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一、概述
九龍礦副井提升電控系統于2001年改造后投入使用至今已接近十年，提升機電機傳動控制采用轉子串電阻分級調速控制，調速精度低；通過真空開關切換、換向需要留有足夠的操作時間，動態響應慢，尤其處于低速爬行時段操作難度較大，整個提升周期不能進一步縮短，降低了提升機的使用效率；設備結構復雜、體積龐大、維護工作量大、檢修時間長，同時傳動系統效率低、能耗浪費較大；已經處于加速淘汰的趨勢。
由于電子技術的高速發展，許多設備及其采用的技術已經面臨更新改造甚至全面淘汰的狀態，尤其是近年高壓變頻技術的成熟和高壓變頻產品的推廣應用，對提升機電控系統技術性能和整體運行、控制方式的改進起到了關鍵的推動作用。
改造后通過高壓變頻控制電機可以實現軟啟動、軟停機，無需換向柜等開關設備即可根據電控指令，自動按照最理想的提升機速度曲線圖實現平滑的啟、停、調速和換向，通過能量回饋實現電子制動，無需通過施閘減速制動實現精確定位,極大提高了自動化程度,降低了操作、維護人員的勞動強度，提升機的使用效率、系統的傳動效率均大幅提高，在提高提升產量的同時實現節能降耗的目的。
二、 基礎參數與運行工況
九龍礦副井使用洛陽礦山機械廠JKM3.25/4型多繩摩擦式提升機，滾筒直徑3.25m，提升高度717m，提升容器為一噸礦車雙層四車罐籠，提升速度8.7m/s，采用630kw雙電機拖動，電機型號：YR118-10，定子電壓6000V、定子電流81A、轉子電壓745V、轉子電流516A。
副井提升運行工況比較復雜，每勾提升重量都有差異，且正、負力提升頻繁，調速方式為轉子串電阻調速，電動機轉子串電阻調速系統的調速屬有級調速，調速范圍受限，調速精度低，爬行速度不易控制，尤其是重物下放時，需要動力制動與轉子串電阻及制動閘配合操作，司機不易控制，安全性能差。在減速時和下放重物時，投入動力制動，不僅消耗外加直流電能，而且還將電動機上的再生電能消耗在轉子串接的電阻上，浪費了大量的電能，且運行維護量大、維護費用高、勞動強度大。
三、轉子串電阻調速與變頻調速的運行特性
1、轉子串電阻調速的運行特性
此方式通過可控硅切換，在電機的轉子回路串入不同阻值的電阻，起到調速運行的作用。
在電機啟動之初，所有短接開關處于分斷位置，所有電阻串聯接入電機的轉子回路。當電機加速至一定轉速時，閉合最靠中性點側的短接開關，電機轉子所串電阻減少，隨著電機進一步加速，絞車司機通過操作主令手柄依次閉合另外幾組短接開關，直至所有電阻被短接，電機運行至最高速。
在高速段，由于串入的電阻較少，因此電阻上損耗所占比例不大，但在低速段，如電機的爬行階段和加速起步階段，電網提供的絕大部分功率被電阻所消耗，浪費了大量的電能。
2、變頻調速的運行特性
變頻調速的運行方式是指將電機的轉子繞組短接，通過變頻器內的電力電子器件將工頻電網50Hz的電壓轉換成其他頻率的電壓，加在電機的定子繞組上。通過調節變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位控制電機運行在期望的轉速上。
變頻調速按照控制方法主要有VVVF控制、滑差頻率控制、直接轉矩控制、矢量控制等，其中，矢量控制能夠通過對電機的建模運算，實現電機磁通和轉矩的解耦控制，具有最優的控制性能。本文所述安弗森系列高壓變頻器即采用此控制方法，其良好的控制性能，尤其適應礦井提升機負載的需要。
在矢量控制方式下，變頻器能夠根據測量到的電壓、電流信號以及事先測得的電機參數，根據內建的電機模型，計算出電機的磁通位置、磁通幅值、輸出轉矩和電機轉速。而后根據該轉速與給定轉速的偏差，對輸出轉矩進行調節，如需要的輸出轉矩大于設定的“最大轉矩”，按照最大轉矩輸出。
四、安弗森變頻器系統組成及功能
1、高壓系統
采用真空高壓開關柜，其中：2路高壓電源進線、2路高壓饋電、1路高壓聯絡柜、1路高壓母聯開關柜，采用真空斷路器，配彈簧儲能電動操作機構。
2 高壓變頻調速系統裝置
（1) 變頻器與PLC電控硬連接
變頻器和PLC電控采用硬連接：電控把開關量正向起停、反向起停、緊急停機、模擬量頻率給定送給變頻器，可以控制變頻器運行；變頻器把開關量運行、故障、就緒、模擬量輸出電流、輸出頻率給電控系統，即可以正常工作。配合如下圖所示。
（2) 變頻器柜體介紹
變壓器柜：變壓器柜內裝有為功率單元提供三相電源的移相變壓器。柜門上設有干式變壓器溫度控制儀，為變壓器提供溫度告警和過熱保護。柜前門內側裝有行程開關，當柜門打開時告警。柜后門裝有電磁鎖，當高壓電進入柜內，電磁鎖自動鎖死，需用專用的電磁鎖鑰匙才能打開柜子的后門。
單元柜：單元柜內安裝的功率單元和三相電抗器分成三組，每組排列成一排，每組串聯成一相，每相串聯6個功率單元和三相電抗器。串聯后A1、B1、C1三個功率單元Y形短接，三相最后三個單元A6、B6、C6輸出接高壓輸出室的接線銅排上。在短接處的電纜上穿有霍爾電流傳感器，檢測輸出電流。
