1 引言
提升机是矿井的关键和重大安全生产设备之一，在矿井的各动力设备中，提升机系统是最为重要、耗能最大的设备，它不仅关系到矿井的正常安全生产和生产效率，而且直接影响上下井人员的生命财产安全，同时提升机的调速方式也是对吨煤电耗影响最大的因素。
长期以来，矿用提升机普遍使用绕线式异步电机转子串电阻的方法进行调速控制。这种系统属于有级调速，低速转矩小，转差功率大，启动电流和换挡电流冲击大；中高速运行振动大，制动不安全、不可靠，对再生能量不易处理，对于在斜井提升机运行中，由于调速不连续，容易掉道，故障率高。随着电力电子与电机控制技术的发展，采用变频调速的方法可以从根本上解决上述问题。
2 原矿山提升机调速系统简介
湖南省黑金时代股份有限公司下辖的耒阳市红卫煤业公司下设沈家湾、坦家冲、里王庙、龙家山4个煤矿。其中，里王庙煤矿主井原有1台矿井提升机，该提升机采用线绕式异步电动机，用转子串电阻的方法调速。
2.1 系统参数
系统参数如表1和表2所示。
2.2 绕线式异步电机转子串电阻调速方式
此方式通过切换交流接触器，在电机的转子回路串入不同阻值的电阻，起到调速运行的作用。根据实际工况不同，其电阻一般分成4~8级，每级设有短接开关，如图1所示。图中所示为4级电阻调速系统。
图1 异步电机转子回路串电阻调速系统
在电机启动之初，所有短接开关处于分断位置，所有电阻串联入电机的转子回路。当电机加速至一定转速时，闭合最靠中性点侧的短接开关（图1中最下端开关），电机转子所串电阻减少，随着电机进一步加速，提升机司机依次闭合另外几组短接开关，直至所有电阻被短接，电机运行至最高速。
电机减速时，先断开靠近电机绕组的短接开关，而后随着转速的降低依次断开另外几组开关，直至所有电阻被串入转子回路，进入爬行阶段，提升机到位后启动抱闸，同时断开定子侧高压断路器。
该提升机电控系统存在如下不足之处：
（1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差，运行中机械振动大。在斜井提升机应用时，冲击大，制动不安全，常易出现“掉道”现象。
（2）启动及换挡时冲击电流大，启动电流一般是额定电流的2～3倍，有时会更大，如果加速快，甚至会引起总开关跳闸。
（3）运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上。
（4）电机的机械特性软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的20%～30%，不但浪费严重，也造成工作环境的恶劣，空间温度高、噪声大。
（5）维修量大，而且维修不方便。由于操作时交流接触器频繁动作，易造成触点及线圈的烧坏，故障率高，而且转子更换碳刷也很频繁。
红卫矿业公司领导下决心对该提升机电控系统进行改造，通过对目前高压提升机变频器在矿井提升机系统中的使用情况深入调查后，决定选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的jd-bp37-280t型高压提升机变频器（280kw/6kv）和山西华威电控公司生产的变频提升机电控系统，系统框图如图2所示。
图2 工、变频系统切换控制
3 采用jd-bp37系列高压提升机变频调速系统优点
变频调速的运行方式是指将电机的转子绕组短接，通过变频器将工频电网50hz的电压转换成频率和电压都可变化的的三相交流电压，加在电机的定子绕组上。通过调节变频器输出电压的幅值、频率和相位控制电机运行在期望的转速上。
（1）风光高压提升机变频器控制方法采用矢量控制原理，在矢量控制方式下，变频器能够根据测量到的电压、电流信号，以及事先测得的电机参数，根据内建的电机模型，计算出电机的磁通位置、磁通幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差，对输出转矩进行调节，如需要的输出转矩大于设定的“最大转矩”，按照最大转矩输出，起动转矩可达到额定转矩的2倍以上，可以实现重载的平稳起动。
