旗山矿副井电控系统技术方案

1、 旗山矿副井提升机交直交转子双馈变频调速系统技术方案 旗山矿副井提升机电控系统技术方案目 录1 系统原理简述- 3 -1.1 旗山矿副井提升机电机参数- 3 -1.2 提升机电力拖动系统发展现状- 3 -1.2.1变频调速提升机全数字电控系统有如下特点：- 4 -1.3 几种方案比较- 5 -1.3.1 直流电控系统错误！未定义书签。1.3.2 转子串电阻调速+低频制动电控系统错误！未定义书签。1.3.3 转子三电平变频电控系统错误！未定义书签。1.3.4 转子双馈技术三电平变频与定子侧短封转子变频比较错误！未定义书签。1.3.4 定子变频电控系统错误！未定义书签。1.4设计思路：- 9 -1

2、.4.1改造原则：- 9 -1.4.2电控系统改造的目的：- 9 -1.4.3提升机电控系统改造总体方案- 10 -1.4.4改造后电控设备执行标准和使用条件- 10 -1.5、旗山副井提升机全数字控制转子双馈变频调速系统技术方案- 12 -1.5.1 电平双PWM变换器- 12 -1.5.2全控双馈调速系统构成- 13 -1.5.3 双馈调速系统运行方式- 13 -1.5.4矢量控制全控双馈调速方案- 14 -1.5.6全控双馈调节系统结构- 16 -2 系统特点：- 18 -2.1 系统设计要求达到的性能- 18 -2.1.1 转矩：- 18 -2.1.2 调速性能：- 18 -2.1.3

3、 无谐波污染：- 18 -2.1.4 功率因数：- 18 -2.1.5主回路设计上：- 18 -2.1.6 系统性能、扩展能力- 18 -2.2 效益目标- 19 -2.2.1 能耗明显降低:- 19 -2.2.2 生产效率大提高- 19 -2.2.3 维护方便，降低故障率：- 19 -3 系统硬件组成及结构：- 19 -3.1 低压配电设备- 20 -3.2 主回路- 20 -3.2.1 转子回路- 20 -3.2.2 定子回路- 21 -3.3 全数字调节系统- 21 -3.3 多PLC网络控制系统- 22 -3.3.1 操作保护PLC的主要功能是：- 22 -3.3.2 数字行程监控器-

4、 22 -3.3.3安全保护回路- 23 -3.4 操作台- 25 -3.5 上位机监视部分：- 27 -3.6 液压站和信号系统技术方案- 27 -3.7 外围传感器装置- 28 -3.8 提升机全数字电控系统故障保护明细表- 28 -3.8.1 主回路- 28 -3.8.2 控制回路- 29 -4、节能效果比较- 30 -4.1 与传统TKD系统能耗比较- 30 -5、年产量比较- 31 -6、供货范围- 33 -7、配套说明：- 33 -1 系统原理简述1.1 旗山矿副井提升机电机参数型号：YR4503-10 电压：6000V 功率： 630KW *2转速：587r/min 定子电流：3

5、7.5A 转子电流：284A转子电压：622V 定子接线 Y COS=0.78生产厂家：长沙电机厂有限责任公司1.2 提升机电力拖动系统发展现状提升机电力拖动有交流拖动和直流拖动两种。我国在50-60年代，一般采用交流传动方式，即“绕线转子电动机+转子串电阻调速+动力制动（或低频传动）减速+继电器和磁放大器控制”。交流传动的最大优点是：技术比较简单、设备及安装费用低、建筑面积小。但它的最大缺点是：电气调速性能差，在减速和爬行阶段需要另外增设传动装置，如动力制动、低频传动等。虽然调速性能得到改善，然而设备投资和系统的复杂性也增加了。我国进入70年代后，随着电力电子技术的发展，提升自动化水平的提高

6、，原来的交流传动方式已远远不能满足需要，直流传动方式开始得到广泛应用。直流传动的最大优点是：调速平滑稳定、调速范围广、容易实现提升自动化。因为电动机的转速几乎与提升负载无关，在低速范围内也能稳定运行，负力减速时可将机械能转化为电能返回电网，它的缺点是建设投资大、基础费用高。在八十年代后期，特别是九十年代以来，随着半导体技术及失量控制技术的发展，形成了一系列可以和直流调速系统相媲美的高性能交流调速系统。交-直-交变频技术发展越来越成熟，应用也越来越广。因此，以全数字变频控制技术来代替传统的TKD控制方式已经成为一种趋势。其控制方式为“全数字变频调速+多PLC冗余控制+上位机监控”全数字电控系统。

