西山德順礦副井提升機電控系統(tǒng)變頻改造

陳明旺

（山西呂梁西山德威責任有限公司，山西 呂梁 033000）

西山德順煤礦原是一座地方煤礦，年產(chǎn)量15萬t，在煤炭資源整合的大潮中，被山西焦煤西山煤電集團整合。在成立新公司后，該礦進行了大的改造，尤其是在基礎設施方面，投入了大量的人力、資金和精力，副井提升機就是其中一個改造項目。

該礦副井為豎井，井深240 m，有3個水平，主要用來選送上下人員和提升物料。副井提升機為單滾筒纏繞式，型號為JK-2，配套電機為邯鄲電機廠生產(chǎn)JR型繞線式電機，功率280 kW，串電阻調(diào)速，電控系統(tǒng)是洛陽源創(chuàng)配套的TKD-NT-1186型成套電控，用PLC可編程控制程序可實現(xiàn)速度控制。液壓制動系統(tǒng)為洛陽礦山研究所配套的無電氣延時控制的液壓制動系統(tǒng)。副井提升裝置是礦井安全正常生產(chǎn)的重要設施，而該套產(chǎn)品為原小煤窯生產(chǎn)方式下的拼湊產(chǎn)品，電控系統(tǒng)和液壓站故障頻繁，曾經(jīng)發(fā)生過長時間停機的事故，造成人員被困井下不能及時升井和影響生產(chǎn)的事故。

1 造成事故的原因

（1）耗費能源，支出電費增加。當罐籠下放重物時，電機的轉(zhuǎn)速很高，甚至超過了同步轉(zhuǎn)速，電機處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒有能量處理環(huán)節(jié)，大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱，電機能耗增加，浪費電能，造成了嚴重的社會能源浪費和電費支出。

（2）電機使用壽命縮短。從現(xiàn)場情況看，下放時電機電流與提升時基本相同，都在330 A左右，相當于電機的額定電流，因此，電機長時間處于滿載運行狀態(tài)，電機的外殼溫度常能達到在55°~60°左右，對電機絕緣性能是極大的考驗，長此以往，對電機壽命將造成很大影響。另外，井筒不深而使用頻繁，電機必須頻繁的正反轉(zhuǎn)，造成電機的銅損、鐵損增加，增大了電機的維修費用，長期以往將影響電機的使用壽命。

（3）電機為繞線式，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方式進行調(diào)速，控制方式復雜，接線多，繞線電機碳刷容易損壞，導致系統(tǒng)故障率高，維護工作量大。轉(zhuǎn)子電阻體積龐大，需要很大的空間來安置，因此必須建造專用機房，由于轉(zhuǎn)子不停發(fā)熱，還要增加散熱裝備，因此增加了轉(zhuǎn)子的維護費用和建設機房費用。

（4）在起動和低速爬行階段必須投入制動器，尤其在驗繩、檢修時段，需要依靠制動閘皮摩擦滾筒盤形閘實現(xiàn)調(diào)速，特別是在重載時，完全需要手動控制，很難實現(xiàn)恒減速控制，導致速度波動大，容易出現(xiàn)忽慢忽快的現(xiàn)象，速度控制性能較差，對閘皮磨損大，人員乘坐感覺不舒適。

（5）啟動和調(diào)速時，在切除電阻時沖擊電流大，電機轉(zhuǎn)速變化大，導致電機運行電流突增，減速器齒輪受到很大的機械沖擊，而且人員乘坐和物料會受到很大的加減速沖擊，對電機、減速器和提升鋼絲繩及連接器等機械結(jié)構(gòu)容易造成損壞。

（6）自動化程度不高，絞車司機必須集中精力，稍有不慎，極易造成過卷、過放等事故。

為徹底解決以上隱患，該礦決定對原電氣控制系統(tǒng)進行改造，取長補短，決定采用TKDG-BP-1106電控系統(tǒng)，使用變頻器拖動和PLC控制，替代原來的繞線電機串電阻的調(diào)速，這是較理想的方案。變頻調(diào)速可以實現(xiàn)電機的軟啟動、軟停車，連續(xù)平滑無級調(diào)速，特別是帶能量反饋的四象限運行的變頻器，可以將電機在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送到電網(wǎng)，降低電能消耗，節(jié)約大量能源。

2 更換改造后的電控系統(tǒng)技術性能

（1）可以實現(xiàn)自動、半自動、手動、檢修、調(diào)試等幾個工作模式。

（2）主回路實現(xiàn)變頻調(diào)速，采用PLC控制、硬件配置簡單、軟件編程靈活、安全保護及聯(lián)鎖功能齊全，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

（3）實現(xiàn)提升機行程監(jiān)視和位置閉環(huán)控制，具有完善的深度速度顯示和控制功能。

（4）機電配合良好、故障率低、維護量小、整機可靠性高、生產(chǎn)率高、減輕了檢修人員的勞動強度。

（5）和原有機電系統(tǒng)、信號裝置配合良好，改善了電機減速器的工況，提升了電機減速器的使用壽命。

3 電控系統(tǒng)組成

該套電控系統(tǒng)可簡單劃分為：控制系統(tǒng)（主控系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)）、調(diào)速控制（調(diào)速系統(tǒng)、供電系統(tǒng)）、監(jiān)控系統(tǒng)（上位機、操縱臺）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

