全数字矿井提升绞车隔爆兼本安四象限智能变频调速控制系统
1.概述
煤矿井下防爆运输绞车担负着运输人员、材料和矸石的任务，是煤矿生产的重要设备。其主要调速方法是采用在电动机转子回路内接入金属电阻，用鼓形控制器逐段切除电阻来达到调速的目的。防爆电阻调速控制装置的缺点有：隔爆电阻箱能耗大，散热难以解决，且占用了极大的峒室的面积，增加了开拓费用；电阻调速属有级调速，开环控制，调速范围小，精度低，安全性能差；在减速和下放时，需投切动力制动直流电源或低频电源，易造成设备损坏，且浪费了大量的电能；另外，原有的控制系统保护不够齐全，安全可靠性差。原系统已严重地制约了煤矿的安全生产，急切需要生产厂家能制造出一种安全、可靠、性能好又节电的新型调速装置。全数字变频绞车电控系统从根本上解决了原有的防爆电阻调速控制系统所存在的各种弊端，使井下防爆绞车电控系统迈上了一个新的台阶.随着电力电子技术的发展和变频技术的成熟，国家明文规定，在提升较车系统中，推荐使用交流变频调速器。
2. 可信赖的技术
绞车提升变频系统具有严格的测试标准，其测试流程(如图所示)可以看出系统的测试需要经过合作伙伴、元器件供应商的产品测试，在装配之前还需经过装配和外观检测，装配完成之后需经过高压测试、功能检测等严格操作，并在每一步测试过程中都将根据变频器的序列好，记录各项测试数据，记录和跟踪所有主要器件的测试数据。

 
3.系统构成(如图)
 
提升机电控系统分为以下几部分：电源柜、变频器、PLC控制台、操作控制台和各种传感器等几部分组成。
1)电源柜
电源柜主要通过隔离开关向变频器、提升机供电，同时为PLC控制台、操作控制台提工作电源。
2) PLC控制台
本提升机系统采用PLC进行控制,PLC监视运行状况，当系统出现故障时，启用故障备用信号,并在操作台的触摸屏上有醒目的故障显示，提醒维修人员对其进行维护；维护中备用信号启动,不影响系统的正常提升。
3)变频器
变频器采用ABB公司先进的变频器，它能达到控制交流电机完美的极限。是第一代采用直接转矩控制技术（DTC）的交流变频器，作为提升专用变频器它还具有特殊提升机功能：特殊的应用程序，包括标准提升机系统的功能；转矩记忆，功率优化，限幅开关监控，机械制动器控制，转矩验证等。
4) 控制台
控制台上设有自动、手动、检修转换开关，前方操作台上设有液晶触摸屏，左右侧操作台设有操作手柄、润滑、工作闸液压站电机的起停控制开关。
A、  在控制台上的液晶触摸屏上采用翻页的方式做有几幅组态界面：监控主界面、闸控液压站界面、后备保护界面、故障查询界面、电源监控界面、变频器运行界面、提升信号状态。
B、  每个界面上均有返回主界面的按钮，主界面上主要监视矸石车的实际运行位置、提升时每个时刻的速度、液压站的运行状况、较严重的故障报警。主界面上还有相应的提升信号显示。
C、  闸控液压站界面主要显示液压站的油压、油温、液位、液压站的电机工作状态、润滑油压力、松闸指示等。
D、  后备保护界面主要显示：深度指示器监视、松绳保护、电机温度保护、减速器温度保护、减速点保护、减速点失效保护、上2m开关故障、下2m开关故障、上同步开关故障、下同步开关故障、上过卷、下过卷、上减速开关故障、下减速开关故障、错向保护、减速过速、等速过速、一级制动、二级制动、电流过载等
E、  故障查询界面主要用于对各种故障情况进行查询、追忆，便于对设备的维护和管理
F、  电源监控界面主要显示系统的电源原理图及主回路电流和电压。
G、 变频器运行界面可以显示变频器运行时的各种参数：散热器的温度、电流、频率、转矩及各种故障。

4.系统的优点
1)软启动软停车
减小了机械冲击, 启动及加速换档时对电网冲击电流很小,使绞车系统和电网运行更加稳定可靠. 变频器本身提供的功能使机械制动与电制动有机的结合起来，保证系统的绝对安全
2)外围控制采用PLC
其与各部传感器,构成闭环控制(也可采用开环控制)，友好的人机界面时时监测系统运行情况,简化了系统构成,减小了人工劳动强度.
3) 实现了无极调速
调速范围宽,运行曲线成S型,使加速平滑,无冲击感.
4)安全保护功能齐全 
外壳IP54防护等级,变频器除一般过流、直流过压、直流欠压、变频器过温、短路、输入缺相、环境温度、过频、I/O控制板内部故障、内部故障外, 还具可编程故障保护功能、 AI5)系统四象限运行
能量直接回馈电网,且不受回馈能量大小的限制,则保证了绞车运行时可频繁的停车,启动及换向.节约大量电能.
6) 控制精度高、动态性能好
采用全数字、IGBT逆变器变频单元向负载提供变频电源，特选提升机应用宏，使所有控制功能均由参数设定完成，速度调节器、电流调节器参数均通过优化而自动设置；电流、速度双闭环，满足各种控制要求。直接转矩控制，可实现高动态性能的转速控制、转矩控制，可以达到并超过直流设备的动态特性。脉冲编码器的使用，可实现绞车的精确定位。