7、与原系统相比较新系统存在能耗小、噪音低，特别是配备全数字控制系统时可靠性更高、维护极为方便的优点。1.2.1变频调速提升机全数字电控系统有如下特点：（1） 硬件结构简单，故障点少，可靠性高全数字调速电控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） 可控精度高，工作稳定性好全数字调速电控系统设有微处理器，整个控制功能与调速算法均由软件完成，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，控制参数离散性大，控制精度低

8、，工作稳定性差。（3） 故障自诊断能力强，大大降低使用维护成本全数字调速电控系统中，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。（4） 具有较高的可构置性，扩展方便，运行灵活性高全数字电控系统硬件采用以总线联系的模块化结构，控制算法和系统控制采用软件完成，具有较高的可构置性，在系统投入运行以后，随着科学技术的发展和系统要求的提高，可以进行功能扩展，具有较高的运行灵活性；而原电控系统一经设计完成，就无法进行功能扩展，具有功能单一，运行灵活性差的缺点。（5） 可与其它系统联网，实现现代化管理全数字调速电控系统容易实现数字通讯

9、，并与其它系统联网，它可将系统中的运行参数、运行状态传递到网络上，便于实现现代化管理，而模拟调速电控系统就很难实现联网功能。（6） 性能价格比高一方面，随着电子技术的发展，集成器件的成本越来越低，这样全数字调速电控系统的成本将越来越低；另一方面，全数字调速电控系统技术先进、可靠性高、功能强大，因此具有很高的性能价格比。进一步来说，全数字调速电控系统在技术上已经发展成熟，因此在传动领域采用全数字调速电控系统并大力发展是一种必然趋势，它终将取老式调速电控系统。尽管矿井变频调速提升机全数字电控系统具有以上特点，但针对我国矿山常用的高压绕线式异步电动机拖动的提升机而言，仍然因元件耐压等因素而难以实现，

10、采用电平叠加的方式解决了耐压问题，但终究因变压器、器件等损耗而使得效率较低，且价格昂贵。随着以IGBT为代表全控器件组成的PWM变换器具有谐波分量小的显著优点，于是针对高压绕线异步电动机转子双馈变压变频调速成为可能，也就解决了上述问题，特别适合我国国情。1.3 几种方案比较1.3.1 直流电控系统 优点：1）技术成熟，本公司有成熟产品，应用较多； 2）调速性能好，机械特性硬； 3）设备相对简单，高效节能。 缺点：1）直流电机造价贵，投资较大； 2）电机安装需更改底座，通常需停产； 3）由于采用相控整流，谐波污染比较大，特别是大功率低速拖动时电网波形畸变严重，大功率时需增加谐波治理设备。1.3.

11、2 转子串电阻调速+低频制动电控系统 优点：1）初期投资小。 缺点：1）转子串入电阻造成电机特性软，运行不稳定； 2）调速范围小，调速精度地，无法满足低速运行； 3）为有级调速调速不平滑，机械冲击大，机械设备易损坏，人员乘坐不舒适； 4）能耗大，功率因数低，谐波污染大，需要进行无功补偿及谐波治理，目前已是淘汰产品； 5）减速段无法平滑减速，爬行时间长，提升效率低。1.3.3 转子三电平变频电控系统优点：1）原电机可以使用，减少投资； 2）调速性能可与直流系统相媲美； 3）设备简单，结构模块化，维护方便，整套控制系统及软件均为我公司自主研发，有利于日后维护； 4）节约了消耗在启动电阻上的能量，而

12、且在制动过程中可以向电网回馈能量，节能效果明显； 5）起动转矩大，可达到额定转矩的2倍。功率因数约为1，谐波较小，可称得上是“绿色变频”； 6）综合性能明显优于其他调速系统。 1.3.4 转子双馈技术三电平变频与定子侧短封转子变频比较由于交流绕线异步电机在设计上，是作为定子侧单端馈能使用。如将定子侧短封，转子侧变频馈能，感应到定子侧时，各个指标就完全降低。完全改变了电机先前设计使用的要求。其转子侧变频采用两电平技术，比转子双馈技术三电平变频的谐波污染大；能量感应到定子侧时，会影响定子侧的绝缘性，长期使用会损坏绝缘。而三电平输出波形畸变率、du/dt、EMI等指标较两电平方式有较大改善。使用定子

13、侧短封转子变频技术有以下缺点：1）转子馈入定子短封，造成电机效率大大降低；2）采用定子短封转子馈入方式，为满足电机起动力矩的要求，起动电流和定子电流都将大幅增加，引起定子转子发热，绝缘下降； 3）两电平du/dt较大，对转子冲击大，而且较大的起动电流容易引起转子开焊； 4）通用变频器的电容为电解电容，有使用寿命。1.3.4 转子双馈变频与定子高压变频比较由于定子侧电压较高和IGBT耐压的限制，定子高压变频只有采用级联的方式。高压变频器的变压器为特制的多绕组变压器，二次输出多达45-60只端子，变频器主回路接线比较多。另外高压变频器使用IGBT数量为150-180只。而在双馈转子变频系统中，变压

