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• 關鍵詞： 提升機 提升機電控 高壓變頻器 東芝三菱TMEIC
• 摘要：礦井提升機是立井建設、生產過程中最重要的運輸工具，提升系統的好 壞，不但直接影響礦井的生產，而且還影響礦井的安全和人身安全，是礦井建 設的關鍵設備。提升機系統里，最關鍵的部分是液壓制動、電控系統和電機變 頻驅動三大部分，而電機變頻驅動部分是對電機原轉子回路串電阻調速驅動系 統的升級換代，也是本文將要介紹的重點部分。本文詳細介紹TMEIC MVe2 系列四象限提升機專用高壓變頻器在本溪思山嶺鐵礦礦井提升機上的成功應 用。

一、項目來源與礦井提升機對電控系統要求

1、項目來源 湖南漣邵建工集團是本溪思山嶺鐵礦建設項目的總包方，建設兩口主井，井深均為1500m，在礦建階段，每口井需兩臺提升機同時作業，共需安裝四臺提升機，其中兩臺為電機變頻驅動系統，另外兩臺為電機轉子串電阻調速拖動系統。一期工程采用單滾筒纏繞式提升方式，容器為座鉤式吊桶，減速機為行星輪減速，異步電動機拖動。初期使用座鉤式吊桶，當井深超過800m以后使用底卸式吊桶。

   工程所需的4套礦井提升機中，3套由洛陽中昶礦山機械有限公司設計制造，其中2套4米雙筒提升機為高壓變頻調速電控系統，經多次方案論證后，洛陽中昶公司決定變頻器選用東芝三菱TMdriVe‐MVe2系列四象限高性能矢量型提升機專用高壓變頻器。

2、礦井提升機對電控系統要求

1）根據提升工藝控制要求，電控系統應滿足提升機的啟動、運行、減 速、停車等控制過程，運行平穩可靠。

2）要求系統自動、手動、檢修工作模式切換方便，以滿足礦井提升控制及各種聯鎖保護要求。

3）滿足提升機的行程監控和位置閉環控制要求，具有完善的深度、速度顯示及變頻控制功能。

4）要求系統能滿足提升機頻繁的正、反轉運行狀態切換特性；要求系統加、減速性能好，特別是緊急停車速度快而平穩，變頻系統急停時不允許直流母線電壓過高報警。

5）根據礦井提升機運行特點，變頻系統應具有矢量型直接轉矩控制功能，要求低速啟動轉矩大，過載能力強。

6）安全保護及聯鎖功能安全回路必須閉鎖提升機的運行條件，只有當外部設備運行正常，具備開車條件后，才允許提升機運轉；安全回路應閉鎖提升機的全部重故障保護信號，故障一旦發生，提升機要立即實行緊急制動；對于提升系統出現的輕故障，允許完成本次提升，待排除故障后，提升機方可繼續運行。聯鎖和保護的基本項目應符合煤礦與礦山安全生產的相關要求。

本次調試完成第1臺提升機的工作。其中電動機選用蘭州電機廠生產的礦井專用線繞式異步電機。

電動機參數見下表：

減速機參數：

主機參數：

初期座鉤式吊桶參數

后期底卸式吊桶參數

礦建階段，吊桶不但要負擔把挖井產生的砂石廢料運到井上，還負責人員的運輸，所以整個提升系統的穩定可靠是最重要的。

二、 應用情況

本溪龍新礦業有限公司思山嶺鐵礦主井工程位于遼寧省本溪市東南郊16km，南芬區北9km思山嶺村北側。地理位置如下：

   根據主機參數和提升工藝要求，東芝三菱（ TMEIC ）提供了TMdrive‐MVe2‐2800kVA/10kV提升機專用變頻器，該變頻器具有四象限運行功能，適用于礦井提升機類型負載，具有V/F控制、無速度傳感器矢量和有速度傳感器矢量控制等多種控制方式。

   MVe2提升機專用變頻器根據工程情況可以做雙機方式運行，即2臺變頻器驅動1臺電動機，在提升機應用上可以做全載全速運行，也可以在某一臺變頻器故障時做全載半速運行，大大提高了礦井提升機運行的可靠性。