4 變頻電控系統(tǒng)原理介紹

4.1 變頻器的容量選型和控制

因該套提升系統(tǒng)一般都滿負荷運行，設計方案確定的時候，要求起動力矩大，因此根據(jù)電機的容量（660 V/280 kW），負載的要求，變頻器一般應高出一個規(guī)格。因此我們采用（660 V/315 kW）的恒轉(zhuǎn)矩變頻器，控制系統(tǒng)由一臺電氣控制柜控制整個系統(tǒng)的啟動、停止、加減速等。專設變頻器柜，采用遠距離控制裝置，原液壓機械抱閘等仍然采用。變頻器作為一個調(diào)速裝置使用。大幅度減少了制動器在調(diào)速過程中的參與，原來磨損閘皮、滾筒盤閘發(fā)熱的狀況不再出現(xiàn)。

4.2 變頻器的工作原理

變頻控制主回路系統(tǒng)見圖2。

圖1 提升機電控系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 變頻控制主回路系統(tǒng)

三相交流電源經(jīng)過變頻器內(nèi)的整流和濾波回路后變成直流電，為變頻器內(nèi)的逆變回路提供電源。逆變的功能是將整流后的直流電轉(zhuǎn)化為可以調(diào)頻調(diào)壓的交流電去驅(qū)動電機。電能轉(zhuǎn)化為機械能，實現(xiàn)提升作業(yè)。當電機有高速運行時減速或單鉤絞車下放時，負載由于存在慣性，電機的實際轉(zhuǎn)速會超過它的同步轉(zhuǎn)速，機械能轉(zhuǎn)化為電能，由電動機運行狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機運行狀態(tài)，發(fā)出的交流電經(jīng)過逆變部分的續(xù)流二極管整流成直流，回饋到母線。使母線的電壓升高，直接危及到功率器件，所以必須把這一部分的能量釋放掉。而變頻器內(nèi)配置有回饋單元和制動單元，可以對這一部分的能量進行處理。一部分送回電網(wǎng)，一部分通過電阻消耗掉。

4.3 控制、顯示、監(jiān)視回路

采用PLC可編程控制程序統(tǒng)一控制，PLC程序和外端電路接口相結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性，同時利用PLC強大的控制功能實現(xiàn)靈活的控制方式和電氣隔離?？刂乒δ苡校鹤詣蛹訙p速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、松閘信號、各種保護顯示記憶儲存、內(nèi)部保護、故障輸入、急停、模擬輸入、位置閉環(huán)控制等。

顯示信號可實現(xiàn)：正常的提升速度、電機轉(zhuǎn)速、罐籠位置、故障指示、上升指示、下降指示、加速指示、減速指示、擋位指示、二級制動解除等。

監(jiān)視系統(tǒng)通過模擬量的軟件監(jiān)控、光電編碼器、測速發(fā)電機等，實現(xiàn)3線監(jiān)視保護，安全性能提高。

4.4 回饋能量的處理

由于負載下放重物，快速減速及急停時，會有較大的能量回送到變頻器，因此變頻器系統(tǒng)采用了能耗制動、回饋制動等技術，有效地解決了此類的問題。尤其是回饋制動將能量直接回送到電網(wǎng)，不但保證了設備的安全運行，而且節(jié)約了電能，使再生能量回收利用。

5 系統(tǒng)改造后應用效果

（1）使用變頻控制后，啟動及其加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流。提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升到最高速，沒有大電流出現(xiàn)，因此大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。

（2）該套變頻控制系統(tǒng)淘汰了原來電氣控制系統(tǒng)調(diào)速用的調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的運行可靠性、改善了操作人員的工作環(huán)境。

（3）實現(xiàn)了低頻低壓的軟啟動和軟停車，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小。制動運用了直流功能，使重車停車時更加平穩(wěn)。

（4）節(jié)能效果明顯，根據(jù)實際測量在低速段節(jié)能效果明顯，一般可以達到20%左右，采用回饋制動，節(jié)能效果更加明顯。

（5）采用變頻控制后，原來繞線式電機的轉(zhuǎn)子短接，在電機維護方面，避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護。

（6）采用PLC統(tǒng)一控制和PLC外端電路接口相結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時利用PLC強大的控制功能實現(xiàn)靈活的控制方式。

（7）安全、聯(lián)鎖保護功能齊全。除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護外，還配有外圍控制的聯(lián)鎖保護。通過軟硬件設置，可實現(xiàn)測速斷線、制動油壓高、錯向保護、等速超速、PLC輸出安全制動器繼電器、減速過速、過卷（復位）、斷軸保護、彈簧疲勞閘瓦磨損、松繩、變頻故障、信號裝置保護等。制動閘信號與正、反轉(zhuǎn)信號的連鎖，變頻器與系統(tǒng)安全回路的連鎖等。這些保護功能只要有一項出現(xiàn)故障，提升機就會閉鎖無法運行，極大地提高了提升機的安全運行系數(shù)。

該套系統(tǒng)在改造后，一直平穩(wěn)運行，效果良好，極大地改善了副井提升人員和物料這個重要環(huán)節(jié)，為礦井安全生產(chǎn)起到了極大的促進了作用。