14、器为通用整流变压器，IGBT数量为24只，二极管12只，元器件总数36只，主回路可靠性是高压变频的5倍。高压变频器中使用60-80只电解电容，此电解电容寿命为2000-6000小时，正常使用八个月左右就要更换。更重要的是这样的元件寿命不能保证提升机电控系统的可靠性。转子双馈变频器采用二个高性能聚丙脂电容，寿命可达20万小时，寿命是电解电容的20倍。矿井提升机在启动时为了防止倒转，必须有力矩预置，转子双馈变频器在1.5倍额定电流下就可以输出1.5倍额定转矩，这是高压定子变频所不能达到的。转子双馈变频器在高速运转时转子电流很小，在接近同步转速时所调整的只是转差功率，理论上和实际应用中都证明效率要高

15、于定子高压变频器。 矿井提升机电控系统综合性能比较表 系统名称比较项目TKD系统直流电控系统定子短封方式定子高压变频转子双馈变频调速性能调速范围窄，调速精度低，有级调速。调速范围宽，调速精度高。同步速以内连续可调同步速以内连续可调可超同步运行，速度连续可调，调速精度高。安全可靠性空重载减速度不好控制运行不稳定，可靠性低电控技术成熟，运行可靠，但直流电机维修麻烦。改变电机的磁路，引起定子转子绝缘下降，安全性不好。结构复杂，功率器件太多，大量短寿命电容，安全可靠性差。结构稳固，运行安全可靠。运行效率空重载减速度不好控制，爬行段长，提升效率低。提升效率高同步速以内速度连续可调；提升效率较高。同步速以

16、内速度连续可调；提升效率高。超同步速以内速度连续可调，提升效率最高。谐波污染无谐波 谐波较大，尤其是大功率直流拖动需要进行谐波治理。由于采用两电平结构，较大很小三电平结构谐波小，对电网污染很小。功率因数等于电机功率因数较低，需加功率因数补偿装置较高较高功率因数高，可达到1能耗能量浪费严重。由于直流电机效率较低故能耗较高由于改变电机的磁路，电机效率大大降低，能耗大变压器复杂选型比电机功率大，且效率低，能耗低变频器效率高，能耗很低。起动转矩起动转矩大，但机械冲击也大。起动转矩大起动转矩小需大幅加大起动电流18倍额定电流产生15倍额定启动转矩15倍额定电流就可以产生15倍额定启动转矩经济适用性初期投

17、资小，但能量浪费严重。初期投资适中，综合性能不如转子双馈变频电机效率降低且寿命缩短，需更换电解电容，经济适用性不好投资适中，但需更换电解电容，运行成本高，且不可靠，经济适用性不好投资适中，各项指标优秀，值得推广，经济适用性好。综合评价淘汰产品技术成熟，目前应用较多对设备有危害，不推荐可靠性差，运行成本高，不推荐经济社会效益显著，应用前景良好1.4设计思路：1.4.1改造原则：（1）以高可靠性，安全性及技术先进性为前提，采用安全、可靠、先进、合理的新技术，完成提升机系统的控制及运行。（2）从适应性、普遍性、通用性和成熟性上考虑，选择所需设备。（3）充分利用现有设施，保证系统功能的前提下，尽可能简

18、化系统，尽量减少投资。（4）电控设备执行GB3797及煤炭行业有关标准；（5）采用经过实践检验的电工行业先进技术，使用维护方便。（6）对元器件进行严格筛选，关键环节一律采用可靠性高的部件。1.4.2电控系统改造的目的：（1）建立先进、灵活、适用的计算机网络控制、管理系统，并能纳入局域网。（2）建立安全可靠的保护系统，保护功能多和优于现电控系统。（3）生成各种生产报表及统计、故障信息等画面，反映提升机所有的运行参数和运行状态，以及故障类型，故障发生时间和位置，能及时通知维修人员排除故障，从而缩短排除故障时间，提高劳动生产率。（4）数字化改造实现的目标：通过软件来灵活实现原系统中所有控制功能，留有

19、自动化接口，并有力的提高其控制性能指标，加强其保护功能，最终达到提高整个系统的可靠性、稳定性、扩展能力和控制性能指标。完成全数字化改造后，系统的性能指标如下：1） 控制静态精度0.2%2） 动态响应时间150ms180ms3） 动态速降3.5%4） 改造后要具有手动、半自动、检修、验绳等多种操作方式。1.4.3提升机电控系统改造总体方案 矿井提升机电控系统改造方案图（1）制动系统保持不变，具有电气制动装置。（2）使用现有的高压交流绕线式异步电机.（3）操作电源有电锁，避免非司机人员的误操作，操作台上有紧急停车按钮。（4）将有电控系统改造为“全数字转子双馈变频调速+多PLC沉余控制+上位机监控”

