变频技术在矿井提升机自动化改造中的应用研究

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变频技术在矿井提升机自动化改造中的应用研究

杜 勇，杜坤良

摘要：随着经济的稳定发展，能源的消耗与日俱增，矿山企业作为重要的能源提供者，需全力提高矿山开采工

作的效率和质量。在整个矿山开采工作中，提升机发挥着

重要的作用，通过将变频技术和PLC技术应用到矿井提

升机中，就可以促进矿山开采工作的顺利完成。因此，本

文将通过论述变频技术在矿井提升机中的相关应用，来促

进矿井提升机自动化改造的进程加快。

关键词：变频技术；矿井提升机；自动化改造；应用研究

1 变频技术和矿井提升机相关概述1.1 变频技术相关概述

变频技术主要是实现将直流电改变成不同频率的交

流电的一种技术手段。变频技术不仅可以将直流电转化为

不同频率的交流电，还可以将交流电转化为直流电后再次

转化为不同频率的交流电。总而言之，变频技术可以实现

电流形式之间的转化，但是在转化过程中只有频率之间的

改变，没有电能之间的转变。将变频技术运用到矿井提升

机设备中，为矿井提升机设备的节能和调速奠定了基础。

变频技术应用在矿井提升机不仅可以促进自动化改造的

进程，还可以保证提升机系统率的安全性得到大幅度的提

升，促进矿井提升机的工作效率。

当矿井提升机自动化改造中使用变频技术以后，实现

了矿井提升机的节能减排工作。在运用变频技术以后，在

生产效率提升的同时，有效的减小能源的消耗，降低矿井

工作的成本，提高矿井工作的收益。当变频技术被成功运

用到矿井提升机自动化改造之后，有效的提升机系统在运

行过程中的可靠性、安全性、稳定性。在系统中使用了变

频技术以后，系统运行的精准度得到大大的提升，避免了

因为提升机系统过快运行导致的一系列问题，极大程度上

保证了提升机系统运行的安全。在当变频器在提升机设备

中加速时，就能够有效的提高提升机的运行效率，促进矿

山开采工作的效率和质量。当变频技术运用在提升机设备

中时，在提高效率的过程中，完全依靠电力进行制动，大

大减少了闸瓦的损耗，延长了提升机设备的使用寿命。当

变频技术应用到矿井提升机设备后，原本的大功率电阻被取消，极大程度上缓解了因为电阻过热导致的工作环境温

度高的温度，改善了提升机的工作环境。同时提升机在应

用变频技术后，变频器在启动工作的过程中对电网的冲击

力会大大的减小，保护了提升机设备的安全。

1.2 矿井提升机相关概述

矿井提升机是一种运输工具，主要负责将矿井下面的

矿石运输到矿井上面来，是矿井开采工作中的重要组成部

分。在矿井提升机工作的过程中，会消耗大量的能源，约

占整个矿山开采工作的百分之三十左右。因此，想要促进

矿井提升机的发展，就要对提升机进行技术改进，减小能

源的消耗。在矿山提升机中，主要构成部分是电动机、减

速器、制动系统、卷筒、控制系统、测速系统等等，需要

靠电动机进行启动工作。制动系统主要是用来保障提升机

安全的一种设置，它可以在提升机发生故障时，采取紧急

制动的措施，避免提升机在停止工作时，出现骤停或者坠

毁等情况的发生。测速系统顾名思义就是用来检测提升机

在工作时候的速度，来保证提升机在需要停车时，速度不

会过快，导致停不下来。而控制系统就是用来控制测速系

统、制动系统，在提升机中用来控制的方式有很多，主要

分为手动、半自动、全自动等。

随着科学技术的发展，矿井提升机已经成为了全自动

控制的大型设备之一，具有容量大、速度快等特点。矿井

提升机主要是通过升降提升绳来实现工作的。根据提升绳

的性质，可将提升机分为摩擦式矿井提升机和缠绕式矿井

提升机。缠绕式矿井提升机主要是用于矿井深度在四百米

以下，矿石年产值在一百二十吨左右的矿山开采工作。摩

擦式矿井提升机主要是用于除了凿井以外的任何矿井。在

选择矿井提升机时，需要根据矿井的具体情况，选择出合

