一、 前 言
湖南宝山铅锌银矿副井卷扬机提升设备采用绕线电机串电阻调速。这套装置存在着很多缺陷，例如故障率高、维护费用高、运行效率低、噪音大，制约生产发展等。为了提高生产装备技术水平，提高生产能力，针对现副井，提出了改造要求，由长沙海特电子自控科技有限公司和烟台惠丰电子有限公司作出卷扬机变频操控系统方案。
变频调速是目前交流异步电动机最理想的调速方式，它模拟直流电机的调速方法，并考虑了电动机动态性能要求，具有无级调速、响应迅速、运行平稳、控制灵活等特点，广泛应用于各个领域。
“卷扬机变频操控系统”由变频柜、泄放单元、泄放电阻、操控台等组成，整套系统体积小、重量轻、操作使用方便可靠，并且完全沿用矿山设备的操作习惯。事实上，单从系统外观上看，新系统比原系统就有很大的优越性：原系统共有四个电控柜或电阻柜和一个操控台，而“卷扬机变频操控系统”只有一个变频控制柜和一个操控台。
副井卷扬机电机为115KW，考虑到负载的特殊性和系统可靠性注1，在设计中，“卷扬机变频操控系统”选用了160KW变频器，泄放单元和泄放电阻的作用主要是泄放电机所产生的再生能量。变频系统本身带有软制动，为了安全起见，继续应用了原系统的液压抱闸装置，作为安全保障。
变频调速器是通过改变电动机输入电源的频率来调节电机转速的，因此调速范围很宽，可以达到0~400HZ。频率调节精度为0.01HZ，基本上实现了无级调速。所以，采用变频器后，电机可以实现真正意义上的软启动和平滑调速。并且，变频器提高了输入电源的功率因数，在基频以下为恒转矩输出，输出功率随转速变化，因此具有很好的节电效果。另一方面，变频器还可通过软件，很方便地改变输出转矩（即调整转矩补偿曲线）和加减速时间、目标频率、上下限频率等。它还具有强大的兼容功能，通过微型键盘终端调用内部功能，并根据使用要求进行功能组合、参数设置（修改）和动态调速。通常，变频器可通过键盘操作，也可通过端子排控制，还可通过PLC进行多段速度控制。外控信号可以是电压，也可以是电流，还可通过编码器进行数字控制。
“卷扬机变频操控系统”的创新点之一就是在卷扬机系统中采用了泄放单元，该装置包括开关电源、电压采样与处理电路、脉冲信号发生与触发电路、保护电路、IGBT驱动电路及IGBT功率模块等。装置外设调节旋纽，可用来调节泄放的
注1：所使用电机为10级，其负载动态变化较大，因此选配的变频器必须具有足够的裕量。
阀值电压和泄放速度。装置分别与变频器和泄放电阻连接。其中泄放电阻的大小直接影响泄放速度。
“卷扬机变频操控系统”的另一技术创新点就是在变频器内部设置了“PLC”功能，从而可以灵活控制液压抱闸装置，使之完成放开、抱闸和适度抱闸等不同操作功能。此处，液压抱闸装置为原系统所用，其机械可靠性早已得到证实。
操控台在外观上保持了原来风格，但内部控制系统和外部指示均为全新设计。操作继续沿用以前习惯，主令开关手柄改为无级调速手柄，用于动态调速。另外，加设了“紧急制动”按钮和“非常制动”按钮，以提高制动的可靠性。一般地，当变频器发生故障时，系统自动输出异常信号，控制系统安全抱闸。如果自动抱闸线路出现故障而不能准确执行功能时，操作“紧急制动”按钮可以紧急制动；如果“紧急制动”功能也失效，则可起用“非常制动”，按下该按钮，即可切断接触器线圈的控制电源，直接启动抱闸装置，从而达到最可靠的制动。
总之，“卷扬机变频操控系统”具有很高的技术含量和很好的技术优势，这主要体现在：
1. 实现了电动机的软启动。
2. 实现了无级平滑调速，可在静态或动态任意调整电机转速。 3. 运行平稳，无转差冲击，延长了机械系统的使用寿命。 4. 响应迅速，控制灵活，便于实现集中控制和系统集成。
5. 集信号处理、运行控制、电子制动、机械制动、安全保护为一体，提高了设备的整体功能。
6. 操作直观简便，驾驭轻松自如。 7. 节能率高。
该系统于2002年4月首次在金蟾山金矿安装调试，同期经过矿旗两级验收，并正式投入使用，到鉴定之日已经安全无故障运行至今。
二、 原卷扬提升机系统简介
原卷扬机系统主要由主轴装置、减速机、绕线式电机、盘形闸、液压站、深度指示器、天轮、配重、井架、电源柜、加速控制柜、动力制动柜、电阻柜等组成。该系统在我国各矿区被普遍采用。
该矿卷扬提升机是关键的采矿设备，对安全性要求特别高，而对设备的效率、操作性以及自动化程度几乎没有要求。一般地，一种证明安全可靠的设备在矿山使用后，是轻易不会更换和改造的。原卷扬机系统就是这样，几十年来被普遍使用，原卷扬系统迫切需要改造。
然而，原系统由于技术落后、辅助环节多、故障点多，其动态性能差、调速不平稳，并且经常发生诸如电阻烧毁、接触器烧毁、可控硅损坏等问题，给生产和维护带来很大困难。据矿主管领导和操作工介绍，该套系统故障率和维修费用都很高，更重要的是由于经常维修，影响正常生产，给企业造成很大损失。
1. 原卷扬机系统概述