20、全数字电控系统。（5）根据需要可增加转接柜，使新老系统互为备用。1.4.4改造后电控设备执行标准和使用条件（1）电控设备符合下列规定和基本要求： 1）煤矿安全规程； 2）煤矿地面多绳摩擦式提升系统设计规范 (MT50211997)； 3）交流传动矿井提升机电控设备技术条件（JB426386）; 4)工业过程测量和控制装置的电磁兼容性（GB/T1392692）; 5)低压配电设计规范（GB5005495）; 6) 现行国家电工委员会及其它有关标准； 7） 进口电气设备遵守国际电工委员会IEC标准； 8) 电控装置的静动态性能指标完全满足提升机四象限运行的要求;9) 电控装置能承受提升机运行时的地

21、坪振动;10)安全回路等关键电路采用冗余结构设计;11)传动装置设置散热风机,并设置通风监视;12)井筒中和井下采用防爆设备,其标准满足于GB3836-83/1-4要求.（2）电气控制系统使用条件电气控制系统应安装在户内场合,基本工作条件如下:1) 海拔高度不超过2000米;2) 周围介质温度不高于+50,不低于-10;3) 空气相对湿度:最强日的日平均最大相对湿度不超过95%;但应该注意到由于温度变化可能会偶然地产生凝露;4) 无显著振动,无冲击振动的场合;5) 周围介质无爆炸危险,且不足以腐蚀金属,无破坏绝缘的气体和沉埃(包括导电沉埃);6) 电网质量:波形为50HZ正弦曲线,电压幅值波动

22、不超过+10%(短时允许+15%的电压波动).1.5、旗山副井提升机全数字控制转子双馈变频调速系统技术方案1.5.1 电平双PWM变换器以IGBT为代表全控器件组成的PWM变换器具有谐波分量小的显著优点。近年来，随着全控器件的容量不断提高， 使得在高压大功率调速应用场合也有可能使用PWM变换器进行变压变频调速，其效率、功率因数、电压利用率等各项指标均优于晶闸管半控器件组成的相控变换器。图2 二极管中点钳位三电平变换器的基本结构传统的两电平逆变器的大功率运用中存在许多问题：需要笨重、耗能、昂贵的变压器，为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗，而为了适应高电压的要求，需采用器件

23、串联，因而需要复杂的动态均压电路。三电平变换器由早期的两电平变换器演化而来，在变换器的桥臂上有4个电力半导体开关器件。每个期间三电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平逆变器的诸多缺点：无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高等。其主要优点是：电平数越高，输出的电压谐波含量越低，开关器件的开关频率低，开关损耗小，器件应力小，无须动态均压。采用不同的控制方式，可使三电平变换器工作在逆变状态或整流状态。在逆变运行状态，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合实现多电平阶梯波电压输出，从而使得输出的电压

24、波形更加接近正弦波。在整流运行状态，可在直流输出电压可控的基础上，实现网测功率因数调节。目前，在电力系统中正越来越多的使用由三电平全控整流器构成的有源滤波器。1.5.2全控双馈调速系统构成全控双馈系统功率变换单元均由全控器件组成的三电平变换器构成。当转子馈出能量时，变换器CU1工作在全控整流状态，CU2工作在变压变频的逆变状态；当转子馈入能量时，两个变换器的工作状态与上述相反。由CU1和CU2组成的双三电平PWM变换器的结构如下图所示：图3双三电平PWM变换器1.5.3 双馈调速系统运行方式双馈控制所具有的一个突出优点是电机在调速的同时，能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数。由于电机

25、定子侧直接接入恒压恒频电网，因此在实际应用中，合理地选择转子电流的控制方式，使系统获得某种能量指标最优。一般双馈调速系统有以下四种运行方式：（1） 全补偿工作方式：即全部补偿定子的无功功率，使定子无功电流为零。在转子不过流的情况下，电动机的输出转矩将小于额定转矩。这种工作方式控制简单，较易实现，比较适用于负载变化不大的场合。（2） 转子电流量最小工作方式：这种工作方式的实际意义在于降低转子侧功率变换器的容量。由于转子有功电流分量取决于负载，因此，当转子电流无功分量为零时，转子电流达到最小值。在这种情况下，当转矩为额定时，转子的全电流即为额定的有功电流。（3） 转子电流恒定工作方式：当负载变化时

