能量反饋?zhàn)冾l調(diào)速技術(shù)在提升絞車的改造

劉寶謀

（福建永安煤業(yè)公司半羅山煤礦，福建 永安 366000）

在煤礦企業(yè)的生產(chǎn)中，礦井提升絞車擔(dān)負(fù)著提煤、運(yùn)料、運(yùn)送人員等繁重任務(wù)，在整個(gè)生產(chǎn)中占據(jù)著十分重要的位置，一旦出現(xiàn)故障，就將影響全礦的運(yùn)輸和生產(chǎn)，因此它的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，特別是每年也消耗掉大量的電能，用在提升絞車上使用的電費(fèi)也是非常可觀的一筆經(jīng)濟(jì)賬，如何可以減少使用在提升絞車上生產(chǎn)成本，也是一個(gè)非常重要和需要解決的問(wèn)題。本文以豐海煤礦310 矸場(chǎng)提升絞車為例，該礦井坡度為25 度，坡長(zhǎng)為250 米，每年擔(dān)負(fù)著180000 部矸石的提升任務(wù), 采用藍(lán)海華騰V5-H 系列高性能矢量控制型變頻器，取得較好的安全性能及節(jié)能效果。

1 絞車串電阻存在的問(wèn)題

豐海煤礦310 提升絞車原采用130KW/380V 繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速，用交流真空接觸器實(shí)現(xiàn)五段速度切換；形成了低速降壓?jiǎn)?dòng)、檔位切換加速、全速運(yùn)行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過(guò)程。這種運(yùn)行方式存在明顯的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

（1）大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。當(dāng)料車空車下放時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過(guò)了同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒(méi)有能量處理環(huán)節(jié)，大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，致使電機(jī)能耗增加，不但浪費(fèi)大量的電能，而且使電機(jī)銅損、鐵損增加，增大了電機(jī)的維修費(fèi)用。從現(xiàn)場(chǎng)情況看，下放時(shí)電機(jī)電流與提升時(shí)基本相同，都在200A 左右，相當(dāng)于電機(jī)的額定電流，而空載時(shí)電機(jī)電流大約應(yīng)在額定電流的60%左右，從這點(diǎn)看，應(yīng)有30%左右的能量被消耗掉。

（2）原控制系統(tǒng)采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式進(jìn)行調(diào)速，串電阻調(diào)速屬于有極調(diào)速，啟動(dòng)沖擊大，并且在速度的切換中存在速度的躍變，容易掉道，危險(xiǎn)度高，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率以及人的生命財(cái)產(chǎn)安全，特別當(dāng)運(yùn)輸人的時(shí)候。使用串電阻調(diào)速嚴(yán)重的浪費(fèi)電能在電阻上，速度越低浪費(fèi)越嚴(yán)重；當(dāng)下放物體過(guò)程中，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，更加嚴(yán)重的浪費(fèi)了能量。

（3）由于使用接觸器串電阻調(diào)速，調(diào)速的過(guò)程中頻繁投切導(dǎo)致接觸器經(jīng)常損壞，導(dǎo)致調(diào)速失靈，存在安全隱患，這種切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速的控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了提升機(jī)的生產(chǎn)效率。

（4）穩(wěn)定性差，速度隨著負(fù)載的變化而變化，低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。

（5）啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)、高低速軸器連接裝置的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)"掉道"現(xiàn)象。

（6）低電壓和低速段的啟動(dòng)力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。

2 能量反饋型變頻調(diào)速的工作原理

控制電路采用PLC 精確控制，用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代原工頻調(diào)速系統(tǒng)，同時(shí)保留工頻調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。改造時(shí)需要增加工、變頻轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)運(yùn)行前，將主回路和控制回路各轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換至相應(yīng)的變頻或工頻位置。具體接法如下。

圖1 變頻器主回路和控制回路接線原理圖

在變頻器直流回路加回饋裝置，將電動(dòng)機(jī)發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，通過(guò)提升機(jī)專用能量回饋單元，采用電壓自適應(yīng)控制，即無(wú)論電網(wǎng)電壓如何波動(dòng)，當(dāng)提升機(jī)機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能送入直流回路電容中時(shí)，能量回饋單元及時(shí)將電容中的儲(chǔ)能回送電網(wǎng)，有效解決了能量回饋。

圖2 變頻器加能量回饋單元

2.1 控制回路

該絞車電氣控制系統(tǒng)原為繼電器控制回路，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，各電器均開(kāi)始老化，未重新整理線路，設(shè)備安裝零亂，給檢修帶來(lái)了很大的困難。新柜內(nèi)采用進(jìn)口或合資可靠性好的電器產(chǎn)品；并采用新型小型擴(kuò)展功能強(qiáng)的PLC。PLC 配有計(jì)算機(jī)編程接口，采用最新WINDOWS 版本編程軟件進(jìn)行編程。并對(duì)檢修人員進(jìn)行編程軟件操作培訓(xùn)，確?？梢詰?yīng)用軟件進(jìn)行基本的指今修改和系統(tǒng)故障維護(hù)。

變頻器提供完善的接口電路，內(nèi)設(shè)PLC，既可以與新裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)配套使用，也可以對(duì)老系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以接受DC 0-5V、DC 0-10V 和4-20 mA 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。用于系統(tǒng)改造時(shí)，增加遠(yuǎn)控裝置就可以實(shí)現(xiàn)工頻與變頻的相互轉(zhuǎn)換，監(jiān)視系統(tǒng)的操作和運(yùn)行狀況等功能。