适的提升机种类，只有这样才可以发挥出矿井提升机的真

正作用，保证顺利完成矿井开采工作。

1.3 矿井提升机自动化改造对矿井工作的重要意义

矿井提升机在整个矿山工作中都有着重要的意义，从

某种程度上来讲，矿井提升机的性能高和低决定着矿山

开采工作的进程。因此，必须要将现代化的科学技术手段

运用到矿井提升机上，促进矿井提升机的性能提升。当矿

井提升机进行自动化改造时，自动化系统会具有安全、稳管理及其他M

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定、可靠等优势，保证矿井能够正常生产。对于矿井提升

机的电气系统来讲，虽然电气系统具有比较强的控制能

力，但是有很多的性能没有办法在实际生产当中发挥出效

果，并且负责控制功能的很多开关都暴露到空气当中，受

到外界因素的影响，会发生开关失灵的情况。另外，电气

系统中的很多功能都是和机械闸形成闭环控制，导致提升

机设备在工作的过程中，电气系统运行的控制性差，精准

度不高，安全性得不到保证等问题的频发，影响提升机设

备的正常生产工作。在提升系统正常工作的过程中，有大

量的电能会应用在电阻上，这不仅浪费的大量的能源，同

时还导致现场环境温度的升高，会造成了提升机设备的质

量受到影响，需要多次进行维修处理，增加了提升机设备

的使用成本。与此同时，在工作人员操作提升机设备时，

工作人员需要花费大多数的时间和精力用来操纵提升系

统，导致工作人员极易出现疲劳，影响提升机设备的正常

运行。由此可以看出，对于提升机的整改刻不容缓，只有

对提升机进行了自动化改造，才可以消除系统运行过程中

的弊端，保障提升机系统的正常运行，促进矿山开采工作

的顺利完工。

2 变频技术机理在使用变频技术进行矿井提升机自动化改造的过程

中，控制系统已经通过变频技术和PLC技术实现了矿井提

升机对系统的自动化控制。通过利用变频技术的过程中，

可对输电电流进行频率的调整，来起到控制矿井提升机速

度的作用。在通过PLC技术在矿井提升机运行轨道的地方

设置监测点，起到实施监控矿井提升机的作用，通过二者

的紧密结合，实现对矿井提升机系统的自动化控制。

2.1 变频技术

变频技术就是通过整流桥和半导体来实现交流电和

直流电之间的转化，将频率固定的交流电变成频率可变的

交流电，实现对电动机的控制，从而对矿井提升机的速度

进行调整。需要记住的是，在使用变频技术的过程中，只

有电流的频率发生了改变，电流的电能没有发生变化。在

变频技术工作的过程中，输出电流在经过整流桥时，电流

的频率是没有发生改变的，只不过使用输出电流从交流电

变成了直流电。然后直流电会传输到半导体构成的变频

器中，在经过变频器后，直流电会转化为频率可变的交流

电。在直流电转化为频率可变的交流电过程中，电流的方

向也在发生了改变，从不变到变的一个过程。通过变频技

术，已经成功的将输出电流转变成了频率可控的交流电，

这个时候，就可以通过控制电机来调整矿井提升机的运输

速度了。当矿井提升机的运输速度处于加速或者减速状态时，变频器会根据运输速度进行及时的调整输出电流的电

流频率，达到调整提升机运输速度的目标。当矿井提升机

的运行速度加快时，输出电流的电流频率也会随之增加，

带动电动机的转速加快，推动矿井提升机加速行驶。当矿

井提升机的运行速度处于匀速阶段时，输出电流的电流频

率也会保持不变，电动机的转速也是保持匀速，矿井提升

机的运输速度也会保持匀速行驶。当矿井提升机的运行速

度降低时，输出电流的电流频率也会随着速度而下降，电

动机的转速也会跟着降低，一直到矿井提升机的运输速度

下降为止。总而言之，在矿井提升机自动化改造的过程中

使用了变频技术，不仅避免了传统的电阻控制电动机设备

的弊端，还有效的减少了输出电流的损耗，降低了矿井提

升机的能源消耗，增加了矿井开采工作的经济收益。

2.2 PLC技术

所谓的PLC技术值得就是通过网络计算机和信号转

