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摘要：通过对煤矿提升绞车电控系统技术革新的回顾，阐述了我国科学技术日新月异的发展和科技在推动企业发展中的巨大作用。
关键词：绞车电控；技术革新；系统
0 概述
绞车是煤矿的大型只要设备，也是煤矿所有设备中唯一需要调速运行的设备，它担负着煤矿人员与设备材料的提升。早期的煤矿提升绞车电控系统都是采用KKX或TKD电控系统，由于它在当时的技术条件下能够满足提升绞车的调速要求，因此，在煤矿中得到了广泛的应用，很多煤矿至今仍沿用这种控制系统。
九十年代中期，随着自动化控制等技术的成熟和发展，以PLC代替继电器以及外围电路、可控硅无触点调速装置代替交流接触器的新一代提升绞车电控设备在焦作华飞公司诞生，它的问世大大简化了原提升绞车的电控系统，使提升绞车的控制操作简单化和智能化迈进了一大步。目前，随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，好多厂家（如洛阳源创电气有限公司、唐山开诚电控设备集团有限责任公司）已经研制出高低压变频调速装置并将其成功应用于煤矿提升绞车电控系统。下面就煤矿提升绞车电控系统的技术改进过程作一综述。
1 PLC技术的成功应用
1．1 PLC概述
可编程控制器是专门为工业控制应用而设计的一种通用控制器，是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有结构简单、编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点。近年来在工业生产的许多领域，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门得到了广泛的应用，已经成为工业自动化控制的三大支柱之一。
1．2 绞车电控采用PLC的优势
(1)简化了系统。PLC与传感器等器件配合后，完全代替了原TKD控制系统中的时间继电器、磁放大器、自整角机、测速度发电机等部件，因此，减化了控制系统，减少了故障点，使维护变得简单易行。
(2)可靠性高，抗干扰能力强。可编程控制器是专为工业控制而设计的，在硬件和软件电路设计方面都采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到(3—5)×l04h以上。
(3)编程直观、简单。可编程控制器是面向用户、面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，其编程所用的梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂。
(4)适应性好。可编程控制器是通过程序实现控制的，当控制要求发生改变时，只要修改程序配置，组成规模不同、功能不同的控制系统即可，适应能力非常强。
(5)增加了控制的科技含量。目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等等功能，使设备控制水平大大提高。
2 可控硅无触点加速接触器及真空接触器的应用
TKD电控系统的高压换向器、线路接触器、加速接触器等全采用的是大功率的空气式交流接触器，用于线路及电阻切换，这些元件存在一个共同缺点，就是电磁及机械噪声大、结构复杂、易损坏不可靠。经过多年的研究和探索，焦作华飞等公司终于研制出高压真空换向器和可控硅调速装置，很好地解决了这一问题。
(1)高压真空接触器的使用。用高压真空接触器代替原空气式高压换向器、线路接触器，并采用现场总线方式接收主控台PLC发出的操作指令，实现提升机的正反向切换和正常运行控制。该接触器以真空作为灭弧介质，因此具有主电路电弧不外露、分断能力大、体积小、重量轻、寿命长、低噪声和安全可靠等优点。
(2)可控硅调速装置的研制应用。该装置利用了可控硅(SCR)的开关特性，巧妙地替代了原系统的空气式交流接触器，同时采用现场总线方式接收主控台PLC发出的操作指令，实现主电机转子回路外接电阻的切换，其切换原理如图1所示。该装置有以下优点： ’
①無触点控制，运行可靠，无噪音；
②优良的动、静特性；
③结构简单，使用维护方便。
图1 可控硅调速装置原理图
3 高压变频调速装置的应用
矿山提升绞车通过对控制电路的改造，减化了系统，降低了噪声，维护方便，同时增加了系统的科技含量。但其机械特性及调速的经济性等性能指标并没有改变。随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，一种数字、节能、智能化的绞车调速控制系统应运而生，那就是高压变频调速系统。
3．1 高压变频原理
随着通用变频器技术的日新月异和快速发展，高压大功率变频调速装置也不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来也随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展得到了很好的解决。
