变频器在卷扬机操控系统的应用
在我国各类矿山中，卷扬提升机普遍采用串电阻调速。这套装置存在着很多缺陷，例如故障率高、维护费用高、运行效率低、制约生产发展等。为了提高生产装备技术水平，提高生产能力，我公司研制开发了金矿月卷扬机变频操控系统。
一、原卷扬机系统简介
原卷扬机系统主要由主轴装置、减速机、绕线式电机、盘形闸、液压站、深度指示器、天轮、配重、井架、电源柜、加速控制柜、动力制动柜、电阻柜等组成，如图1所示。该系统在我国各矿区被普遍采用。
该系统的工作原理是通过改变电动机正反转来实现罐笼上升与下降，而速度的改变则靠改变串入绕线式电机转子的电阻来实现的。其优点主要表现在机械抱闸制动方面。该抱闸装置控制方便，可靠性高，在长期使用中性能稳定，并且操作简单，便于系统连接。
这套系统的缺点也是明显的，主要表现在系统组成复杂，体积庞大、操作复杂、故障率较高。从实际系统中我们可以清楚地看到，各单元、各元件之间的连线达数百条；电阻器频繁烧毁，电机铜头、刷架、电刷等经常出现故障等。另外，由于控制系统烦琐，给检修维护带来很大困难，也是该系统的主要缺点之一。
从系统运行情况，我们不难看出，原卷扬机系统为有级变调速，动态速度变化不平稳、调速范围小，对罐难度很大，操作不易掌握，尤其是运行不稳增加了设备磨损。另一方面，当系统低速运行时，电机的转差率大，相应的转差功率完全转化为热量消耗掉。所以，该系统只是一种低效率、高消耗的调速装置。
我们知道，对于交流电机调速来说，改变电源电压、电源频率或电机的极对数均可改变电机转速。而对于原系统，电机极数和施加于定子侧的电源频率均不变，因此，电机的同步转速也不变，所谓调速，实际是通过串联电阻改变定子绕组上的电压，这就使电气传动的稳态调速精度大大降低同时，由于串入电机转子回路的电阻阻值不能无级变化，所以无法实现平滑调速。
我们还应注意的一点是原系统即使在再生能量回馈状态下仍然消耗大量的电网电能，例如，空罐上升时，电机处于发电状态，所产生的再生电能全部消耗在电阻上，并且由于系统处于制动状态，串入的电阻同样消耗大量的电能。这就是该系统的致命缺点之一。
二、卷扬机变频操控系统简介
变频调速是目前交流异步电动机最理想的调速方式，它模拟直流电机的调速方法，并考虑了电动机动态性能要求，具有无级调速、响应迅速、运行平稳、控制灵活等特点，广泛应用于各个领域。
然而，迄今为止，变频器在冶金、矿山等行业的还没有开拓出应有的应用，尤其是矿井卷扬机提升设备的变频改造，全国尚无成功范例。2001年，金蟾山金矿与欧瑞传动有限公司合作，研制开发了“卷扬机变频操控系统”，用于本矿的新建矿井中。该系统的研发和投入使用，在全国尚属首次。
“卷扬机变频操控系统”由变频柜(包括变频器、泄放单元、泄放电阻)、操控台等组成，如图2、图3所示。整套系统体积小、重量轻、操作使用方便可靠，并且完全沿用矿山设备的操作习惯。事实上，单从系统外观上看，新系统比原系统就有很大的优越性：原系统共有四个电控柜或电阻柜和一个操作台，而“卷扬机变频操控系统”只有一个变频控制柜和一个操作台。
泄放单元和泄放电阻的作用主要是泄放电机产生的再生能量。变频系统本身带有软制动，为了安全起见，继续应用了原系统的液压抱闸装置，作为安全保障。
变频调速器是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，可以达到0～400Hz。频率调节精度为0.01Hz，基本上实现了无级调速。所以，采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。并且，变频器提高了输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。
“卷扬机变频操控系统”的创新点之一就是在卷扬机系统中采用了泄放单元，该装置包括开关电源、电压采样与处理电路、脉冲信号发生与触发电路、保护电路、IGBT驱动电路及IGBT功率模块等。装置外设调节旋纽，可用来调节泄放的阀值电压和泄放速度。装置分别与变频器和泄放电阻连接。其中泄放电阻的大小直接影响泄放速度。
“卷扬机变频操控系统”的另一技术创新点就是在变频器内部设置了“PLC”功能，从而可以灵活控制液压抱闸装置，使之完成放开、抱闸和适度抱闸等不同操作功能。此处，液压抱闸装置为原系统所用，其机械可靠性早已得到证实。