原卷扬机系统的工作原理是通过改变电动机正反转来实现罐笼上升与下降，而速度的改变则靠改变串入绕线式电机转子的电阻来实现的。其优点主要表现在机械抱闸制动方面。该抱闸装置控制方便，在长期使用中性能稳定，安全性很高。
这套系统的缺点也是明显的，主要表现在系统组成复杂，体积庞大、操作复杂、故障率较高。从实际系统中我们可以清楚地看到，各单元、各元件之间的连线达数百条；电阻器频繁烧毁，电机铜头、刷架、电刷等经常出现故障等。另外，由于控制系统繁琐，给检修维护带来很大困难，也是该系统的主要缺点之一。
从系统运行情况，我们不难看出，原卷扬机系统为有级调速，动态速度变化不平稳、调速范围小，对罐难度很大，操作不易掌握，尤其是运行不稳增加了设备磨损。另一方面，当系统低速运行时，电机的转差率大，相应的转差功率完全转化为热量消耗掉。所以，该系统只是一种低效率、高消耗的调速装置。
我们知道，对于交流电机调速来说，改变电源电压、电源频率或电机的极对数均可改变电机转速。而对于原系统，电机极数和施加于定子侧的电源频率均不变，因此，电机的同步转速也不变，所谓调速，实际是通过串联电阻改变定子绕组上的电压，这就使电气传动的稳态调速精度大大降低；同时，由于串入电机转子回路的电阻阻值不能无级变化，所以无法实现平滑调速。
我们还应注意的一点是原系统即使在再生能量回馈状态下仍然消耗大量的电网电能，例如，空罐上升时，电机处于发电状态，所产生的再生电能全部消耗在电阻上，并且由于系统处于制动状态，串入的电阻同样消耗大量的电能。这就是该系统的致命缺点之一。
2. 原卷扬机系统组成
该系统包括卷扬机、罐笼、配重、主动电机、油泵站、液压机械抱闸装置、电源柜、加速控制柜、电阻柜、动力制动柜、操控台等，如图2－1所示。其中，液压机械抱闸装置在失电状态下处于完全抱紧（制动）状态注1，旋转操纵杆，控制
罐笼电源柜加速控制柜动力制动柜电阻柜卷扬机机械抱闸电机操作台配重原扬机系统示意图图2－1 原卷扬机系统示意简图
自整角机（即旋转变压器）两轴的转角差，从而改变自整角机输出电压。此电压经整流后加在电磁阀上调节油路上电磁控制阀的开启程度，并由此控制抱闸力的大小。当操纵杆推到最大（约直流20V）时，抱闸完全放开（即盘闸处于自由状态）；当操纵杆推到某一位置（约DC7V）时，系统处于临界制动状态注2。
3. 原卷扬机系统工作原理
如图2－1所示，卷扬机通过钢丝绳分别承吊罐笼和配重，配重约1.2T，空罐笼约0.4T，矿井深400m多。罐笼上升的时候，配重处于下降过程，二者运行方向
注1：抱闸装置设有2对摩擦片，分别夹紧卷扬机的法兰盘，通常情况下由于弹簧作用而处于夹紧状态。当电
磁阀打开时，高压液体推动油缸，抵消弹簧的夹紧力，使摩擦减小，从而使抱闸的夹紧力减小，制动减弱。当高压油完全进入油缸而产生最大推动力时，抱闸完全释放，即系统处于自由状态。 注2：此处20V和7V均为对原系统实测而得。
永远相反。
通常，罐笼下降时不载重物（有时承载工具或工人），而在提升罐笼时，罐笼装载物体（有时是空罐笼）。也就是说，配重上升时电机负载较大（空罐笼），配重下降时电机负载较小（载重罐笼）。但有时配重下降时，所提升的罐笼也未装载重物，因此，电机处于很强的发电状态。图中所示机械抱闸在前文已做简要说明。
卷扬机系统控制罐笼升降，在响应各中段信号后，还应准确对罐。因此，电机转速必须可调节、制动必须可靠、起动必须迅速平稳。而原系统除了制动外，其他各项均不理想。
系统的动力配置
注1
为一台115KW的10级绕线转子串级调速交流异步电动机，
有级调速，即通过主令开关改变转子回路串入不同数值可调电阻，从而获得电机的不同机械特性，从而改变电机转速，这种调速方式简单，曾被广泛应用。
4. 原卷扬机系统优缺点
原系统的优点主要表现在机械抱闸（制动）方面。该抱闸装置设计巧妙，可靠性高，在长期使用中性能稳定、反映灵敏，并且操作简单，便于连接系统。
而原系统采用的调速方式比较落后，整个电源、控制系统包括三个大型低压电器柜和一个电阻柜，控制相当复杂，发生故障的环节较多。况且，可控硅斩波环节本身的故障率就很高，增加了系统维护的压力。另外，控制系统复杂、检修困难、维修成本高、调速范围小、调速不平稳。从节能方面考虑，卷扬机系统属于恒转矩性质负载，罐笼低速运行时，电机转差功率大，而这些转差功率全部转化为热量消耗掉了。所以原调速方式属于低效率调速方式，能耗大，低速运行时能量消耗在电阻上；由于电机极对数与施加于其定子侧的电压频率都不变，所以电机的同步转速或理想空载转速也不变，这样电机的机械特性是一族通过理想空载转速点的特性，调速时机械特性随着转子回路电阻的增大而变软，大大降低了电气传动的稳态调速精度；由于串入电机转子回路的附加电阻级数（即不能无级变化）受限，无法实现平稳调速；空罐上升时电机处于发电状态，此时同样消耗能量。这些都是该系统存在的致命缺陷。
三、 副井变频卷扬操控系统
卷扬机变频操控系统采用交流电机变频调速器作为调速单元，操控台重新设计（操作方式保持原习惯），终极制动仍沿用原系统的盘闸制动。整个系统简洁明
注1 ：此处为原卷扬机系统的配置。