（6kV，）发展过程中，开发了一种开关频率略低于IGBT，而容量又与GTO接近的大功率可关断IGCT器件。GE、ABB制造商将此器件应用于交一直一交中压变频器中，电源侧和负载侧均采用IGCT器件，应用电压叠加原理构成中压，双侧均可控，四象限运行，并调制出理想的正弦波和高的功率因数，可以应用于标准的同步电动机或异步电动机。
       电源侧不需电容器补偿和谐波吸收装置。制造商均把此类产品作为将要取代交一交变频器的替代器；但由于IGCT器件尚属新产品，价格高，且运行经验不足，另外其虽然在控制技术上做了重大改进，均宣称可以从0Hz开始往上调速，但它仍然没有完全摆脱交一直一交变频器适用于频率较高的特点，有些公司的产品推荐25Hz较为理想，有些公司的产品推荐在提升机可使用15Hz.对上述两种可以在大型交流提升机系统集成中使用的变频器分析的结果，冬瓜山主井的大型交流提升机的变频器仍然以交一交变频器为好。
4主控制计算机应用研究先进的提升机控制系统首选计算机控制，而主控计算机多是由具有中等规模的可编程序控制器（PLC）来完成。国内矿山引进的提升机的主控制计算机（PLC）有多种型号：ABB公司的MP―200（早期）和AC―100（近期）、西门子公司的S5―115（早期）和S7―400（近期）、GE公司的90―70系列。其115已分别被ABB公司和西门子公司的新型号所替代。
       研究这些产品以后，认为各有其特点，其控制性能和可靠性均能满足提升机控制要求，但有一个共同特点是这些提升机电力传动与控制系统的集成商均采用本公司的PLC产品作为提升机的主控制计算机。而北京有色冶金设计研究总院电气自动化设计研究所作为提升机电力传动与控制系统集成商，不受此条规律的限制。
       电气自动化设计研究所在最近几年十余套直流传动提升机电力传动与控制系统集成中，使用了TI一545作为提升机的主控制计算机，经实践证明优点较多。
       硬件可靠。该PLC在矿热电炉多灰尘、腐蚀性气体、强电磁场干扰下以及井下多灰、潮湿条件下硬件可靠地运行，使用时间已超过四年，没有任何硬件损坏。
       浮点运算能力强。提升机电子监控器已应用到提升机控制系统，而且主控计算机与电子监控器对提升过程进行包括起动、等速、全行程监控，并实现有两套完整的独立保护装置，这样，浮点运算能力强就为实现此要求创造了很好的条件。
       远程通讯能力适合提升机控制系统的要求。
以主井为例，装卸载站的控制与提升机主控系统是一个紧密的控制系统，但距离较远，特别是装载站（冬瓜山主井为1100m）采用远程子站的方式较为合理。TI一545的主PLC与远程子站的通讯接口可靠，用对绞屏弊双绞线电缆即能满足通讯要求。由于主井的控制电缆包括计算机通讯电缆只能敷设在井筒中，在实际中有多个矿井的控制电缆（如安庆铜矿）容易受到漏下矿石或其它杂物的打击而损坏。而TI一545的通讯电缆可以采用钢丝铠装的屏弊双绞线电缆，大大提高了通讯电缆的可靠性。
       端子接线方便。可以将符合柜内的配线和直接配向现场的导线直接连接到I/O端子上，不需在框内转接，提高了模拟和频率信号的可靠性，这对于高安全要求的提升机相当重要的。许多PLC厂商的统计资料说明PLC中CPU和I/O模块本身的故障率很低，控制系统的故障99%以上出现在现场一次检测元件及其布线上，实践也证明了这点。因此端子接线的方便和可靠与否是影响主控制计算机可靠性的一个重要因素。
5结论综上所述，冬瓜山提升机的优化方案应是：同步电机交一交变频加计算机控制系统，理想速度应是16. 5m/s，加速度应在1. 0m/s2，作业时间6小时，一次提升24t。