（2）电机可以实现无级调速，加、减速过程平滑，电流冲击小，电机工作平稳、转矩脉动小，大大减轻了机械冲击的强度。
（3）风光高压提升机变频器真正实现了四象限运行，内置回馈单元，实现再生能量回馈给电网，在减速制动和下放重车时，能够将能量回馈至电网，供厂内其他设备使用，降低企业整体电耗水平。
4 改造方案
为了确保安全可靠，让变频调速系统与原调速系统并存，互为备用，随时可以切换，其切换主电路如图2所示。
4.1 高压提升机系统主回路图
为满足安全生产，并根据客户要求，此次系统改造保留了原有的工频系统。k1、k2、k3为三台高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，k1、k3与k2采用电磁互锁操动机构，实现电磁和机械互锁。k4为转子侧双掷开关，变频运行时，k4切换到变频侧，绕线电机转子线圈经双掷开关k4后处于短接状态；工频运行时，k4切换到工频侧，绕线电机转子线圈经k4接至原调速电阻装置。当k1、k3闭合，k2断开，k4切换到变频侧，电机变频运行；当k1、k3断开，k2闭合，k4切换到工频侧，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试（见图3）。
图 3 高压提升机系统改造主回路接线图
另外，为了保证安全，变频器高压联跳信号和上一级的高压断路器也实现互锁，变频器高压联跳串入上一级高压断路器的脱扣线圈，变频器出现故障时，上一级的高压断路器断开，实现高压故障联跳功能。
4.2 控制回路
该提升机变频调速系统采用双plc控制。高压变频器内配置一套plc用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调；操作台内配置一套plc用于变频系统和原工频系统所有操作信号的逻辑处理，实现变频器的自动、半自动运行。工、变频系统控制关系如图4所示。
图4 工、变频系统控制关系图
（1）变频工作
操作台人机界面启动变频操作画面，根据工况要求，提升机司机通过操作台首先给出上提（下放）指令，操作台plc向变频器发出上提（下放）信号，然后司机推动闸把手柄给出松闸信号，变频器plc接收到信号后启动变频器。提升机司机通过推动档位手柄调节档位，操作台plc根据当前的档位给出4~20ma的频率给定信号来控制变频器的运行频率，达到控制提升机运行速度的目的。
（2）工频运行
操作台人机界面启动工频操作画面，根据工况要求，提升机司机通过操作台给出上提（下放）指令，操作台plc控制换相柜内的换相接触器来改变三相高压电的相序，实现电机的正反转；然后司机推动闸把手柄，电机起动。提升机司机通过推动档位手柄调节档位，操作台plc根据当前档位分别控制km1、km2、km3、km4来调节绞车的速度。
（3）安全回路
变频器高压联跳信号与操作台紧急跳闸信号串联起来，一起串入该系统的安全回路。当变频器出现故障或者操作台发出紧急跳闸信号，上一级的高压断路器断开，同时制动系统紧急抱闸，保证生产安全。
4.3 再生能量处理
再生能量通过功率单元a来处理，如图5所示。
图5 再生能量处理控制框图
在减速制动和下重车时，电机处于发电状态，功率单元母线电压vbus升高，当母线电压超过电网电压的1.1倍时，dsp芯片根据比较器和相位检测的结果输出六路spwm波形，使逆变块a中的igbt工作，通过输入电感，电动机的再生能量最后通过移相变压器回馈到电网。装置充分利用了移相变压器对谐波的抵消作用，对电网无谐波污染、功率因数高、控制简单、损耗小，返回到电网谐波小于国家标准5%。
5 现场改造
该套系统为1959年采用前苏联技术设计的，操作台以及电控部分采用前苏联技术，设备陈旧，这种设备已经在上世纪八十年代逐渐淘汰，由于机房背后紧靠输煤铁路，已经没有设备更新的空间，所以该套设备使用至今。
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