26、，转子电流幅值不变，但相位改变。重载时，转子电流的转矩分量较大。满足负载要求，在不过流，发挥改善功率因数的作用；轻载时，则提供较大的超前无功电流，尽量发挥改善功率因数的作用，这种工作方式特别适合负载变动较大，经常轻载而电网又常常需要补偿功率因数的场合。（4） 最小损耗工作方式：这种工作方式的基本原理是通过调节转子典雅的幅值和相位，合理的分配定子电流的有功分量和无功分量，使得在任何情况在下双馈调速的异步电动机的损耗为最小。这种控制方式效率最高，但控制复杂。上述四种工作方式各有特点，在使用中应根据实际情况进行选择，也可采用多方式切换来满足不同工况的需要。1.5.4矢量控制全控双馈调速方案对于双馈电

27、机而言，由于电机的定子接在工频电网上，转子接在可控的三相电源上，在动态过程中有转子侧引起的磁场波动必将在定子侧进行解耦补偿，考虑到冲击性负载及电网在瞬间畸变情况下磁链应具有很强的抗扰特性，因此选定磁链矢量作为同步定向坐标轴系。磁链定向方法可分为转子磁链定向，定子磁链定向和气隙磁链定向。在双馈调速中，一般应用定子或气隙磁链定向进行转矩分量和励磁分量的解耦。图4 双馈调速矢量控制示意图当采用磁链定向后，转子电流M-T分量的解耦控制直接对应于定子电流在有功与无功电流方向上的正交控制。因此，分别采用有功和无功电流调节器可以使系统对无功电流的调节构成更好的实时控制效果。限于篇幅，图4中如电压前馈补偿等环

28、节未具体画出。1.5.6全控双馈调节系统结构图5 全控双馈调节系统结构全控双馈调节系统由以下几部分构成：系统主处理单元：使用MPC5554，32位RISC主处理器，实现速度调节、开停机条件检查及控制、设备运行状况监视。该模块通过信号处理接口单元和现场具体信号相连。模拟量接口单元：提供16路模拟量输出，将系统运行信息通过模拟量供给外部仪表和操作设备。通信借口单元： 提供CAN和PROFIBUS工业控制总线，和绝大多数PLC实现无缝连接。显示操作接口单元：提供设备显示和操作键盘接口。功率驱动接口单元：为脉冲触发处理单元提供必要的输入信号，并将其输出的脉冲触发信号进行功率放大。脉冲触发处理单元：为系

29、统的核心单元，其结构如下图所示：图6 脉冲触发单元示意图如图所示，脉冲触发单元的输入信号包括三路零电流，三路同步，三路电压、电流，输出为三相正反组触发脉冲（桥式变流器为36路触发脉冲，零式变流器为18路触发脉冲）。在脉冲触发单元中需完成矢量控制，电流调节，触发脉冲分配等任务。脉冲触发单元由TMS2812，32位DSP为主运算单元，主要进行矢量控制和电流调节任务，脉冲触发分配由FPGA硬件实现，最大程度的保证系统响应的实时性。整个调节系统通过16位并行总线和高速串行总线相连，具有很强的实时数据处理能力和可扩展性。2 系统特点：2.1 系统设计要求达到的性能 2.1.1 转矩：启动、低速运行时，转

30、矩可以达到额定转矩的两倍。由于电压和频率均连续可调，电机起动电流可得到有效控制，转矩冲击不存在，可提供既可控又平滑的最大启动及制动转矩，大缩短了加减速及爬行段的时间。2.1.2 调速性能：失量控制可实现类似直流拖动控制系统的优良调速性能，实现无级调速。系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，系统的安全得到保证，极大地降低了操纵难度；减速时电气制动减速，司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生。2.1.3 无谐波污染：通过高性能失量控制算法，将功率变换装置和电机作为整体考虑，在实现高性能调速的前提下，可对整流网侧功率因数、整流网测谐波、电机定子侧功率因数等系统关键指标

31、进行调控，所以几乎不存在谐波污染，不需增加无功补偿、谐波治理等投资。2.1.4 功率因数：双馈控制所具有的一个突出优点是电机在调速的同时，能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数。使功率因数0.78提高到1。大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。2.1.5主回路设计上：采用先进的背靠背三电平二级管钳位拓扑结构，可大大消除电压尖峰脉冲对功率器件和电机绝缘的影响2.1.6 系统性能、扩展能力：电控系统采用全数字控制器,能通过软件来灵活实现原系统中所有控制功能,留有自动化接口,提高其控制性能指标,加强保护功能,最终达到提高整个控制系统的稳定性,可靠性,扩展能力和

32、控制性能指标。2.2 效益目标2.2.1 能耗明显降低:矢量控制全控双馈调速方案与串电阻调速方式相比，节约了消耗于转子电阻回路中的能量，且在制动过程中可以发电并回馈电网，每年可节约电能消耗约20-40%。2.2.2 生产效率大提高：能可靠地按系统设计的最短时间加、减速，显著缩短一次提升时间，提高生产效率。2.2.3 维护方便，降低故障率：（1）与传统的TKD控制方式相比，电机定子、转子温度均下降很多，使电机运行的故障率大幅减少；由于实现了无级调速解决了切换电阻冲击电流大，运行平稳性差的问题，使系统运行安全可靠。（2）实现了全程的电力牵引与电力制动，机械闸只有在停车和安全回路保护动作时才起作用，