接口電路實(shí)現(xiàn)了變頻器與控制系統(tǒng)的連接，包括正、反轉(zhuǎn)控制，速度調(diào)節(jié)(可以采用檔位調(diào)節(jié)方式，也可以采用模擬量輸入方式)，與外部電路的連鎖功能(“松閘”、“急停”信號(hào)用于與制動(dòng)閘及制動(dòng)油泵連鎖，“安全回路”及故障輸出信號(hào)用于與系統(tǒng)安全回路實(shí)現(xiàn)連鎖)，各種狀態(tài)指示等各種功能。

2.2 絞車控制系統(tǒng)與變頻器連鎖安全抱閘回路

礦山是個(gè)非常講究安全的地方，一定需要機(jī)械抱閘的配合，要確保在任何異常狀態(tài)下，機(jī)械剎車能夠完全的剎住車，比如出現(xiàn)緊急情況、變頻器出現(xiàn)故障、忽然停電等等，都必須確保機(jī)械剎車能夠完全的進(jìn)行抱閘。

變頻器具有的各項(xiàng)保護(hù)功能，比如過(guò)流過(guò)壓過(guò)載欠壓保護(hù)等，當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，變頻器是馬上對(duì)電機(jī)停止輸出的，所以此時(shí)也是需要機(jī)械進(jìn)行抱閘保護(hù)。

由上可知，整套系統(tǒng)必須要以上的安全保護(hù)功能。當(dāng)安全回路出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，馬上進(jìn)行機(jī)械抱閘并且馬上輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)禁止變頻器運(yùn)行。

2.3 手動(dòng)機(jī)械剎車與變頻器的配合

如果當(dāng)前狀態(tài)為停止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)絞車的抱閘在抱緊，此時(shí)啟動(dòng)變頻器，慢慢松開(kāi)抱閘，當(dāng)松開(kāi)還沒(méi)有到一半的時(shí)候，設(shè)置為閉合狀態(tài)，變頻器雖然運(yùn)行，但是處于封鎖輸出狀態(tài)，輸出頻率為零；當(dāng)松開(kāi)到一半的時(shí)候，設(shè)置為斷開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)旋動(dòng)電位器給一點(diǎn)速度，變頻器開(kāi)始運(yùn)行，當(dāng)聽(tīng)到電機(jī)有響聲的時(shí)候，說(shuō)明此時(shí)變頻器的力矩已經(jīng)充分建立起來(lái)，然后繼續(xù)慢慢松開(kāi)，此時(shí)旋動(dòng)電位器，電機(jī)速度可以慢慢上升。

圖3 速度- 力矩- 電流曲線

圖3 中，下放啟動(dòng)時(shí)輸出一個(gè)很大的力矩，控制絞車平穩(wěn)下放；上拉啟動(dòng)時(shí)輸出一個(gè)很大的力矩拉住絞車，平穩(wěn)上拉。從圖4 的提升速圖和力圖可以看出。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(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，交流接觸器主觸頭易氧化，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，靠人為的手剎控制，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)﹑調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻的上產(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(guò)程和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。

3 改造后的效果分析

通過(guò)2010年5月改造后現(xiàn)場(chǎng)使用至今，運(yùn)行正常，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)再利用，能有效的將電容中儲(chǔ)存的電能回送給交流電網(wǎng)供周邊其它用電設(shè)備使用，節(jié)電效果明顯，一般節(jié)電率可達(dá)30%～40%。

（2）減少電阻調(diào)速時(shí)的部件損耗特別是帶能量回饋的四象限運(yùn)行變頻器，可以將電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng)，降低電能消耗，可節(jié)約大量的電能。

（3）啟動(dòng)電流小，調(diào)速范圍廣，速度不隨負(fù)載的變化而有變化。加減速過(guò)程中電機(jī)控制平穩(wěn)，啟動(dòng)速度平穩(wěn)無(wú)沖擊，大大的減少了掉道現(xiàn)象；

（4）沒(méi)有和傳統(tǒng)方式一樣經(jīng)常更換接觸器，大大降低維護(hù)成本。

（5）沒(méi)有串電阻的發(fā)熱，大大改善了操作人員的工作環(huán)境。

（6）能夠和機(jī)械剎車以及安全回路完美配合使用，當(dāng)使用機(jī)械剎車時(shí)候變頻器不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載過(guò)流等現(xiàn)象，而且當(dāng)出現(xiàn)緊急情況或者停電的狀態(tài)下，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械剎車，最大限度的保障了安全；可以消除溜鉤現(xiàn)象，即使在上升過(guò)程中中途進(jìn)行了機(jī)械剎車，不需要把重物放到平地上重新啟動(dòng)，在中途就可以把重物拉起來(lái)而不下溜。

（7）絞車司機(jī)操作容易、簡(jiǎn)單，輕松方便，電機(jī)設(shè)備的振動(dòng)噪聲大大的降低、維護(hù)工作量大大的降低，很受操作員的喜歡。

（8）節(jié)能效果分析

豐海煤礦310 矸場(chǎng)要擔(dān)負(fù)全礦一年的180000部矸石的提升，每天以最少8 小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)工作計(jì)算，每天500 部左右的矸石。改造前每小時(shí)所要用電為：105.3 度，改造后一般節(jié)電率可達(dá)：

根據(jù)電表及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，節(jié)電比例為30%～40%。

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本變頻調(diào)速方案公司總投入資金為138 000 元，改造后一年可以節(jié)電費(fèi)69 076 元，按測(cè)算2～3年后就可以回收投入成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

豐海礦+310 排矸場(chǎng)提升絞車經(jīng)變頻改造后的，操作簡(jiǎn)單方便，維護(hù)量少，控制系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，節(jié)能效果明顯。由此可見(jiàn)，變頻器在絞車上的應(yīng)用具有較好效果，值得進(jìn)一步推廣。