礦井提升機的變頻調速改造方案設計與實(shí)現

1 概況[1]

礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產(chǎn)過(guò)程中的重要設備，提升機的安全、可靠運行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。煤礦井下采煤，之后通過(guò)斜井用提升機將煤車(chē)拖到地面上來(lái)。煤車(chē)廂與火車(chē)的運貨車(chē)廂類(lèi)似，只不過(guò)高度和體積小一些。在井口有一絞車(chē)提升機，由電機經(jīng)減速器帶動(dòng)卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周，其兩端分別掛著(zhù)一列煤車(chē)車(chē)廂，在電機的驅動(dòng)下將裝滿(mǎn)煤的一列車(chē)從斜井拖上來(lái)，同時(shí)把一列空車(chē)從斜井放下去，空車(chē)起著(zhù)平衡負載的作用，任何時(shí)候總有一列重車(chē)上行，不會(huì )出現空行程，電機總是處于電動(dòng)狀態(tài)。這種拖動(dòng)系統要求電機頻繁的正、反轉起動(dòng)，減速制動(dòng)，而且電機的轉速按一定規律變化。

斜井提升機的機械結構示意如圖1所示。斜井提升機的動(dòng)力由繞線(xiàn)式電機提供，采用轉子串電阻調速。提升機的基本參數是：電機功率55 kW，卷筒直徑1 200 mm，減速器減速比24:1，最高運行速度2.5 m/s，鋼絲繩長(cháng)度為120 m。

目前，大多數中、小型礦井采用斜井絞車(chē)提升，傳統斜井提升機普遍采用交流繞線(xiàn)式電機串電阻調速系統，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設備運行的時(shí)間較長(cháng)，交流接觸器主觸頭易氧化，從而引發(fā)設備故障。另外，提升機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(chē)位置不準確。提升機頻繁的起動(dòng)p調速和制動(dòng)，會(huì )在轉子外電路所串的電阻上產(chǎn)生相當大的功耗。這種交流繞線(xiàn)式電機串電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差;低速時(shí)機械特性較軟，靜差率較大;電阻上消耗的轉差功率大，節能較差;起動(dòng)過(guò)程和調速換擋過(guò)程中電流沖擊大;中高速運行震動(dòng)大，安全性較差。

2 改造方案

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

考慮到繞線(xiàn)式電動(dòng)機比鼠籠式電動(dòng)機的力矩大，且過(guò)載能力強，所以仍用原來(lái)的4極55 kW 繞線(xiàn)式電機，在用變頻器驅動(dòng)時(shí)需將轉子三根引出線(xiàn)短接。提升機在運行過(guò)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，提升機不能運行。

為顯示運行時(shí)車(chē)廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉編碼器，即電機旋轉1圈旋轉編碼器產(chǎn)生40個(gè)脈沖，這樣每?jì)蓚€(gè)脈沖對應車(chē)廂走過(guò)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(cháng)度為120 m，如果兩個(gè)脈沖對應車(chē)廂走過(guò)的距離用近似值3.9 mm計算，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(guò)程中有一個(gè)脈沖的誤差，則最大的誤差在821~829 mm 之間，對于數十米長(cháng)的車(chē)廂來(lái)說(shuō)誤差范圍不到1 m，精度足夠。

因此，用計數器實(shí)時(shí)統計旋轉編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數，則可計算出車(chē)廂的位置并用顯示器顯示。另外一個(gè)問(wèn)題是計數過(guò)程中有無(wú)累計誤差存在?實(shí)際檢測時(shí)，在一個(gè)提升過(guò)程開(kāi)始前，首先將計數器復位，第一個(gè)重車(chē)廂經(jīng)過(guò)某個(gè)位置時(shí)，打開(kāi)計數器計數，車(chē)廂在斜井中的位置以此點(diǎn)為基準計算，沒(méi)有累計誤差。在操作臺上，用SWP-AC 系列智能型交流電壓/電流數字儀表顯示交流電壓和電機工作電流，用智能型數字儀表顯示提升次數和車(chē)廂的位置。

3 方案實(shí)施

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

在重車(chē)減速時(shí)，雖然重車(chē)在斜井面上有一向下的分力，但重車(chē)的減速時(shí)間較短，電機仍會(huì )處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當另一列重車(chē)上行時(shí)，電機處于反向電動(dòng)狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，當單獨運送工具或器材到井下時(shí)(占總運行時(shí)間的10%)，電機純粹處于第二或第四象限，此時(shí)電機長(cháng)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，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時(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。

提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動(dòng)力矩較大，選用變頻器時(shí)要適當地留有余量，因此，選用ABB公司的ACS800 75 kW變頻器。由于提升機電機絕大部分時(shí)間都處于電動(dòng)狀態(tài)，僅在少數時(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(mǎn)足重車(chē)下行時(shí)的再生制動(dòng)，實(shí)現平穩的下行。井口還有一個(gè)液壓機械制動(dòng)器，類(lèi)似電磁抱閘，此制動(dòng)器用于重車(chē)靜止時(shí)的制動(dòng)，特別是重車(chē)停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動(dòng)器制動(dòng)。液壓機械制動(dòng)器受PLC 和變頻器共同控制，起動(dòng)時(shí)當變頻器的輸出頻率達到設定值，例如0.2 Hz，變頻器端口RO31、RO33 輸出信號，表示電機轉矩已足夠大，打開(kāi)液壓機械制動(dòng)器，重車(chē)可上行;減速過(guò)程中，當變頻器的頻率下降到0.2 Hz時(shí)，表示電機轉矩已較小，液壓機械制動(dòng)器制動(dòng)停車(chē)[4]。緊急情況時(shí)，按下緊急停車(chē)按鈕，變頻器能耗制動(dòng)和液壓機械制動(dòng)器同時(shí)起作用，使提升機在盡量短的時(shí)間內停車(chē)。

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