   變頻器采用真彩觸摸屏，觸摸屏內置9種語言界面，可以完成變頻器本地啟停控制，轉速轉向控制，可以設置功能和參數，可以顯示運行狀態和故障信息等。電腦安裝TMdrive‐Navigator軟件后變頻器通過網線可以和電腦連接，可以把變頻器內部的各種曲線讀到電腦上保存，并且可以把故障前23秒，故障后226ms的波形記錄下來。

   本溪鐵礦項目采用的TMdrive‐MVe2‐2800kVA‐10kV變頻器的外形尺寸為：7000×2940×1400mm（寬×高×深），其中高度含散熱風機。變頻器采用強迫風冷散熱，變頻器室采用空調散熱。變頻器外形圖如下圖所示：

變頻器外形圖

   本溪鐵礦項目現場采用日本歐姆龍的增量式旋轉編碼器，采用有速度傳感器的矢量控制，使低速控制特性更硬，低速運行更平穩。在低于0.1m/s（換算成變頻器運行頻率為0.8Hz以內）運行時，轉速非常平穩。

   現場安裝調試從2014年10月25日開始，到11月6日帶重載調試完畢， 整個調試經過了變頻器空載調試，變頻器帶空電機調試，變頻器帶空滾筒調試， 變頻器帶空吊桶調試及重載調試幾個階段，整個調試過程非常順利。

   滾筒掛繩過程中，提升機電控系統充分顯示變頻器拖動低速的平穩性；在帶重載調試時，為了模擬井深800m時最重的負載，變頻器能否平穩提升，用戶采用掛雙罐的方式來模擬重載，上罐裝滿渣土，然后再灌滿水，增加重量，下罐灌滿水，經過估算負載總重量在17噸左右，略小于800m井深18噸負載的重量，變頻 PLC電控系統，在低速下平穩啟動，上提下放多次，經過驗證，變頻 器具有啟動轉矩大，低速運行平穩等特征，且變頻器保護全面、有效，變頻器皮實可靠。下面為部分現場圖片。

三、東芝三菱（TMEIC） TMdrive‐MVe2 提升機專用變頻器簡介

TMdrive‐MVe2高壓變頻器是東芝三菱（TMEIC‐Toshiba Mitsubishi‐Electric Industrial Systems Corporation）在全球市場推出的最新的高壓變頻器產品，產品涵蓋3kV‐11kV電壓等級，產品單機容量涵蓋180kVA‐5000kVA功率段，是一款適用異步電動機、高速同步電動機和低速同步電動機（即低速直聯的應用）的性價比極高的提升機專用高壓變頻器產品。

MVe2提升機專用高壓變頻器采用單元串聯多電平電壓源模式，針對不同電壓等級，每相串聯不同數量的單元，以10kV為例，每相串聯5個功率單元，輸入為IGBT整流，變頻器的相電壓輸出為21電平，線電壓輸出為41電平，輸出電平數量超過其他單元串聯多電平電壓源方式的變頻器，輸出電壓諧波含量更低，dv/dt更小，對電機的要求進一步降低。

圖十三為10kV主電路機構圖，每相串聯5個功率單元，整套變頻器僅15個功率單元，由于功率單元數量少，變壓器可以和功率單元分開布置，大大增加了現場布置的靈活性。

圖十三 10kV 主電路結構圖

   圖十四為功率單元電路結構圖，功率單元采用對稱結構的單相三電平AFE整流、三電平逆變輸出，AFE三電平整流使變頻器輸入功率因數為1，整流和逆變采用三菱的IGBT，濾波采用日本指月（Shizuki）的自愈式金屬薄膜電容，和電解電容相比，金屬薄膜電容是干式電容，性能穩定, 耐過壓能力強，對溫度不敏感，過壓擊穿后自恢復，是長壽命電容。