33、闸瓦磨损减少。由于变频运行机械特性很硬，钢绳不易打滑，明显减少磨损。由于转矩平滑降低了齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障，减少了设备的维修量和维修费用。（3）系统结构模块化设计，使安装维护更加方便。（4）由于闸瓦、减速机构运行有所改善，可消除磨损造成的飞尘，电阻群无需使用，解决了工作现场环境温度过高的问题。（5）系统自动化程度很高，减少了人工操作失误率。3 系统硬件组成及结构：3.1 低压配电设备低压配电设备用于提升机辅助设备的交流380/220V配电。低压配电部分，进线为双回路，各进出回路均配置有必要的保护装置，其工作状态经PLC传输到上位机显示。3.2 主回路3.2.1 转子回路系统采用1台变

34、流整流柜，此变流柜为整流逆变组成的双组桥，变流柜的技术规范如下：1）功率元件选用IGBT 32只2）交流侧进线电压与变压器二次侧电压相匹配3）设有交流侧过压保护4）带温度保护5）带阻容吸收装置3.2.2 定子回路直接接自高压换向柜3.3 全数字调节系统全数字调节部分（如右图）是采用自行研制的ASCS全数字调节系统（该产品1996年获煤炭工业部科技进步二等奖，1997年获国家科技进步三等奖，到目前为止，已经有七十一套产品分别在提升机和双机拖动的矿井钢缆皮带的调速电控系统中得到应用）。ASCS全数字调节系统和SIMADYN-D全数字调节系统结构相似，都是模块结构。分别由电源板，CPU板，输入板，输

35、出板，脉冲板）和A/D板组成。全数字调节部分主要功能有：（1）完成提升机速度和电流双闭环调节，如：1）预设速度基准值； 2）限制加、减速过程的冲击；3）速度自动调节； 4）转子回路电流自动调节； 6）预设电流限制值等。（2）实现转子回路的各种故障保护，如：1)快熔熔断； 2）电枢变压器超温；3）电枢整流桥快熔熔断； 4）电枢过电流等。（3）实现其他功能，如：1) 调节系统支持其通讯接囗； 2）各插件自检；3.3 多PLC网络控制系统 提升机是矿山咽喉设备，为满足其高可靠性、高安全性要求，建立以网络为连接纽带的多PLC冗余控制系统，用于完成提升机行程控制、逻辑操作和故障保护、液压制动控制以及其他

36、辅机设备自动控制等。PLC网络控制系统中，由多台西门子S7-300PLC构成，所有PLC均通过MPI网连接，从而保证了重要数据的同一性，每台PLC的基本配置有：电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、A/D和D/A模块以及通讯模块等。3.3.1 操作保护PLC的主要功能是：执行操作程序，生成开车信号和方向； 实现各种故障保护及闭锁。来自系统各部分的保护信号直接引入到PLC中，PLC将其处理后分为立即施闸、终端施闸、报警三类，送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸。3.3.2 数字行程监控器 数字行程监控器由PLC（图3的下半部分） 、二个轴编码器(一个装在驱动轮上，另一个装在天轮上)

37、和井筒同步开关（装在减速点前）构成。两台轴编码器将提升机钢绳在线速度和行程位置转换成脉冲信号分别送入PLC中，PLC将部分操作信号、部分保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理，自动产生提升机所需的速度给定信号(即运行曲线),为了尽量减少起动、制动过程中的机械冲击，提高提升机控制精度，速度给定信号的加速、减速段为曲线，减速段行程通过PLC实际运算来调节减速度以保证其为一固定值，从而保证了停车点不变和停车点的精度。数字行程监控器的定位精度不大于2cm。监控PLC与操作PLC之间相互保护、相互监督，并能完成如下功能：（1）产生速度包络曲线对提升机的速度进行连续监视。（2

38、）提升机运行法定试验时，可以更安全、可靠和容易，通过启动一个试验开关，调用相应测试程序，这样，在试验时，各种保护的效果，以及制动系统的效果，可以得到可靠的保护。（3）与传统机电系统不同，PLC行程监控器可以补偿由于运行磨损带来的钢丝绳和滚筒直径的变化。具体做法是，当提升容器在井筒底部时按下标定按钮，来回走一勾，重启PLC即可，不需要人工计算系数等操作。这种操作在软件中得到了充分的安全保护。（4）需要时，PLC行程监控器可以很容易地进行参数的整定以适应变化的工况（如变化了的速度，深度等）。系统程序包括各种速度曲线用于检查时人员的提升。在人员提升模式下，最高的位置是井口水平。3.3.3安全保护回路

