礦井提升機的變頻調速改造

一、概況

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。山西某煤礦井下采煤，采好的煤通過(guò)斜井用提升機將煤車(chē)拖到地面上來(lái)。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)，而且電機的轉速一定規律變化。斜井提升機的機械結構示意如下圖所示。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。

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，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)﹑調速和制動(dòng)，在轉子外電 路所串電阻的上產(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。

二、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（0～50Hz）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。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下如圖所示：

現場(chǎng)使用的是繞線(xiàn)式電動(dòng)機，在用變頻器驅動(dòng)時(shí)需將轉子三根引出線(xiàn)短接。

三、方案實(shí)施

斜井提升負載是典型的摩檫性負載，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檫力矩，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。另外有占總運行時(shí)間10%的時(shí)候單獨運送工具或器材到井下時(shí)，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)，需要進(jìn)行有效的制動(dòng)。因此采用能耗制動(dòng)單元加能耗電阻的制動(dòng)方案。

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)適當地留有余量。因此選用偉創(chuàng )高性能AC60-G系列變頻器。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)器受原控制系統和變頻器共同控制，機械制動(dòng)是否制動(dòng)受變頻器頻率到達端口的控制，起動(dòng)時(shí)當變頻器的輸出頻率達到設定值，例如2Hz，變頻器TA、TB、TC端口輸出信號，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2Hz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)。緊急情況時(shí)，按下緊急停車(chē)按鈕，變頻器自由停機，液壓機械制動(dòng)器馬上起作用，使提升機在盡量短的時(shí)間內停車(chē)。

提升機傳統的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機正﹑反轉個(gè)三擋速度。為適應操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設置，FWD、REV設為正反轉，X1、X2、X3設為低、中、高三擋速度。變頻調速原理圖如下圖所示。

變頻器的設置如下：E-01：1；E-02：0；E-13：40；E-14：40；E-18：6；E-23：100；E-28：2.00；E- 33：2.00；F-01：5；F-02：6；F-03：7；F-09：10.0；F-10：30.0；F-12：50.0；其它按現場(chǎng)要求設置。以上設置請參見(jiàn)AC60系列說(shuō)明書(shū)。

四、提升機工作過(guò)程

提升機經(jīng)過(guò)變頻調速改造后，系統的工作過(guò)程變化不大。操縱桿控制電機正轉三擋速度和反轉三段速度。不管電機正轉還是反轉，都是從礦井中將煤拖到地面上來(lái)，電機工作在正轉和反轉電動(dòng)狀態(tài)，只有在滿(mǎn)載拖車(chē)快接近井口時(shí)，需要減速并制動(dòng)，提升機工作時(shí)序圖如圖4所示。

提升機無(wú)論正轉、反轉其工作過(guò)程是相同的，都有起動(dòng)、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動(dòng)停車(chē)等七個(gè)階段。每提升一次運行的時(shí)間，與 系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關(guān)，各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時(shí)間由操作工人根據現場(chǎng)的狀況自定。圖中各個(gè)階段的工作情況說(shuō)明如 下：

（1）第一階段0～t1：串車(chē)車(chē)廂在井底工作面裝滿(mǎn)煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò )信號給井口提升機操作工人，操作工人在回復一個(gè)信號到井底，然后開(kāi)機提升。重車(chē)從井底開(kāi)始上行，空車(chē)同時(shí)在井口車(chē)場(chǎng)位置開(kāi)始下行。

（2）第二階段 t1～t2：重車(chē)起動(dòng)后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時(shí)間較短，只是一過(guò)渡段，加速時(shí)間內設備如果沒(méi)有問(wèn)題，立即再加速到正常運行速度。

（3）第三階段 t2～t3：再加速段。

（4）第四階段 t3～t4：重車(chē)以變頻器頻率為f3的最大速度穩定運行，一般，這段過(guò)程最長(cháng)。

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

（6）第六階段 t5～t6：重車(chē)減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規定的位置停車(chē)。

（7）第七階段 t6～t7：快到停車(chē)位置時(shí)，變頻器立即停車(chē)，重車(chē)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(guò)程結束。

以上為人工操作程序，也可按操作臺自動(dòng)操作程序工作。

圖中加速和減速段的時(shí)間均在變頻器上設置。

五、結語(yǔ)

繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。提升機絕大部分時(shí)間 都處在電動(dòng)狀態(tài)，節能十分顯著(zhù)，經(jīng)測算節能30%以上、取得了很好的經(jīng)濟效益。另外，提升機變頻調速后，系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工檢修工時(shí)，節省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟效益也很可觀(guān)。