高压变频器类型和拓扑结构比较多，但原理和功能大同小异。根据有无直流环节将高压变频器分为两大类：无直流环节的变频器，即交一交变频器和有直流环节的变频器称为交一直一交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器，煤矿提升绞车一般多采用IGBT单元串联型变频器。由于受功率器件(IGBT或GTo)耐压的限制，高压变频器运用了电压叠加技术，输出电压由若干个低压单元串联而成，每个单元相当于一个常压变频器，完全利用了通用变频器的成熟技术和功率器件。各个功率单元由隔离变压器的二次线圈分别供电(如图3所示)，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。其功率单元及系统原理如图2所示。
图2IGBT功率单元原理图
3．2 变频调速提升机的控制优势
(1)真正实现了绞车的无机调速，可以实现大范围内的高效连续调速控制，使绞车在加、减速阶段运行非常平稳，具有良好的机械性能。
(2)软启动软停车，减小了机械冲击，在启动、加速换档及减速阶段不会对电网造成冲击，可以进行高频度的起动运转。
(3)模块化、智能化设计，维护简单，排除故障容易。
(4)系统简化，占用空间小。绞车变频控制系统取消了原老系统的加速接触器、电阻箱、高压换向器、低频电源装置、动力制动装置、测速装置、继电器屏等设备，系统仅由高压开关柜、高压变频器、主控台(PLC、数字式主令控制器等)等几部分组成，且只需要普通鼠笼型异步电机即可。
图3 6 000 V变频器系统原理图
(5)全中文界面，显示操作直观，交互性好。
(6)变频器四象限运行，在绞车下放阶段向电网回馈能量，实现电气制动，提高了运行的可靠性。
(7)由于使用了普通的鼠笼式电机，因此节省了原系统电阻部分的转差功率消耗。同时在绞车下放阶段向电网回馈能量，节能效果非常明显。据测算，绞车实现变频调速后，其节能效果提高30％ ～40％ 。
(8)容易实现电动机的正反转切换，无需任何换向装置。
(9)适用范围广。目前，高压防爆变频调速绞车已成功应用于煤矿井下。
(10)直接转矩控制，实现电动机速度和转矩的精确控制。
4 结论
高压变频控制系统的出现，使绞车的机械性能发生了质的飞跃，是绞车控制理论的一个重大突破。但是由于受功率器件耐压的限制，目前必须采用均压叠加技术才得以实现，而且在软件控制方面的技术并不十分成熟，因此它的发展和改进尚有一定的空间。随着现代电力电子技术及计算机控制技术的日益成熟，高压变频器将朝着大功率、小型化、轻型化和无传感器控制等方向发展。届时，煤矿提升绞车的控制将会变得更加完美。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：绞车电控；技术革新；系统
0 概述
绞车是煤矿的大型只要设备，也是煤矿所有设备中唯一需要调速运行的设备，它担负着煤矿人员与设备材料的提升。早期的煤矿提升绞车电控系统都是采用KKX或TKD电控系统，由于它在当时的技术条件下能够满足提升绞车的调速要求，因此，在煤矿中得到了广泛的应用，很多煤矿至今仍沿用这种控制系统。
九十年代中期，随着自动化控制等技术的成熟和发展，以PLC代替继电器以及外围电路、可控硅无触点调速装置代替交流接触器的新一代提升绞车电控设备在焦作华飞公司诞生，它的问世大大简化了原提升绞车的电控系统，使提升绞车的控制操作简单化和智能化迈进了一大步。目前，随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，好多厂家（如洛阳源创电气有限公司、唐山开诚电控设备集团有限责任公司）已经研制出高低压变频调速装置并将其成功应用于煤矿提升绞车电控系统。下面就煤矿提升绞车电控系统的技术改进过程作一综述。
1 PLC技术的成功应用
1．1 PLC概述
可编程控制器是专门为工业控制应用而设计的一种通用控制器，是一种以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置，具有结构简单、编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点。近年来在工业生产的许多领域，如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门得到了广泛的应用，已经成为工业自动化控制的三大支柱之一。
1．2 绞车电控采用PLC的优势
(1)简化了系统。PLC与传感器等器件配合后，完全代替了原TKD控制系统中的时间继电器、磁放大器、自整角机、测速度发电机等部件，因此，减化了控制系统，减少了故障点，使维护变得简单易行。
(2)可靠性高，抗干扰能力强。可编程控制器是专为工业控制而设计的，在硬件和软件电路设计方面都采用了屏蔽、滤波、隔离、故障诊断和自动恢复等措施，使可编程控制器具有很强的抗干扰能力，其平均无故障时间达到(3—5)×l04h以上。
(3)编程直观、简单。可编程控制器是面向用户、面向现场，考虑到大多数电气技术人员熟悉电气控制线路的特点，其编程所用的梯形图语言与继电器原理图相类似，形象直观，易学易懂。
