大型交流提升机传动与控制系统集成研究.pdf

2 0 0 2年 4月 第 3 1 卷第 2期 有色矿山 No n f e r r o u s M i ne s Ap r ． ， 2 0 0 2 V l0 1 ． 3 1 No． 2 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 1 0 0 0 3 8 [ 关键词 】 提 升机；变频器 ； 控制 系统 [ ■要 】 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 1 l 0 0 m 、 单台提升机功率 最大 4 4 0 0 k W I J 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。 [ 中圈分类号 ] TD 6 3 3 [ 文献标识码 ] A [ 文章缠号 ]1 0 0 2 8 9 5 1 2 o o 2 o 2 0 0 1 4 0 3 S t u d y o n dr i v i ng a n d c o nt r o l s y s t e m o f l a r g e a l t e r na t i n g c u r r e n t h o i s t e r S HI Ge n g - s h e n g，YANG L i B e i j i n g C e n t r a l En g i n e e r i n g ＆ R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r N o n f e r r O U Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r i e s ． B e i j i n g 1 0 0 0 3 8 ．C h i n a Ke y WO I X i S h o i s t e r ；f r e q u e n c y c o n v e r t o r ；con t r o l s y s t e m A b s t r a c t T h e ma i n s h a f t h o i s t e r i n D o n g g u a s h a n Mi n e i s t h e d e e p e s t 1 1 0 0 ma n d l a r g e s t p o we r 4 4 0 0 k W h o i s t e r t h a t h a v e b e e n d e s i g n e d b y ENF I t i l l n o w．Re s e a r c h i n g con t r o l s y s t e m i n t e g r a t i o n i s i mpo r t a n t f o r c h c o s i ng b e t t e r p a r a me t e r ，s a v i n g i n v e s t me n t a n d h o i s t e r s a f e t y o p e r a t i o n． 1 前言 铜都铜业公司冬瓜山铜矿主井提升机是北京有 色抬金设计研究总院建院以来所承担深度最深 提 升高度 l l 0 0 m、 单台提升机功率最大 4 4 0 0 k W 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 8 0 年代末开始形 成了交流传动代替直流 传动的趋势。1 9 9 2年 金川 I 有色金属 公司二矿 区西 主井提升机引进 了国内第一套 3 5 0 0 k W 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， 北京有色抬金设 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、 [ 收 稿 日期 】 2 0 0 1 0 8 3 0 [ 作者简介 ]史更 生 1 9 6 5 ． 男， 河 南上蔡 县 人。 北 京 有 色冶金设计研 究总院 电气 自动化所所长 。 高级 工程 师。 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 1 0 0 0 m 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 0 、 3 --0 ． 5 H ， 式 中 H 提升高度 m ， 0 、 3 ～0 ， 5 为系数， H≤2 0 0 m时取下限， H≥6 0 0 m时取上 限。 例如 冬瓜山主井提升高度为 H1 1 0 0 m。 因此合理 的速度 1 6 ． 5 m／ s 。当然此公式对直流传动和交 维普资讯 第 2期 史更生等 大型交流提升机传动与控制 系统集成研究 1 5 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 速传动提升台理速度的低值。 以预选的 4 5 m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 ～ 1 3 Hz 调 速 较为 合适。而 4 ． 5 m 直 径 多绳 提 升机 1 5 ． 8 9 6 m／ r ， 当同步 电机极对 数为 1 2对 时， 则提升 机速度为 1 7 ． 2 m／ 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 1 6 ． 5 0 m／ 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 A E C公 司 产品， 提升速度 1 2 ． 0 m／ 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 9 ． 0 m／ 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 见图 1 。 { 嘲 口 t 州 ， ， 图 1 提升机 速度图 2 ． 2 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 ． 0 m／ s 2 为佳。 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 9 5 ％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 9 5 ％。 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 6 ． 5小时。安庆铜矿、 金川龙首新 l 主井提升机的实践证明了可采用的 6 ． 5 h ／ 班的运行 时间。 2 ． 4 有效载重 冬瓜 山主井 设计 的 日提 升量 1 3 0 0 0 t ， 年运 行 3 0 0天， 每天 3班。 以本文 上述 的提 升速 度 1 6 ． 5 r n ／ s 、 加速度 1 ． 0 m ／ s 多阶段速 度图、 作业时 间 6 ． 5 h ／ 班、 有 效载重 2 2 t 一 次提 升量 ； 作业 时 间 6 ． 0 h ／ 班、 有效载重 2 4 t 。如果采用这些优化的参数， 可 以用 4绳 绳径 4 0 mm 卷铜直径 4 5 m 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 2 2 t 6 ． 5 h ／ 班 或 2 4小 时 6 ． O h ／ 班 ， 可使用 4 4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 4 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。 此前 ， 应用于大型交流传动提 升机的变频器， 无 维普资讯 1 6 有色矿山 2 0 0 2年 第 3 l 卷 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 晶圃管变流器， 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 1 5 Hz以下 ； 电源侧 产生谐 渡且功 率因数较 低， 需 电容 器 补 偿； 工 作 电压 较 低， 一 般 不超 过 1 5 0 0V。 近几年交直交间接变频器 在向中压规格 6 k V， 4 ． 6 k V． 3 k V 发展过 程中， 开发 了一种开 关频 率略 低于 I GB T． 而容量又与 G T O接近的大功率可关断 I G C T器件。G E、 A B B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 I G C T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 I G C T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0 Hz 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 2 5 H z 较为理想， 有些公司的产品 推荐在提升机可使用 1 5 H z 。 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 P L C 来完成。国内矿山引进的提升机的主控制计 算机 P L C 有 多种型号 A B B公 司的 MP一2 0 0 早 期 和 AC一1 0 0 近期 、 西门子公 司的 s 51 1 5 早 期 和 s 7 4 0 0 近期 、 G E公司的 9 07 0系列。其 中 MP一2 0 0和 s 5 1 1 5已分别被 AB B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 P L C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 一5 4 5 作 为提升机的 主控制 计算机， 经 实践证 明 优 点较 多。 1 硬件可靠。该 P L C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 。 2 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。 3 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 l l 0 0 m 采用远程子站的方式较 为合 理。TI 一5 4 5的主 P L C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 T I 一5 4 5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。 4 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 P L C厂 商的统计资料说 明 P L C中 C P U和 I ／ O模块本身的 故障率很低． 控制系统的故障 9 9 ％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 1 6 ． 5 m／ s ， 加速度应在 1 ． O m／ s 2 ， 作业时间 6小时， 一 次提升 2 4 t 。 维普资讯