39、由操作保护PLC、闸控PLC与继电器构成双线制提升机安全保护回路。来自提升机各部分的保护信号分为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警4类。其中井口施闸、电气制动和报警类事故信号直接引入到PLC中，PLC将其处理后送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸，而立即施闸类事故信号除引入到PLC中处理、显示、报警外，还直接引入到安全直动回路，动作施闸系统施闸。系统的安全回路有两套，一套由PLC构成，另一套为继电器直动回路，如图所示。系统的主要保护有：1）立即施闸类故障保护（就是说发生下列各类故障时，系统能立即进行安全制动停车）：-高、低压电源断电； -主回路过电压或接地; -转子过电流;-定子回

40、路失电源； -调节装置电源故障;-整流装置故障; -错向操作;-制动油路系统故障; -轴编码器故障;-控制计算机故障; -提升容器过卷;-提升速度超过最大速度15%及减速段过速10%;-提升容器达到终端位置时的速度超过2m/s；-钢丝绳滑动超限; -按下安全制动按钮;-定子、转子回路故障； -尾绳保护-摇台动作等。2）终端施闸类故障保护(就是说发生下列各类故障时，允许一次提升循环结束后再停车): -制动油油温超限； -电机温度和主轴承温度超限; -运行过程中通风机故障; -变压器温度偏高。3） 电气制动类故障保护(就是说发生下列各类故障时，系统自动降低速度到1米/秒,然后再施闸停车):-信号电

41、源欠压; -液压制动系统油温偏高;-液压制动系统油位偏低; -闸瓦磨损、闸盘偏摆、弹簧疲劳。4） 报警类故障保护（就是说发生下列各类故障时，仅发声光报警信号）:-低压电源漏电; -控制制柜温度过高-信号电源接地及其它接地故障; -室温过高。（4）制动控制系统对液压站各阀进行控制和调节的电气控制系统能与制动系统协调一致，对接收的信号在控制器中加以处理，并对制动系统进行控制。自动送闸 /施闸;油压值的调整，实现恒制动力制动;液压站的故障信号。3.4 操作台用中矿传动自行设计的操作台，该操作台不仅外形美观、布局合理、信息主次分明，而且还注重了人性化设计，操作更舒适、视野更宽。它包括显示台（如下图）,

42、右操作台和左操作台。其中显示台包含一套PLC。左操作台上有制动手柄，高压送电按钮、变频器启动按钮、变频器停止按钮、安全复位按钮、紧停按钮、灯试验按钮、过卷旁通按钮等。右操作台上有主令操作手柄、工作方式选择开关、控制方式选择开关、自动控制按钮和信号联络按钮等。指示台左侧为打印机，右侧为工业控制计算机，中间指示台上有运行参数显示仪表、重要操作信号和故障信号指示灯，显示仪表有：- 深度指示器：包括一套柱式显示器（粗针）和一套数字显示器（精针）；- 速度表； - 液压表；- 可调闸毫安表； - 转子电流表；- 定子电流表； - 6KV电源电压表。重要操作信号和故障指示灯有：- 控制手柄零位指示； -

43、制动手柄松闸位指示；- 高压合闸指示； - 控制电源合闸指示；- 安全回路正常指示； - 过卷故障指示；- 齐平信号指示等。司机可操作操作台上的开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和显示仪表以及工业控制计算机及时了解提升机的运行状态及运行参数。3.5 上位机监视部分：由上位计算机实现人机对话，它可显示：提升系统全貌及介绍；-转子回路及定子回路；-低压系统；-提升系统全貌；-速度图、力图-液压制动系统图；-故障信息； -帮助（如何阅读画面）等。上述所有画面采用组态模式，能实现人机对话，能显示主回路、低压配电回路、提升系统和故障信息等画面(如图4)，反映提升机所有的运行参数和运行状态以及故障类

44、型和故障发生时间，监视器能使司机对提升机的运行状况一目了然，若发生故障，司机能及时从监视器上了解到故障类型及位置，能及时通知维修人员排除故障，从而缩短排除故障时间，提高劳动生产率。具有Internet发布功能，采用B/S模式，网络内的用户不必安装客户端程序，只需通过浏览器就可以实时查看提升机的运行工况，画面的刷新与现场上位机同步。将所有数椐采用组态软件，软件自带opc server接入钱矿综合自动化平台。打印机能打印出显示器上显示的各种画面和故障信息。3.6 液压站和信号系统技术方案液压站与主控PLC的衔接采用I/O接口及网络接口双回路。用主控PLC发安全回路闭合、闭锁、释放、预施闸、施闸、自

