煤矿机变频控制系统设计研究

矿井提升机主要用于地面物料的下放、井下煤料的提升、人员的运送，在地面与井下频繁、高速的往复运行，需要频繁的启动、停止、调速、制动。为保证煤矿提升机的安全、稳定、连续运行，防止事故发生，对控制系统提出了更高的要求。矿井提升机控制系统逐渐向提升工艺过程微机控制、提升行程控制、提升过程监视、安全回路以及完善故障监视系统方向发展。早期国内矿井提升机以交流异步电动机拖动，继电器+接触器构成控制系统逻辑控制装置，以电动机-发电机组供电。该矿井提升机控制系统的缺点是调速性能差、控制精度低、保护和故障监测系统不完善、可靠性不高、后期的维护成本大。改进后的矿井提升机采用晶闸管装置，以动力制动、低频拖动模式完成调速、停车。该矿井提升机控制系统的缺点是调速精度低、维护工作量大、安全系数不高。随着智能控制技术、电力电子技术以及变频技术的不断发展，国内矿井提升机以PLC控制器为核心，利用变频技术、智能仪表技术实现提升机四象限运行，速度控制精确、可靠，可通过HMI人机界面直观监测矿井提升机运行状态以及运行行程，有较完备的故障监测及显示系统。矿井提升机的主要动作有正向提升、正向下放、反向提升、反向下放四个，即往复运动。以PLC控制器+变频器的模式，对矿井提升机的运动进行控制，达到平滑调速、提高调速精度。

1总体设计方案

矿井提升机变频控制系统总体设计方案见图1所示，由操作台、信号处理系统、PLC控制单元、电动机单元、液压站单元以及提升装置六部分组成。操作台是控制矿井提升机的命令发出者，位于操作台内的提升机司机通过控制手柄，对PLC控制器单元发出命令。在操作台内部还安装有角位移传感器、显示仪等设备。信号处理系统主要完成对控制指令的诊断、滤波，保证控制指令的可靠性。电动机单元包括编码器、主电机以及减速器三部分，是矿井提升机的驱动机构，编码器用于反馈电动机的实时转速，PLC控制器可根据该参数对变频器进行变频控制。提升装置包括滚筒、罐笼等，是矿井提升机的主体部分。PLC控制单元包括PLC控制器和变频器两部分。PLC控制器通过接收信号处理系统诊断、滤波后的操作台指令，以CAN通信方式对变频器进行控制，以转速/转矩模式驱动主电机运行。

2变频控制原理

变频器主要利用电力电子器件（如IGBT）的通断，将工频电源转变为某一频率的电能系统，实现对交流异步电动机的软启动、调速等功能，实现对电动机的过流、过压、过载等保护。变频器主要由整流单元、逆变器单元、高容量电容以及主控制器组成，将工频交流电转换为直流电并存储在高容量电容中，由逆变器将电容中的直流电转为频率、宽度、幅度可调的额方波。主控制器中软件程序控制方波进行输出。交流异步电动机转速可表示公式（1）：其中，n为转速，ƒ为频率，s为转差率，p为电动机极对数。对于电动机，转差率与极对数恒定，由式（1）可知，转速与频率成正比，改变ƒ即可实现电动机的平滑调速。变频器的控制模式主要有矢量控制、正弦脉冲调制控制、电压空间矢量控制以及直接转矩控制（DTC）四种，目前较流行的为DTC控制模式，在定子坐标系下直接对电动机建模，对电动机的磁链和转矩进行直接控制，避免了矢量控制模式存在的计算量大、分解磁场困难等问题。

3硬件设计

矿井提升机变频控制系统核心硬件为PLC控制器及其扩展模块、变频器。根据矿井提升变频控制系统控制要求，统计系统需要控制的开关量、模拟量，确定需要扩展的数字量、模拟量模块的数量，详见表1所示。变频器选用西门子的S120型，该变频器可直接驱动同步或异步电动机，主要由电源侧功率部件、电源模块、元以及可补充的系统组件组成，具备搬运轻便、安装布线简单、符合EMC要求、内部风冷等优点。西门子S120变频器核心技术参数见表2所示。

4软件设计

矿井提升机变频控制系统软件流程见图2所示，由PLC控制器通过读取操作台指令，对变频器进行加速、减速、恒速控制，从而控制提升机的平滑调速。系统上电后，首先检查系统是否正常启动，如果有启动故障，则进行报警、故障处理以及故障复位。启动液压润滑装置，启动变频器，使变频器处于就绪状态。PLC控制器每10ms接收一次操作台指令，对指令进行分析后，控制变频器的输出频率，进而达到对矿井提升机的调速功能。操作台发送给PLC控制其的指令主要有提升机启动命令IMst、停止命令IMsp、加速命令IMa、减速命令IMr以及恒速命令IMc。PLC控制器以CAN通信模式将数据发送给变频器，变频器接收到数据后进行解析，按照PLC控制器指令控制输出频率。

5结语

设计并实现的矿井提升机变频控制系统正在某矿进行应用，到目前为止，使用效果较好，调速平滑，故障发生率低、响应速度快。该方案通过PLC控制器+变频器模式，对矿井提升机进行整体控制，控制指令以CAN通信模式进行传输，减少了繁琐的接线工作，对后期设备的维护也大有裨益。该变频控制方案提升了矿井提升机的安全性，保证其连续、稳定运行。

作者：王俊青 单位：阳煤集团机电动力部