矿井提升机400 kW变频DTC系统设计与应用

宋健焜

(铜陵有色设计研究院，安徽 铜陵244000)

矿井提升机400 kW变频DTC系统设计与应用

宋健焜

(铜陵有色设计研究院，安徽 铜陵244000)

铜陵有色金属公司仙人桥铜矿副井提升机电气控制系统设计要求有好的高性能价格比，同时必须满足国家能源政策的综合能耗指标先进和可靠性的电气传动控制系统。据此对矿井提升装置的电控系统进行设计，并经生产应用，整机达到良好的电气控制系统的综合运行性能和降低能耗的目的。

矿井提升机;DTC控制技术;系统设计

0 引言

为了提高副井提升电控系统的自动化水平，保证提升机电控系统装置的综合可靠性，系统设计采用数字交流变频器和与之配套的调速控制器等构成完整的控制系统，实现提升装置的控制。经安装、调试、生产应用，整机达到提高整个系统的综合运行性能可靠和降低能耗的目的。

(1)提升机传动控制系统有集中式自动控制系统和分散式自动控制系统两种形式，该系统设计选用能量再生式传动变频器装置为核心的分散式自动控制系统。

(2)矢量控制系统(VC)和直接转矩控制系统(DTC)都是已经普遍应用的高性能交流调速系统它们的理论基础都缘于电动机的多变量非线性数学模型，与矢量控制不同，直接转矩控制获得了更快速的转矩响应。

(3)提升机传动具有大惯量负载的运动系统，设计结合DTC控制技术在起制动时要求有很快的瞬态转矩响应，要求传动系统在各种电网条件下应有卓越的性能，此外，DTC控制技术还可以有效的提高DC回路的电压，即使在电压较低的电网，变频器也可以获得较高的功率输出。

1 系统设计

(1)主控装置:提升机成套交－直－交变频(DTC直接转矩)调速系统，系统的静、动态性能指标可以满足提升机四象限运行特性的要求，并满足一定的过载能力和安全系数。系统设计采用相互独立的两套 PLC构成安全回路双线制，按照《GB/T 17626电磁兼容试验和测量技术振荡波抗扰度试验》的电磁兼容要求进行设计并符合有关规定要求。安全回路、PLC等关键电路采用冗余结构设计;

(2)提升机有弹簧疲劳、闸瓦磨损、闸盘偏摆、主轴轴承温度等检测设备(各检测设备数量和电气接口，由提升机电控设备制造商与提升机主机设备制造商进行机电配合)。提升机留有2台测速发电机和3台多绳轴编码器的接口(该接口要求由电控设备制造商向提升机主机制造商提供)。

2 系统组成

总体成套设备由全数字交－直－交DTC变频调速系统、主控计算机系统、上位监控系统组成。见图1。

图1 系统结构图Fig.1 System Structure Chart

图2为系统(150% 过载能力)配置图。

图2 三相全控桥逻辑无环流DTC直接转矩控制配置图Fig.2 Configuration Diagram of Three－Phase Fully－Controlled Bridge DTC Direct Torque Control with Logic Non－Loop

主控系统计算机采用PLAc原装可编程控制器，为主控PLC、从控PLC，应用软件能够完成提升机手动、半自动、检修、应急开车等运行方式的控制要求。

(1)手动。司机可以通过手柄控制提升速度在0～6 m/s范围内连续可调，同时允许司机手动调节制动闸力;

(2)半自动。信号系统发出开车信号，司机确认后提升机能自动完成一个提升循环，具有自动选择去向，确定运行速度和自动施闸等功能;

(3)检修运行。最高速度0.5m/s，司机通过手柄能够实现低速连续可调;

(4)应急开车。可用于PLC故障时，在低于2m/s速度下应急运行;

(5)应急操作。在任何运行方式下，司机通过急停按钮或脚踏开关实施急停操作。

3 系统研究

3.1 自动化控制

仙人桥铜矿副井提升机电气控制系统设计的交－直－交变频器装置通过设置参数来选择不同的操作方式和各种功能，也可以使用RS485接口以Modbus、Profibus－DP、Device－Net等协议与控制盘或PC机通讯，由PC机实现传动控制系统的控制参数设定和系统全过程的图形和数据显示，可以由此产生传动控制器所需的给定值，调取变频调速装置所有参数设定和运行参数。PLC与变频控制器之间可以通过区域总线适配器进行通讯，采用点对点的方式以模拟或数字信号进行控制。

3.2 直接转矩控制

系统采用DTC直接转矩控制方式，对变频器的输出转矩进行检测和控制，在0.5 Hz时，最大输出转矩可达到150%，在不＞500 kW的变频器采用DTC原理控制的输出频率和输出电压，使普通标准交流异步电机获得完美的速度和力矩控制特性，以其高可靠性、性价比在中、小型矿山垂直提升设备上得到广泛的应用。

