1、引言

    山東新汶礦務(wù)局協(xié)莊煤礦井下暗井550絞車(chē)，原老系統(tǒng)電網(wǎng)電壓為6kV，電機(jī)功率260kW。原提升機(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。

    將高壓四象限運(yùn)行、矢量控制、能量反饋型變頻技術(shù)、PLC提升機(jī)電控技術(shù)應(yīng)用在井下斜井提升機(jī)上，并滿足《煤礦安全規(guī)程》及《礦用一般型電氣設(shè)備》的要求，使設(shè)備達(dá)到各項(xiàng)安全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，穩(wěn)定運(yùn)行，是礦井井下斜井提升機(jī)安全、可靠、高效提升的有效途徑。

    領(lǐng)取高壓變頻器礦用一般型KY認(rèn)證時(shí)，從國(guó)家煤炭防爆安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心獲悉，國(guó)內(nèi)外至今沒(méi)有應(yīng)用于我國(guó)煤礦井下提升機(jī)的高壓提升機(jī)變頻器，合康億盛在這個(gè)領(lǐng)域是開(kāi)拓者。 

    2、技術(shù)比較

    a、交流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式

    交流電機(jī)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、故障率低、維修方便、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用，但交流單機(jī)、雙機(jī)拖動(dòng)的提升系統(tǒng)以前采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，現(xiàn)已基本淘汰完，此調(diào)速方式存在的問(wèn)題如下：

    (1)提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能差，經(jīng)常造成停車(chē)位置不準(zhǔn)；

    (2)提升機(jī)頻繁的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗；

    (3)電阻分級(jí)切換，實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，引起電氣及機(jī)械沖擊；

    (4)再生發(fā)電時(shí)，機(jī)械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數(shù)低。尤其在供電饋線較長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合，會(huì)加大變壓器、供電線路等方面的投資；

    (5)低速時(shí)機(jī)械特性較軟，靜差率較大；

    (6)起動(dòng)過(guò)程和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大，制動(dòng)不安全不可靠，對(duì)再生能量處理不力，斜井提升機(jī)運(yùn)行中調(diào)速不連續(xù)，容易掉道，故障率高；

    (7)中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差；

    (8)接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點(diǎn)，影響接觸器的壽命，設(shè)備維修成本較高；

    (9)繞線電動(dòng)機(jī)滑環(huán)存在的接觸不良問(wèn)題，容易引起設(shè)備型事故；

    (10)設(shè)備體積大，發(fā)熱嚴(yán)重使工作環(huán)境惡化(甚至使環(huán)境溫度高達(dá)60℃以上)；

    (11)設(shè)備維護(hù)工作量大、維護(hù)費(fèi)用高，故障率高。礦用生產(chǎn)是24h連續(xù)作業(yè)，即使短時(shí)間的停機(jī)維修也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大損失。

    b、高壓變頻調(diào)速方案

    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)，采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機(jī)。

    改造方案：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，將老電控及電阻調(diào)速裝置全部拆除，更換新的電控系統(tǒng)，增加一套高壓變頻器。變頻器與PLC電控硬連接方案。

    變頻器和PLC電控采用硬連接：電控把開(kāi)關(guān)量正向起停、反向起停、緊急停機(jī)、模擬量頻率給定送給變頻器，可以控制變頻器運(yùn)行；變頻器把開(kāi)關(guān)量運(yùn)行、故障、就緒、模擬量輸出電流、輸出頻率給電控系統(tǒng)，即可以正常工作。配合如下圖所示。 

              變頻器與PLC電控硬連接

 

    3、技術(shù)改造總目標(biāo)：

    (1)提高主井提升機(jī)的效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目的技術(shù)改造完成后，將現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子串電阻的轉(zhuǎn)差功率消型調(diào)速方式改為變頻變壓的轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速方式。在正常工況下，現(xiàn)有的大功率調(diào)速電阻群將不再使用，實(shí)現(xiàn)節(jié)電的目的。

    (2)提高系統(tǒng)的運(yùn)用可靠性、安全性技術(shù)改造完成后，由于在正常工況下不再使用大功率調(diào)速電阻群，切換電阻用的接觸器將不再工作，較大幅度地減少電氣和機(jī)械故障對(duì)生產(chǎn)的影響。