圖十四 功率單元電路結構圖

   MVe2提升機專用變頻器采用東芝專門開發的 32 位大功率電力電子PP7EX2專用處理器，使得變頻器具有多種控制方式，適用不同特性的負載。高品質的三菱電機IGBT和日本原裝自愈式薄膜電容的使用，使得變頻器的可靠性大大增強，變頻器全面的保護，使變頻器在各種復雜的應用中，都能快捷準確的保護。

   MVe2提升機專用變頻器具有多種通訊方式，使得變頻器組網方便，簡單易用。

四、洛陽中昶變頻調速電控系統的特點

1、電控系統特點本項目電控部分為洛陽中昶礦山機械有限公司設計的礦井提升機全數字變頻調速控制系統，系統采用國際知名品牌日本三菱公司FX2N系列PLC和TMEIC公司生產的TMdrive‐MVe2提升機專用變頻器組成，外部檢測元件采用兩套歐姆龍旋轉編碼器，分別安裝在設備的卷筒左側軸端和電機右側軸端，用以檢測提升機從不同位置反饋的速度信號，構成高壓礦井提升機四象限變頻調速閉環控制系統。

提升機電控系統具有如下特點：

1）采用三菱FX2N系列PLC進行提升全過程的邏輯控制，與傳統電控系統 相比元器件數量大幅減少，可靠性大大提高。

2）采用兩套PLC對系統進行主‐從配置，冗余控制，完全取代磁放大器、繼電器等傳統控制器件，具有兩套完全獨立的深度、速度檢測，確保提升機電控系統的關鍵控制環節如減速、速度包絡線、過卷、超速等能實現雙線保護，使提升機整機的安全可靠性顯著提高。

3）選用東芝三菱（TMEIC）TMdrive‐MVe2系列10KV電壓源高性能變頻器， 單元采用IGBT器件進行PWM整流，可再生制動，四象限運行，減速時可將電機和負載的動能變成電能回饋給電網，無需制動電阻就可實現快速的減速和制動，使提升機的加、減速過程平滑可靠，提高了設備運行的穩定性,節約了電能。

4）采用國際品牌歐姆龍旋轉編碼器和數字儀表控制提升高度和速度、液壓站油壓、潤滑油壓等，歐姆龍旋轉編碼器進行系統采樣和定點控制，使得深度指示精確穩定，保護更加完善可靠。

5）TMEIC變頻器的雙閉環矢量控制技術，特別適合于礦井提升機的低速大啟動轉矩的恒轉矩負載，使提升機的電氣傳動功能更加安全可靠。

6）通過兩套PLC之間的串行通訊連接，實現了系統的網絡化控制特點，極大地減少了設備之間的連線數量，降低了安裝接線成本。

7）系統對提升機的運行狀態進行多畫面實時監控，對系統故障做到準確顯示，實時報警，實現提升全過程的位置、速度監視，具備齊全的人機對話及記錄顯示功能。具有歷史記憶和故障記錄功能。

2、變頻器和電控系統連接方式 變頻器和電控系統之間采用硬接線的方式連接，整個系統控制接線表如下：

注：以上信號方向定義均以變頻器為準。

3、電氣主控系統部分PLC原理接線圖

  電氣主控系統PLC部分功能原理接線如圖16、17所示。

圖十五 主控PLC系統部分信號接線原理圖

上圖中FX2N-16EX為主PLC輸入擴展模塊。由于主控PLC輸入點不夠用，本系統中擴展了2個輸入擴展模塊，主要用于連接變頻器的數字輸出接口信號，例如高壓變頻器發出的準備就緒信號，允許高壓合閘信號，變頻運行、變頻故障信號等。此外，還有液壓油溫過高、油溫過低，潤滑油溫過高、過低信號等。PLC根據油溫高低限信號，自動控制液壓站、潤滑站的油溫度滿足系統工藝要求。

圖十五中的FX2N‐4AD為模數轉換模塊，FX2N-4AD中4表示4個通道，A表示模擬量，D表示數字量，就是將模擬量轉換為數字量，4AD的電源借用主PLC的DC24V電源，4個通道分別為CH1、CH2、CH3、CH4。它將變頻器傳來的力矩信號、頻率信號、主機電流和母線電壓這些模擬量信號進行變換后，以數字量形式存入PLC內存的數據存儲單元中，通過軟件處理標定量程后送入上位機顯示。在本系統A/D轉換中各模擬輸入通道分配如下：