4 系统应用

(1)配电系统设计。中压10 kV配电系统采用5台矿用一般型成套开关柜组成，由35/10 kV总降所提供两回路10 kV供电电源，电缆进、出线。具有有功kWh计量、V、I测量、失压、过流、进线联锁以及电动操作机构，各矿用一般型高压柜采用微机综合保护。低压0.4 kV电源配电装置2台，采用成套矿用一般型抽出式开关柜组成，相同容量互换、防护IP54，具有电压、电流测量，过流、双电源自动切换进线。

(2)辅助电源设计。采用双电源回路进线，必要的电气保护，为电控系统的辅助设备供电，配有UPS不间断电源，以便在第一、第二电源故障情况下，能够使提升机实现可靠的安全制动，以及保持计算机运行数据，留有6个100 A的断路器备用回路。

(3)逆变整流变压器1台，设计冗余容量≥800 kVA。

(4)交－直－交变频调速系统设计。原装进口DTC转矩控制变频器1套，并配有提升机专用软件，改变控制特性:在零速起动力矩能够达150%以上的额定力矩，防止起动倒转。PID速度闭环控制，速度调节精度达1∶100以上，起动防冲击的“S”化速度给定。能量回馈电网控制系统，能量回馈单元采用AFE形式。脉动控制，四象限运行，具有自换向，脉冲式整流。控制软件能够完成提升机手动、半自动、检修、应急开车等运行方式的要求。

控制设计可与信号、操作系统之间的相互闭锁，保护，对于全速超速、井筒两端减速段超速、上下过卷具有两套独立安全保护。同时，设计定点速度监视、闸瓦磨损与弹簧疲劳的监控与保护功能。

行程给定设计，定位精度误差≤2 cm，提升容器行程位置数字显示，在井筒内设置同步开关对光电编码器进行同步校正。

(5)保护制动设计。立即施闸的紧急停车(一级制动);安全制动(二级制动);完成该次提升后，不允许再次开车的安全制动。监视提升系统各路电源，对主传动电动机冷却通风机实现顺序联锁控制。安全保护继电，与PLC软件保护回路互为监视的冗余。工作闸自动控制，工作闸由PLC软件和安全回路节点控制，具备自动和手动调节。手动时可调节制动油压，自动时由PLC软件自动给出松闸、预贴闸、施闸控制信号。从PLC有独立的安全保护环节，与主PLC互相监视、协同工作。

(6)监控软件的设计。提升系统动静态画面生成、故障自检显示、报警、各类报表生成、历史纪录，画面:系统全貌及介绍、安全回路图、计算机硬件监测及通讯监视图、动态速度图、故障信息及事件记录(列表及打印输出)、提升信号显示。

(7)信号系统设计。安全闭锁装置，并具备声光指示功能，有罐笼运行，提人、提物、检修等种类信号，有罐位、去向、要罐、水平执行、换层、对罐、急停、电源、安全门开闭、事故信号、开车信号等指示，并有各种音响提示，记忆查询。各相关中段不发信号，井口信号房发不出信号。井口信号房不发信号，提升机房收不到信号，提升机不能工作;罐笼不到位，信号不能发出;急停信号与绞车安全回路闭锁功能:按下急停，断开提升机安全回路。

5 结语

提升电控是一个完整的系统、设计既需要满足提升机基本性能的需要，也要符合技术的先进性。同时也要充分考虑能源损耗情况。仙人桥铜矿副井提升机的能量自反馈系统设计有一定的典型意义，其能量再生式传动公共直流母线的能量自行分配功能，转向电动机制动时的发电能量回馈给主驱动电机使用，制动力矩越大，回馈能量就越多，从电网取得的电能就越少，对电网产生的谐波干扰就越小。电网电流谐波:＜5%基波电流;电网电压谐波:＜4%基波电压(取决于电网的短路比Rsc)比普通的矢量控制系统电压谐波显著要小。该副井提升机电气控制系统设计，经生产应用，整机达到了良好的综合运行性能和降低能耗的目的，同时也满足了国家能源政策的相关要求。

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Design of Direct Torque Control(DTC)System with 400 kW Frequency Converter for Mine Hoist and Its Application

SONG Jian－kun
(Tongling Design and Research Institute for Nonferrous Metals，Tongling，Anhui 244000，China)

The design of electrical control system of the auxiliary shaft hoist in Xianrenqiao Copper Mine of Tongling Nonferrous Metals Company requires high performance and low cost，and it must meet the requirement of advancement and reliability of comprehensive energy－consumption index in national Energy Policy Act.In view of the above，the design of electrical control system of mine hoist and its application were conducted.It was proved that the system's integrative performance was good，and achieved the purpose of reducing energy consumption.

mine hoist;DTC control techndogy;system design

TM921.51

A

1004－2660(2012)01－0055－04

2012－01－28.

宋健焜(1954－)，男，安徽人，高级工程师、注册电气工程师.主要研究方向:采矿、选矿电气工程设计.E－mail:jks206@163.com