操作台在外观上保持了原来风格，但内部控制系统和外部指示均为全新设计。操作继续沿用以前习惯，主令开关手柄改为无级调速手柄，用于动态调速。另外，加设了“紧急制动”按钮和“非常制动”按钮，以提高制动的可靠性。一般地，当变频器发生故障时，系统自动输出异常信号，控制系统安全抱闸。如果自动抱闸线路出现故障而不能准确执行功能时，操作“紧急制动”按钮可以紧急制动；如果“紧急制动”功能也失效，则可起用“非常制动”，按下该按钮，即可切断接触器线圈的控制电源，直接启动抱闸装置，从而达到最可靠的制动。
总之，“卷扬机变频操控系统”具有很高的技术含量和很好的技术优势，这主要体现在：
2.1 实现了电动机的软启动。
2.2 实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电机转速。
2.3运行平稳，无转差冲击，延长了机械系统的使用寿命。
2.4响应迅速，控制灵活，便于实现集中控制和系统集成。
2.5集信号处理、运行控制、电子制动、机械制动、安全保护为一体，提高了设备的整体功能。
2.6操作直观简便，驾驭轻松自如。
2.7节能率高。
三、系统的操作使用
卷扬机变频操控系统的操作使用十分简单。操控台的操作面板如图4所示。具体操作如下：
3.1 合上变频器电源开关(即R、S、T输入进线开关)，键盘控制器的显示器显示“-HF-”，约2秒后变为“0”。
3.2先将制动手柄应拔到“关”的位置，调速手柄调到中间，即“零”位置，然后打开电锁。
3.3分别按油泵、变频器的“启动”按钮，显示器显示仍为“0”。此时“电源指示”灯、“抱闸指示”灯亮。
3.4给出方向信号(即正转或反转信号)后，按键盘控制器上的“运行”键，同时配合操作制动手柄和调速手柄。此时，变频器输出由0HZ开始逐渐上升，如果输出频率低于F18(抱闸限制频率)的设定值，则系统自动抱闸运行(即电机堵转运行)，制动手柄不起作用。而当输出频率大于F18设定值时，“自动抱闸”装置停止工作，制动手柄开始起作用，系统制动靠手动抱闸。卷扬机进入正常运行操控状态.
3.5升降速度的快慢由调速手柄控制。当需要快速停车时，可将调速手柄反向扳到中间位置以下，即可停车。停车后，应将调速手柄调回到中间位置。如果改变方向反向运行，可反向操作调速手柄。此时无须再按“运行”键。
3.6 当变频器发生“OC”(过流)、“OE”(过压)、“OL”(过载)等保护时，变频器关断输出，系统自动抱闸制动..此时，应将制动手柄和调速手柄恢复到初始位置(中间位置)，然后按一下键盘控制器上的“复位”键，则显示器由故障显示变为“0”；再按一下运行键，此时如果故障消除，系统恢复运行，否则，继续处于保护状态。
注：初次上电时也需按一下运行键才能运行，如此设置是为了提醒操作者不要忘了将制动手柄和调速手柄复位。
3.7 “泄放阻尼”旋钮置于“开”位置时，当配重下放过程电机处于发电状态时，制动单元有可能工作。制动单元工作时系统自动适度抱闸(约为完全抱闸时抱紧力的1/5)。
3.8本系统万一出现异常情况，如“失控”时，可立即按下“紧急制动”按钮或“非常制动”按钮，或者直接关掉电锁(也可断掉整个系统总电源)，即可启动抱闸装置，系统处于“完全抱闸”状态，从而保证人身和设备安全。
3.9.1 调节运行手柄的运行频率：当正向运行推到最大值而频率不能达到50Hz时，测量此时电脑板上端子排V2、V3间电压，将F19功能码设为该值；当反向运行推到最大值而频率不能达到50Hz时，测量此时电脑板上端子排V2、V3间电压，将F20功能码设为该值。
3.9.2 F30功能码用来选择停车方式：即自由停车或减速停车；当选择减速停车时，可通过F15功能码的设定确定减速时间。
3.93 F16／F17功能码为变频器正常工作时的加速和减速时间，通过调节这两个参数，可调节变频器运行时频率变化的快慢。
四、系统的使用效果
由于“卷扬机变频操控系统”应用现代微电子控制技术和电力电子技术，采用空间电压矢量控制方式，使交流电机调速获得了质的飞跃，克服了原调速方式的诸多缺点，通过对本项目的评测，节电率达45％，每年可节约电费11.17万元。
金蟾山金矿现有7台卷扬提升机，装机容量为510Kw。若全部改为变频操控系统，每年可为企业增加经济效益55.8万元。如将全国矿山提升机用的串电阻调速都改用变频调速，那么，每年仅节电一项就可实现经济效益上亿元甚至上百亿元。
经过在矿井六个多月的运行，“卷扬机变频操控系统”显示出自动化程度高、功能丰富、性能稳定等诸多优点。因此，在全行业内推广该系统对提高企业的经济效益、推动整个社会的科技进步和技术水平的提高都有十分重要的意义。
