礦井提升機(jī)的變頻調(diào)速改造方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 概況[1]

礦井提升機(jī)是煤礦、有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，提升機(jī)的安全、可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。煤礦井下采煤，之后通過斜井用提升機(jī)將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運(yùn)貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機(jī)，由電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周，其兩端分別掛著一列煤車車廂，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時(shí)把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負(fù)載的作用，任何時(shí)候總有一列重車上行，不會(huì)出現(xiàn)空行程，電機(jī)總是處于電動(dòng)狀態(tài)。這種拖動(dòng)系統(tǒng)要求電機(jī)頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動(dòng)，減速制動(dòng)，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化。

斜井提升機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。斜井提升機(jī)的動(dòng)力由繞線式電機(jī)提供，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。提升機(jī)的基本參數(shù)是：電機(jī)功率55 kW，卷筒直徑1 200 mm，減速器減速比24:1，最高運(yùn)行速度2.5 m/s，鋼絲繩長度為120 m。

目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井提升機(jī)普遍采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，從而引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會(huì)造成停車位置不準(zhǔn)確。提升機(jī)頻繁的起動(dòng)﹑調(diào)速和制動(dòng)，會(huì)在轉(zhuǎn)子外電路所串的電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這種交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差;低速時(shí)機(jī)械特性較軟，靜差率較大;電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差;起動(dòng)過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大;中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。

2 改造方案

為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全頻率(0~50 Hz)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。對再生能量的處理，可采用價(jià)格低廉的能耗制動(dòng)方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動(dòng)方案[2]。為安全性考慮，液壓機(jī)械制動(dòng)需要保留，并在設(shè)計(jì)過程中對液壓機(jī)械制動(dòng)和變頻器的制動(dòng)加以整合。礦井提升機(jī)變頻調(diào)速方案如圖2 所示。

考慮到繞線式電動(dòng)機(jī)比鼠籠式電動(dòng)機(jī)的力矩大，且過載能力強(qiáng)，所以仍用原來的4極55 kW 繞線式電機(jī)，在用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。提升機(jī)在運(yùn)行過程中，井下和井口必須用信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，信號未經(jīng)確認(rèn)，提升機(jī)不能運(yùn)行。

為顯示運(yùn)行時(shí)車廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉(zhuǎn)編碼器，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生40個(gè)脈沖，這樣每兩個(gè)脈沖對應(yīng)車廂走過的距離為1200仔/(圓源伊源0)越3.927抑3.9 mm。則與實(shí)際距離的誤差值為4-3.9=0.027 mm，卷筒運(yùn)行一圈誤差為0.027伊源園伊圓源越圓緣.92 mm，已知鋼絲繩長度為120 m，如果兩個(gè)脈沖對應(yīng)車廂走過的距離用近似值3.9 mm計(jì)算，120 m全程誤差為圓緣.92伊120 000/1 200仔抑825 mm。再考慮到實(shí)際檢測過程中有一個(gè)脈沖的誤差，則最大的誤差在821~829 mm 之間，對于數(shù)十米長的車廂來說誤差范圍不到1 m，精度足夠。

因此，用計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，則可計(jì)算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個(gè)問題是計(jì)數(shù)過程中有無累計(jì)誤差存在?實(shí)際檢測時(shí)，在一個(gè)提升過程開始前，首先將計(jì)數(shù)器復(fù)位，第一個(gè)重車廂經(jīng)過某個(gè)位置時(shí)，打開計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，車廂在斜井中的位置以此點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算，沒有累計(jì)誤差。在操作臺上，用SWP-AC 系列智能型交流電壓/電流數(shù)字儀表顯示交流電壓和電機(jī)工作電流，用智能型數(shù)字儀表顯示提升次數(shù)和車廂的位置。

3 方案實(shí)施

斜井提升負(fù)載是典型的摩擦性負(fù)載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。重車上行時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)還要克服一定的靜摩擦力矩，電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)，且工作于第一象限。

在重車減速時(shí)，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時(shí)間較短，電機(jī)仍會(huì)處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當(dāng)另一列重車上行時(shí)，電機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，當(dāng)單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下時(shí)(占總運(yùn)行時(shí)間的10%)，電機(jī)純粹處于第二或第四象限，此時(shí)電機(jī)長時(shí)間處于再生發(fā)電狀態(tài)[3]，需要進(jìn)行有效的制動(dòng)。用能耗制動(dòng)方式必將消耗大量的電能;用回饋制動(dòng)方式，可節(jié)省這部分電能。但是，回饋制動(dòng)單元的價(jià)格較高，考慮到單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下僅占總運(yùn)行時(shí)間的10%，為此選用價(jià)格低廉的能耗制動(dòng)單元加能耗電阻的制動(dòng)方案，如圖3 所示。