    由于電壓和頻率均連續(xù)可調(diào)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流可得到有效控制，轉(zhuǎn)矩沖擊將不再存在，這將明顯地減少當(dāng)前的有級(jí)調(diào)速系統(tǒng)容易出現(xiàn)的齒輪箱和鋼絲繩等設(shè)備的機(jī)械故障。

    (3)提升系統(tǒng)改造后單次提升循環(huán)時(shí)間小于現(xiàn)有單次提升循環(huán)時(shí)間。

    (4)重斗上行時(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。在重斗減速時(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(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(chē)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。用能耗制動(dòng)方式將消耗重力勢(shì)能；用回饋制動(dòng)方式，可節(jié)省這部分電能。在用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)需將原轉(zhuǎn)子串電阻部分全部短接。提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)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。為安全性考慮，液壓機(jī)械制動(dòng)需要保留，并在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械制動(dòng)和變頻器的制動(dòng)無(wú)縫結(jié)合。同時(shí)，還使用高精度測(cè)速編碼器(每轉(zhuǎn)1000脈沖)進(jìn)行運(yùn)行時(shí)機(jī)斗的位置及速度精準(zhǔn)閉環(huán)反饋，保障運(yùn)行安全。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(tái)前，手握操縱桿控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)多檔調(diào)速。為適應(yīng)操作工人這種操作方式，變頻器可采用角編碼器與手握操縱桿相連，即手握操縱桿的角位移對(duì)應(yīng)角編碼器的速度給定，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)0到比較大速度無(wú)級(jí)調(diào)速給定。當(dāng)然變頻器還可實(shí)現(xiàn)按鈕啟動(dòng)和自動(dòng)提升。

    4、變頻調(diào)速提升系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

    (1)提升機(jī)系統(tǒng)安全得以提高，操縱更加容易系統(tǒng)能自動(dòng)高精度地按設(shè)計(jì)的提升速度圖控制提升速度，極大地降低了提升機(jī)的操縱難度；減速時(shí)電力制動(dòng)自動(dòng)減速，提升機(jī)司機(jī)無(wú)需再用施閘手段控制提升機(jī)減速，避免了超速、過(guò)卷的發(fā)生，杜絕了人工操作失誤。

    (2)提升系統(tǒng)電能消耗明顯下降每年可節(jié)約電能消耗約20％一50％。變頻調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子電阻被短接，加、減速階段消耗在電阻上的大量電能被節(jié)約。

    (3)功率因數(shù)顯著增加功率因數(shù)將從轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的0．8左右提高到0．96以上，大大提高了設(shè)備對(duì)電網(wǎng)容量資源的利用率，減少了因無(wú)功電流引起的線路損耗。

    (4)生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高能可靠的按系統(tǒng)設(shè)計(jì)的比較短時(shí)間加、減速，顯著縮短了一次提升時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。徹底解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中用制動(dòng)閘施閘或電機(jī)斷電自然減速來(lái)操控低速運(yùn)行時(shí)速度波動(dòng)大、難于控制又不安全的難題。

    (5)電機(jī)發(fā)熱大幅減輕與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速相比電機(jī)定子溫度平均下降了10℃左右，轉(zhuǎn)子溫度平均下降了20℃左右，使電機(jī)運(yùn)行的故障率大幅度減少。

    (6)系統(tǒng)維修量大幅度減少由于實(shí)現(xiàn)了提升全過(guò)程的電力牽引與電力制動(dòng)，機(jī)械閘只有在停車(chē)和安全回路保護(hù)動(dòng)作時(shí)才起作用，因此閘瓦的磨耗大幅度減少。由于變頻運(yùn)行機(jī)械特性很硬，不易發(fā)生鋼繩打滑，這將明顯減少鋼繩和鋼繩襯墊磨損。由于電壓和頻率均連續(xù)可調(diào)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流可得到有效控制，轉(zhuǎn)矩沖擊不再存在，明顯地減少轉(zhuǎn)子電阻有級(jí)變速出現(xiàn)的齒輪箱和鋼絲繩等設(shè)備的機(jī)械故障，減少了設(shè)備的維修量和維修費(fèi)用。

    5結(jié)束語(yǔ)

    變頻改造后，調(diào)速平穩(wěn)，高效安全，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(cè)算節(jié)能30％以上，節(jié)電經(jīng)濟(jì)效益巨大。變頻調(diào)速無(wú)疑是提升機(jī)調(diào)速首選方式。