换来收集有用的检测数据，通过这些监测数据来实现对监

测点的实时监控，将监测点的数据传输到矿井提升机的控

制系统中，控制系统会将得到的信息数据与系统内部存在

的逻辑判断能力进行判断，将得出的结论信号输送给专门

的信号控制设备，来完成对矿井提升机的自动化控制。在

矿井提升机正常工作的过程中，如果矿井提升机的运行

轨迹不发生改变，那么在运输矿石的五个阶段中，矿井提

升机的运行速度和加速度都不会发生改变。面对这种情

况时，就需要根据矿井提升机的运行特点合理的利用PLC

技术，来完成对监测点的科学监控。在监控过程中，需要

对矿井提升机运行的速度进行检测，其中包括矿井提升机

的加速度。在检测过程中，主要是针对矿井提升机会发生

速度变化的五个阶段的位置进行布置检测设备，能够起到

实施监控的作用。在检测过程中，主要是依靠PLC技术来

完成，需要将检测的结果通过检测设备传输给控制系统，

然后控制系统通过内部的判断逻辑来给出相应的控制信

号，控制信号会让变频器改变输出电流的电流频率，起到

对矿井提升机运行速度的调整，从而达到矿井提升机的自

动化控制。

3 自动化系统设计3.1 监测参数选择和监测点的布置

在矿井提升机正常运行时，需要根据矿井提升机的运

行特点，来合理的选择监测点的位置。在选择监测点的过

程中，需要考虑到监测参数是否和自动化控制系统中的判

断逻辑相匹配，能不能通过传输到自动化控制系统的监测

参数得到正确的控制信号，而这些控制信号能不能指挥控

制设备执行提前设置好的动作。这些问题都需要在确定监管理及其他M

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测点时进行周全的考虑。当确定好监测点之后，就可以进

行监测设备的安装了。在安装监测设备时，通常会选择接

触式传感器来检测矿井提升机的运行速度。当监测设备安

装完成后，监测参数就会通过传感器将信息数据传输到自

动化控制系统中，通过判断逻辑来完成控制信号的传输，

达到控制矿井提升机运行速度的目的。在实际应用中，接

触式传感器的灵敏度具有一定限制，并且接触式传感器的

测量范围也不是很大，因此，在实际应用中通常会选用光

电式传感器。光电式传感器是一种使用光的反射原理进

行工作的传感器，其灵敏度相对比较高，工作范围也比较

大。在实际应用中，光电式传感器可以通过不同颜色来对

环境进行区分，而且在应用中不需要对其进行供电或者是

进行其他处理。光电式传感器能够准确的测量出物体反射

回来的光线强度，并且可以通过对光线强度的测量来对物

体进行厚度测量。在实际应用中，光电式传感器一般用于

检测物体厚度的变化。

3.2 控制动作的设计

在矿井提升机正式开始工作时，自动化控制系统就会

接受到指令，开始启动设备，在这个过程中，变频器会开

始工作，调整输出电流的电流频率，电动机的转速开始增

加，矿井提升机的速度开始加快。当矿井提升机在工作过

程中，达到监测点，监测点就会将检测参数传输到自动化

控制系统当中，判断逻辑会判断出矿井提升机的速度处于

什么样的状态，并根据速度状态给出科学的控制信号，当

变频器接受到控制信号以后，就会调整输出电流的电流频

率，电动机的转速也会跟着发生改变，从而调整矿井提升

机的运行速度。当矿井提升机即将停止工作时，速度会变

得非常缓慢，此时，通过监测点提供的数据，变频器就会

停止对输出电流的工作，电动机的转速也在急速的下降，

一直到矿井提升机的运行速度为零为止。当矿井提升机在

运行过程中，速度过快或者过慢时，都会出现异常情况，

在这种情况下，自动化控制系统就会将报警信息传输到监

测系统当中，通过监测系统来判断出矿井提升机的运行状

态，如果发现是提升机出现了异常情况，那么就会及时发

出警报信号。在报警信号发出以后，就会利用紧急制动来

降低矿井提升机的速度。在紧急制动的过程中，如果使用

机械制动的话，将会产生巨大的冲击震动，影响到设备和