提升機(jī)的負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，起動(dòng)力矩較大，選用變頻器時(shí)要適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔?，因此，選用ABB公司的ACS800 75 kW變頻器。由于提升機(jī)電機(jī)絕大部分時(shí)間都處于電動(dòng)狀態(tài)，僅在少數(shù)時(shí)間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入一制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，就可以滿足重車下行時(shí)的再生制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個(gè)液壓機(jī)械制動(dòng)器，類似電磁抱閘，此制動(dòng)器用于重車靜止時(shí)的制動(dòng)，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)。液壓機(jī)械制動(dòng)器受PLC 和變頻器共同控制，起動(dòng)時(shí)當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定值，例如0.2 Hz，變頻器端口RO31、RO33 輸出信號，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機(jī)械制動(dòng)器，重車可上行;減速過程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到0.2 Hz時(shí)，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)停車[4]。緊急情況時(shí)，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動(dòng)和液壓機(jī)械制動(dòng)器同時(shí)起作用，使提升機(jī)在盡量短的時(shí)間內(nèi)停車。

提升機(jī)傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機(jī)正﹑反轉(zhuǎn)各三擋速度。為適應(yīng)操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設(shè)置，X1、X2 為正反轉(zhuǎn)控制，X3、X4、X5 可設(shè)三擋速度(在變頻器參數(shù)中通過恒速選擇來實(shí)現(xiàn))。變頻調(diào)速原理圖如圖3 所示。

為實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的平滑控制功能，需對變頻器的運(yùn)行參數(shù)做相關(guān)設(shè)置，由于篇幅有限，這里只對和本系統(tǒng)運(yùn)行有關(guān)的主要參數(shù)做相關(guān)設(shè)置，主要參數(shù)設(shè)置如表1所列。

4 提升機(jī)工作過程

提升機(jī)經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，系統(tǒng)的工作性能發(fā)生了較大的變化。操縱桿控制電機(jī)正轉(zhuǎn)三段速度，反轉(zhuǎn)三段速度。不管電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都是為了從礦井中將煤拖到地面上來，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時(shí)，需要減速并制動(dòng)，提升機(jī)工作時(shí)序圖如圖4所示。

圖4 中，提升機(jī)無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，其工作過程都相同，有起動(dòng)、加速、中速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速運(yùn)行、制動(dòng)停車等七個(gè)階段。提升機(jī)每提升一次的運(yùn)行時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)行速度、加速度及斜井的深度有關(guān)，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間可由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的工況自定。圖中各階段的工作情況說明如下。

1)第一階段0耀賊1 煤車車廂在井底裝滿煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號給井口提升機(jī)操作工人，操作工人在回復(fù)一個(gè)信號到井底，然后開機(jī)提升。重車從井底開始上行，空車同時(shí)在井口車場位置開始下行。

2)第二階段t1-t2 重車起動(dòng)后，加速到變頻器的頻率為f2的速度運(yùn)行，中速運(yùn)行的時(shí)間較短，只是一過渡段，加速時(shí)間內(nèi)設(shè)備如果沒有問題，立即再加速到正常運(yùn)行速度。

3)第三階段t2-t3 再加速段。

4)第四階段t3-t4 重車以變頻器頻率為f3 的最大速度穩(wěn)定運(yùn)行，一般，這段過程最長。

5)第五階段t4-t5 操作工人看到重車快到井口時(shí)立即減速，如減速時(shí)間設(shè)置較短時(shí)，變頻器制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

6)第六階段t5-t6 重車減速到以變頻器頻率為f1的速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。

7)第七階段t6-t7 快到停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號到井下，整個(gè)提升過程結(jié)束。

以上為人工操作程序，也可按PLC自動(dòng)操作程序工作。圖中加速和減速段的時(shí)間均在變頻器上設(shè)置(具體實(shí)現(xiàn)只需將上述的人工溝通信號采用傳感器來實(shí)現(xiàn)即可)。

5 結(jié)語

繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方式。

提升機(jī)絕大部分時(shí)間都處在電動(dòng)狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)測算節(jié)能30%以上、取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，提升機(jī)變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運(yùn)行故障和停工工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了運(yùn)煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。