5.系统中变频的工作原理
　变频器是通过改变电机定子供电频率来改变电机的转速，以实现绞车的调速。交流异步电动机的转速公式为：
n=60f1(1-s)/p 其中：n――电极转速;f1――定子供电频率;
p――极对数; s――转差率;
该设备为交－直－交电压型变频调速系统，原理图如下图所示。
　
　　 
　　　　　　　　　　　　　矿用提升机变频调速系统原理图
 1) 该系统的运行过程主要分为两个过程：
A、 绞车电机作为电动机的过程，即正常的逆变过程。该过程主要由整流、滤波和正常逆变三大部分组成，如上图1所示。其中正常逆变过程是其核心部分，它改变电机定子的供电频率，从而改变输出电压，起到调速作用。
B、  绞车电机作为发电机的过程，即能量回馈过程。该过程主要由整流、回馈逆变和输出滤波三部分组成，如上图1所示。其中该部分的整流是由正常逆变部分中IGBT的续流二极管完成。二极管D1和D2为隔离二极管，其主要作用是隔离正常逆变部分和回馈逆变部分。电解电容E2的主要作用是为回馈逆变部分提供一个稳定的电压源，保证逆变部分运行更可靠。回馈逆变部分是整个回馈过程的核心部分，该部分实现回馈逆变输出电压相位与电网电压相位的一致。因为回馈逆变输出的是调制波，为保证逆变的正常工作以及减少对电网的污染，我们加了一个输出滤波部分，使该系统的可靠性更加稳定。
见于矿区电压的波动性可能比较大的事实，由于变频器的回馈条件是要和电网电压有一个固定电压差值，假若某时刻网电电压比较高，再加上回馈时的固定
电压差值，此时变频器的母线电压就会达到一个比较高的电压值，如果再有重车下滑，则母线电压会更高，此时的高电压就有可能威胁到变频器的大功率器件的安全，为此，该系统又加了一个刹车部分（如上图所示），以保证变频器的安全。
6.先进的电机控制方式
1)直接转矩控制
直接转矩控制技术是ABB公司开发研制的。逆变器的通断直接控制电机关键的变量：磁通和转矩。
 
测量的电机电流和电压作为自适应电机模型的输入，这个模型每隔25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值。
2)辨识运行
直接转矩控制的完美的性能是基于准确的电机模型，这个模型是在电机辨识运行中确立的：在传动启动过程中，变频器带动电机运行约一分钟。控制电路监视在运行中电机的反应，建立并优化电机的数学模型。
3)零转速满转矩
    ABB变频器带动的电机能够获得在零速时电机的额定转矩。
4)直流励磁
    当选择了直流励磁功能后，变频器在启动前可自动给电机励磁，这个特性保证有足够高的启动转矩，甚至200％的电机额定转矩。例如，通过调整预励磁时间，有可能在机械抱闸释放的时候已经建立起转矩，以保持电机不会转动。
5)自动启动
    变频器的自动启动功能超过一般变频器的提升启动和积分启动的性能。DTC控制方式动态性能良好,能在几毫秒测出电机的状态，在任何条件下追踪启动。
6)磁通制动
    变频器能通过提高电机的磁场来提供足够快的减速。当增加电机磁通后，电机在制动过程中产生的能量能够被转化为电机的发热能量。变频器持续监视电机的状态，在磁通制动时也不停止监视。因此，磁通制动也能用于停止电机和从一个转速变换到另一个转速。后者用直流注入制动是不可能实现的。磁通制动与直流注入制动相比还有其它一些优点：
    A、在停止命令给出后，制动迅速启动。在直流注入制动中，在停止命令给出后通常有500ms延时，制动才能启动。
    B、电机冷却的斜率更高。在磁通制动过程中电机定子的电流增加。在直流注入制动过程中电机的转子电流增加。定子比转子冷却的斜率更高。
7)磁通优化
ABB变频器的磁通优化减少了总能耗，并且减小了当传动运行在低于额定负载时的电机噪音。总效率（电机和传动）能提高1％到10％，大小取决于负载转矩和速度。
7.系统中变频器部分先进功能简述如下：
 1)速度监视
     本功能用于监测电机速度：确定电机零速旋转、在电机超速时给出跳闸信号。
 2)转矩监视
     监测电机在加速和减速时是否能够跟随速度给定，在正常运行和加/减速期间是否产生过度的速度偏差
 3)快速停车
     可设定不同的停车类型：A.仅带有转矩限制；B.带有转矩限制和机械制动C.进带有机械制动
4)其他还有：
转矩验证、功率优化、位置测量等等很多专门用于提升应用的功能,变频器本身具有松绳及过载保护功能。
8.后记
变频调速系统的应用越来越广泛，但是对于许多特殊应用的场合，恶劣的环境，系统响应快的地方必须要求高性能的变频系统和最优解决方案，并且用户对于变频器的可靠要求也越来越高，本公司将一如既往从用户的具体要求出发，针对特殊的应用环境和特殊的使用要求，为用户提供高性能、价格合理的变频系统和最优解决方案。