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)p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(jí)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(duì)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(duì)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(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(hào)，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。

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