CH1設置為電機轉矩信號；

CH2為變頻器輸出頻率信號；

CH3為電流信號(即工作電流)

CH4為變頻器母線直流電壓信號。

圖十六為PLC的輸出接線圖。從圖中可看出Y30為變頻器運行/停止信號，接變頻器的運行命令端口。Y32接正、反向控制端，當Y32輸出”1”電平時變頻器反向運行，Y32為“0”電平時變頻器正向運行。Y34為緊急停車命令。其他輸出如Y1Y2Y3分別為開車信號、蜂鳴器報警輸出和電鈴報警輸出信號。

圖十六 主控 PLC 系統輸出部分接線圖

Y20‐Y23為G3、G4、G5、G6電磁閥控制端，當系統出現重故障時Y20、Y21輸出為“0”電平，Y22、Y23視吊桶位置確定輸出狀態。

4、指示儀表

PF:頻率表，指示變頻器輸出的當前工作頻率，指示范圍為0‐60HZ。

PA1:毫安表，檢測比例閥放大器線圈工作電流的大小，它直接反饋閘控系 統制動壓力的大小，是系統監視的一項重要參數。最大指示范圍為0‐750毫安。

PA2:主機電流表，指示變頻器輸出主回路電流的大小。

PV:10kV 電壓表。監視供電系統的供電電壓正常與否。

五、結論：

1. 根據提升機的運行特點，選用東芝三菱（TMEIC）MVe2 提升機專用高壓變頻器對礦井提升機進行調速，完全滿足提升機頻繁正、反轉啟動特性及過載沖擊要求。啟動、停車及加、減速平穩。

2. MVe2系列高性能變頻器采用IGBT器件PWM整流，減速時可將電機和負載的動能變成電能回饋電網，使提升機的加、減速過程平滑可靠，提高了設備運行的穩定性且節約了電能。

3. 采用歐姆龍旋轉編碼器進行系統采樣和定點控制，使得深度指示精確穩定，保護更加完善可靠。

4. TMEIC變頻器采用帶速度反饋的矢量控制技術，特別適合于礦井提升機的低速大啟動轉矩負載，使礦井提升機的運行更加安全可靠。

5. 通過兩套PLC之間的串行通訊連接，實現了系統的網絡化控制特點，極大地減少了設備之間的連線數量，降低了安裝接線成本。

6. 系統對提升機的運行狀態進行多畫面實時監控，對系統故障做到準確顯示，實時報警，實現提升全過程的位置、速度監視，具備齊全的人機對話及記錄顯示功能。

從本項目的應用情況和特性看，TMEIC的TMdrive‐MVe2提升機專用變頻器 是一款性能極其優異的高壓變頻器，非常適合礦井提升機驅動。

而且MVe2提升機專用變頻器具有雙機功能，即使用兩臺變頻器拖一臺單繞組或雙繞組電機，該方式可以在提升機變頻調速應用中廣泛使用，即使兩臺變頻器中的一臺故障時，也可以全載半速運行。采用雙機MVe2提升機專用變頻器驅動的提升機功率可以覆蓋至5500kW。

MVe2提升機專用變頻器還可采用先進的主從控制功能，可以在多機驅動的負載中，保證各負載間轉矩誤差小于1%。

總之，東芝三菱（TMEIC）MVe2提升機專用變頻器是一款性能優異、質量可靠、體積小、效率高、適用性廣泛的高壓四象限變頻器，非常適合重載啟動的恒轉矩負載和提升機負載，可以拖動異步電動機，高速同步電動機和低速同步懸臂電動機。

參考文獻：

1、《節能中壓變頻器 TMdrive‐MVe2 系列》選型手冊……東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司

2、J2CB0205rA.PDF……東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司

3、TMEIC 中壓變頻器調試報告……東芝三菱電機工業系統（中國）有限公司 孫艷棚

4、交流提升機 SPLC 電控設備使用說明書……洛陽中昶礦山機械有限公司 李 羽