(4)适应性好。可编程控制器是通过程序实现控制的，当控制要求发生改变时，只要修改程序配置，组成规模不同、功能不同的控制系统即可，适应能力非常强。
(5)增加了控制的科技含量。目前的可编程控制器具有数字量和模拟量的输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、通信、人机对话、自检、记录和显示等等功能，使设备控制水平大大提高。
2 可控硅无触点加速接触器及真空接触器的应用
TKD电控系统的高压换向器、线路接触器、加速接触器等全采用的是大功率的空气式交流接触器，用于线路及电阻切换，这些元件存在一个共同缺点，就是电磁及机械噪声大、结构复杂、易损坏不可靠。经过多年的研究和探索，焦作华飞等公司终于研制出高压真空换向器和可控硅调速装置，很好地解决了这一问题。
(1)高压真空接触器的使用。用高压真空接触器代替原空气式高压换向器、线路接触器，并采用现场总线方式接收主控台PLC发出的操作指令，实现提升机的正反向切换和正常运行控制。该接触器以真空作为灭弧介质，因此具有主电路电弧不外露、分断能力大、体积小、重量轻、寿命长、低噪声和安全可靠等优点。
(2)可控硅调速装置的研制应用。该装置利用了可控硅(SCR)的开关特性，巧妙地替代了原系统的空气式交流接触器，同时采用现场总线方式接收主控台PLC发出的操作指令，实现主电机转子回路外接电阻的切换，其切换原理如图1所示。该装置有以下优点： ’
①無触点控制，运行可靠，无噪音；
②优良的动、静特性；
③结构简单，使用维护方便。
图1 可控硅调速装置原理图
3 高压变频调速装置的应用
矿山提升绞车通过对控制电路的改造，减化了系统，降低了噪声，维护方便，同时增加了系统的科技含量。但其机械特性及调速的经济性等性能指标并没有改变。随着控制技术、电力电子技术、微电子技术和计算机技术的飞速发展，一种数字、节能、智能化的绞车调速控制系统应运而生，那就是高压变频调速系统。
3．1 高压变频原理
随着通用变频器技术的日新月异和快速发展，高压大功率变频调速装置也不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来也随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展得到了很好的解决。
高压变频器类型和拓扑结构比较多，但原理和功能大同小异。根据有无直流环节将高压变频器分为两大类：无直流环节的变频器，即交一交变频器和有直流环节的变频器称为交一直一交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器，煤矿提升绞车一般多采用IGBT单元串联型变频器。由于受功率器件(IGBT或GTo)耐压的限制，高压变频器运用了电压叠加技术，输出电压由若干个低压单元串联而成，每个单元相当于一个常压变频器，完全利用了通用变频器的成熟技术和功率器件。各个功率单元由隔离变压器的二次线圈分别供电(如图3所示)，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。其功率单元及系统原理如图2所示。
图2IGBT功率单元原理图
3．2 变频调速提升机的控制优势
(1)真正实现了绞车的无机调速，可以实现大范围内的高效连续调速控制，使绞车在加、减速阶段运行非常平稳，具有良好的机械性能。
(2)软启动软停车，减小了机械冲击，在启动、加速换档及减速阶段不会对电网造成冲击，可以进行高频度的起动运转。
(3)模块化、智能化设计，维护简单，排除故障容易。
(4)系统简化，占用空间小。绞车变频控制系统取消了原老系统的加速接触器、电阻箱、高压换向器、低频电源装置、动力制动装置、测速装置、继电器屏等设备，系统仅由高压开关柜、高压变频器、主控台(PLC、数字式主令控制器等)等几部分组成，且只需要普通鼠笼型异步电机即可。
图3 6 000 V变频器系统原理图
(5)全中文界面，显示操作直观，交互性好。
(6)变频器四象限运行，在绞车下放阶段向电网回馈能量，实现电气制动，提高了运行的可靠性。
(7)由于使用了普通的鼠笼式电机，因此节省了原系统电阻部分的转差功率消耗。同时在绞车下放阶段向电网回馈能量，节能效果非常明显。据测算，绞车实现变频调速后，其节能效果提高30％ ～40％ 。
(8)容易实现电动机的正反转切换，无需任何换向装置。
(9)适用范围广。目前，高压防爆变频调速绞车已成功应用于煤矿井下。
(10)直接转矩控制，实现电动机速度和转矩的精确控制。
4 结论
高压变频控制系统的出现，使绞车的机械性能发生了质的飞跃，是绞车控制理论的一个重大突破。但是由于受功率器件耐压的限制，目前必须采用均压叠加技术才得以实现，而且在软件控制方面的技术并不十分成熟，因此它的发展和改进尚有一定的空间。随着现代电力电子技术及计算机控制技术的日益成熟，高压变频器将朝着大功率、小型化、轻型化和无传感器控制等方向发展。届时，煤矿提升绞车的控制将会变得更加完美。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。