45、动、手动等各种信号。与信号系统实现符合安全规程的闭锁关系，负责完成给信号系统的信号和从信号系统接入的信号。联接做到先进、可靠、安全和方便。3.7 外围传感器装置（1）井筒开关：选用磁性非接触开关，分别设置在井筒中过卷、齐平、同步、减速点等位置。（2）轴编码器：选用3台坚固型编码器分别安装在导向轮和驱动轮上。轴编码器PG1信号进入行控，轴编码器PG3信号进入主控PLC2，作为两路完全独立的行程和速度监测信号，行控PLC3实现速度控制，PLC2、PLC3分别实现有关行程和速度的监视保护。通过网络通讯，PLC2和PLC3进行行程和速度参数的相比较，实现钢绳滑动监视及PG1和PG3的相互监视。（3）测

46、速机（TG1）信号同时进入行程PLC2，用于速度的监视保护，及测速机和轴编码器的相互监视。（4）轴编码器PG3信号输入调速控制计算机，用于闭环调速控制。（5）装设一套井筒开关，用于完成控制与保护功能，包括：过卷开关、减速开关、停车开关、同步校正开关。轴编码器、测速发电机、井筒开关型号为：轴编码器：NE-2048-2MD 日本公司测速机：ZYS-200A井筒开关：KG1010G（配KY35磁铁）3.8 提升机全数字电控系统故障保护明细表3.8.1 主回路3.8.1.1 主回路过电流（紧急制动）3.8.1.2 主回路对地漏电（井口制动）3.8.1.3 IGBT过热（>80度，井口制动）3.8

47、.1.4 变频器冷却风扇监视（井口制动，信号闭锁）3.8.1.5 变压器过热（井口制动）3.8.1.6 变压器瓦斯（井口制动）3.8.1.7 变压器过流（断高压、紧急制动）3.8.1.8 6KV失压（断高压、紧急制动）3.8.2 控制回路3.8.2.1 安全继电器监视（紧急制动）3.8.2.2 高压跳闸（紧急制动）3.8.2.3 速度包络线连续监视（紧急制动）3.8.2.4 主绳松绳（紧急制动）3.8.2.5 轴编码器监视（紧急制动）3.8.2.6 方向和停车监视（紧急制动）3.8.2.7 脚踏（紧急制动）3.8.2.8 减速段定点保护（7m/s,4.5m/s,2m/s,紧急制动）3.8.2.

48、9 低压馈电开关监视(紧急制动)3.8.2.10等速段超速（手动11m/s，检修4.5m/s）3.8.2.11井筒过卷（紧急制动）3.8.2.12 0.7m软过卷(紧急制动)3.8.2.13主电机风机监视（信号闭锁）3.8.2.14油泵失电（信号闭锁）3.8.2.15润滑油过压、欠压、制动油过热（信号闭锁）3.8.2.16闸磨损（井口制动）3.8.2.17 PLC柜馈电开关监视（紧急制动）3.8.2.18 测速机断线（紧急制动）3.8.2.19 变频器故障（紧急制动）3.8.2.20 变频器故障（井口制动）3.8.2.21 变频器故障（报警）3.8.2.22 操作保护PLC故障（紧急制动）3.

49、8.2.23 行程监控PLC故障（紧急制动）3.8.2.24 主电机过载（紧急制动）注：以上保护若现场需增加，可在方案论证和协调时加减，并在系统设计时预留一定数量的接口供现场调试时增加。4、节能效果比较4.1 与传统TKD系统能耗比较4.1.1传统TKD系统需要在转子回路中串电阻以降低启动电流和能耗制动，这就需要消耗大量的电能。现举一个例子说明这一点。某矿井电机为1000KW，定子电压为6KV，定子电流127A，转子电压620V，转子电流990A，额定转速493r/min。最大力矩倍数为2.3，最大提升速度9m/s，提升循环时间72.1s。通过计算得各级启动电阻和加速时间分别为：Rpr1 =

50、1.034 tpr1=0.75sRpr2 = 0.256 tpr2=3.34sR1 = 0.1338 t1=4sR2 = 0.0776 t2=2.324sR3 = 0.0448 t3=1.348sR4 = 0.026 t4=0.782sR5 = 0.0151 t5=0.454sR6 = 0.00874 t6=0.264s各级电阻启动电流为：Ipr1 = 346.5A Ipr2 = 1396AIav = 1745A则一个循环时间内启动时各级电阻功耗分别为：Wpr1 = 346.5 X ×346.5 X 1.034 X 0.75 /3600000=0.02586 kW·hWpr2 = 1396 X 1396 X 0.256 X 3.34 /3600000=0.4628 kW·hW1 = 1745 X 1745 X 0.1338 X 4 /3600000=0.4526 kW·hW2 = 1745 X 1745