3、低壓配電柜
雙回路進線，為電控系統的輔助設備供電，并實現雙電源切換。配有UPS不間斷電源，以便在主電源故障情況下，能夠使皮帶機實現可靠的安全制動，為計算機提供電源，保證計算機的運行和數據保持。
4、提升數控柜
安弗森的雙套不同配置的AN1系列可編程控制器。雙PLC之間既有軟件上的聯鎖，還有硬件上的聯鎖和看門狗電路，對PLC的運行進行監視，防止因為PLC死機或其他意外原因造成PLC故障時能及時監測并參與安全保護。
主控PLC由主機架、電源板、CPU板、通訊板、高速計數板、模擬量I/O板、數字量I/O 板、調制解調器等硬件組成，輸入輸出口留有一定的余量。主控PLC應用軟件能完成提升機手動、半自動、檢修、換層、慢動、緊急控制開車等運行方式的控制要求。
5、保護功能設置
（1）立即施閘的故障：高、低壓電源斷電故障、直流快速開關跳閘、勵磁回路故障、電樞回路故障、提升容器過卷、調節及控制回路故障、主電機失磁、制動系統油壓故障、提升系統超過最大速度15%及減速段過速10%、2m／s定點過速、鋼絲繩滑動超限、錯向操作、按下安全制動鈕、電源斷電、快開跳閘、主回路過壓、過流、主回路失壓等。
（2）先按設定減速度減速，然后緊急停車的故障：定子、轉子及變流器發生局部故障、主機軸瓦過熱、變壓器溫度偏高、運行過程中通風機故障、信號電源欠壓、液壓制動系統油溫偏高、液壓制動系統油位偏低、閘瓦磨損、閘盤偏擺、彈簧疲勞等。
（3）完成本次提升后，不允許再次開車的故障：主電機超溫、低壓電源漏電、信號電源接地及其它接地故障、室溫過高、控制柜溫度過高等。
6、網絡化操作臺
輔控PLC除了具備電子數字監控器的功能外，操縱臺上需要從PLC輸入、輸出口進行接線的，均從輔控PLC就近接線，輔控PLC安裝在操作臺臺體內，并與主控PLC進行網絡通訊，各種信號線通過通訊電纜完成，實現網絡化控制。操作臺上裝有指示燈、儀表、選擇開關、按鈕、音響設備、數字深度指示器等，能實現提升機運行的各種控制工藝的要求。
7、軸編碼器與測速發電機
主軸傳動裝置上的軸編碼器信號進入主控PLC，導向輪傳動裝置上的軸編碼器信號進入輔控PLC，作為兩路完全獨立的數字行程監控器的位置信號，通過網絡通訊，兩路數字監控器相互比較、冗余控制，實現速度的包絡線保護、鋼繩滑動、位置閉環控制，確保數字監控器的準確、可靠、安全。
主軸傳動裝置上的測速機用于速度保護，與數字監控器的速度進行比較監視進一步確保數字監控器的可靠性。
五、變頻改造后效益分析
改造提升機用變頻器是在原提升機電控系統的基礎上，用變頻調速系統替代原工頻調速系統，同時保留工頻調速系統，使兩套系統互為備用，增加系統運行的可靠性。
改造之后：
1、實現了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩可靠。
2、啟動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度。
3、啟動轉距、低頻轉距、制動轉距均符合規定要求。
4、運行速度曲線成S形，使加、減速平滑，無撞擊感。
5、遠控及顯示正常，操作方便、觀測直觀。
6、安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。
7、當減速及重物下放時，能實現制動回饋。
六、總結
針對目前國內交流變阻調速提升機存在的速度控制性能差、能耗大，不易操作的現狀，礦井提升機大功率變頻器，滿足了提升機的各種運行方式，具有調速性能好、安全可靠、運行平穩、操作簡單、低頻轉矩大、節電效果顯著、功率因數高、諧波含量低等優點。
尤其是采用了再生制動方式的變頻器，使提升機在減速段或重物下放操作時變頻器能自動轉入發電反饋狀態，使制動更平穩，操作更簡單，有速度傳感器的矢量控制的應用，使得變頻器具有低頻轉矩大、調速平滑、調速范圍廣、精度高、操作簡單的特點，運用了高壓變頻器的成熟技術，使得運行安全穩定、故障率低、基本免維護，技術先進、保護齊全，操作方便，節能效果顯著（與原電阻調速系統相比，可節電10%-30％以上），功率因數高（0.95以上），諧波含量極少，符合國家標準。
四象限高壓變頻器在交流提升機轉子串電阻電控系統改造及新提升機電控系統配置中，提高了礦山提升機控制技術和裝備水平。高壓變頻器調速系統不僅大大提高了礦山交流提升系統的安全性和可靠性，確保了提升機高質量運行，而且其技術性能達到國內領先、國際先進水平，實現了高轉矩、高精度、寬調速范圍驅動，是交流提升機電控系統發展的方向，應用前景廣闊。實現提升全過程變頻調速閉環控制，滿足提升機各種運行工況及特殊載荷運行條件，符合《煤礦安全規程》要求。實現提升全過程變頻調速閉環控制、無級調速和多速度等級運行，滿足副井提升機各種運行工況及特殊載荷運行條件。
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