豎井提升機(jī)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)優(yōu)化與應(yīng)用

劉連國(guó)，馬小川

（招金礦業(yè)股份有限公司，山東 265400）

1 主豎井提升系統(tǒng)的概述和生產(chǎn)現(xiàn)狀

提升機(jī)是礦山企業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)井下礦石提升運(yùn)輸?shù)淖饔?，其系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，對(duì)礦山的正常生產(chǎn)和企業(yè)效益起到重大影響。主豎井井口的標(biāo)高為1200．2m，井筒直徑3．5m，井壁采用混凝土支護(hù)。豎井采用2JK-3×1．5型提升機(jī)，上層單層罐籠+下層箕斗提升，配重為800mm×350mm平衡錘，提升機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率630kw。豎井罐道采用木罐道，天輪直徑為3m，鋼絲繩直徑為36mm。單次提升礦量為5．5t，提升能力為1200t/d，每天循環(huán)提升240次，提升方式為雙滾筒纏繞式提升。因此，提升電動(dòng)機(jī)總是處于電動(dòng)狀態(tài)，這種提升系統(tǒng)要求電機(jī)頻繁的正反轉(zhuǎn)起動(dòng)、減速制動(dòng)。而提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)的交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用及存在問題

傳統(tǒng)的提升機(jī)電控為TKD控制系統(tǒng)，采用串電阻調(diào)速方式，通過接觸器、繼電器相互結(jié)合控制提升機(jī)的運(yùn)行速度，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)存在諸多缺點(diǎn)：

（1）控制精度低，停車位置偏差大，中段停車位置不準(zhǔn)確。

（2）系統(tǒng)的加減速階段，接觸器頻繁切換，噪音大，接觸器易燒毀，設(shè)備的安全性能不足。

（3）采用電阻能耗制動(dòng)模式，能耗大，浪費(fèi)能源。

（4）在提速階段和減速階段，電流沖擊大。

（5）自動(dòng)化控制程度低，需要人工控制系統(tǒng)運(yùn)行情況。

3 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

分析傳統(tǒng)式提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)在應(yīng)用過程中存在的問題，現(xiàn)采用GBP-D10-10-630型四象限高壓變頻器，對(duì)原電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改造。

GBP-D10-10-630型四象限高壓變頻器的結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。高壓變頻器功率單元的數(shù)量10kV為24個(gè)。功率單元經(jīng)串聯(lián)疊波升壓后，三相輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的可變頻三相高壓電源。

移相變壓器采用干式變壓器，絕緣等級(jí)為H級(jí)，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為二次側(cè)的多組低壓，為各功率單元提供相互隔離的電源。移相變壓器的副邊繞組分為3組。根據(jù)電壓等級(jí)和單元串聯(lián)級(jí)數(shù)，構(gòu)成多級(jí)移相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無(wú)需任何功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制裝置，而且由于變壓器的副邊繞組具有獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，移相變壓器還設(shè)有溫控設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控其內(nèi)部溫度，在溫度過高時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)、跳閘信號(hào)。

功率單元是整套變頻系統(tǒng)的核心，能量回饋功率單元采用有源前端( AFE)、直流環(huán)節(jié)(DC-Link)與逆變電路(INV)整合的結(jié)構(gòu)。每個(gè)功率單元的內(nèi)部包含完整的能量回饋電路、直流濾波電路、逆變電路，整流側(cè)和逆變側(cè)均采用可控器件IGBT，直流環(huán)節(jié)采用電解電容。每個(gè)功率單元相當(dāng)于1臺(tái)交直變電壓型單相輸出的低壓變頻器。每個(gè)功率單元內(nèi)，裝有獨(dú)立的CPLD處理器和電壓、電流采樣電路。功率單元整流側(cè)與逆變側(cè)控制相對(duì)獨(dú)立、互不影響，屬于單獨(dú)控制、統(tǒng)一保護(hù)的模式。

高性能交流傳動(dòng)系統(tǒng)均需要精確的轉(zhuǎn)速控制（轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制），可保證高精度和高準(zhǔn)確率的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速。整個(gè)系統(tǒng)采用高性能DSP微處理器，可以自動(dòng)檢測(cè)到電機(jī)的參數(shù)，建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，通過檢測(cè)電機(jī)的電壓和電流，對(duì)電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)的解耦控制，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行主動(dòng)限制，避免負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的過電流故障等?；拘阅苤笜?biāo)為：調(diào)速范圍100：1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0．5%，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200ms，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩200%額定轉(zhuǎn)矩（根據(jù)需要可調(diào)）。采用DSP高性能矢量控制的高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)參數(shù)自動(dòng)整定、系統(tǒng)狀態(tài)變量的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控等功能。

4 傳統(tǒng)電氣控制方式的變頻優(yōu)化改造產(chǎn)生的效益

4.1 提高提升系統(tǒng)的安全性

轉(zhuǎn)子串電阻的工作方式下，在減速段和下放重物的低速段，必須依靠直流制動(dòng)或者機(jī)械抱閘提供制動(dòng)力，而直流制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)力較小，在機(jī)械抱閘力不足時(shí)，無(wú)法及時(shí)制動(dòng)提升機(jī)系統(tǒng)。采用全功率能量回饋的變頻調(diào)速后，變頻器能夠輸出高達(dá)2～3倍額定轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)力矩，其自身能夠滿足系統(tǒng)的制動(dòng)要求，在機(jī)械抱閘失效或者機(jī)械制動(dòng)力不足時(shí)，能夠提供足夠的制動(dòng)力對(duì)提升機(jī)進(jìn)行快速制動(dòng)，從而大大提高系統(tǒng)的安全性。此外，均勻的加減速控制能夠有效避免人為因素導(dǎo)致的提升機(jī)減速過晚、高速?zèng)_擊曲軌和罐道等問題，提高系統(tǒng)和人員的安全性。提高提升系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和工作效率，在加速度不超過礦山安全規(guī)程規(guī)定值的前提下，變頻調(diào)速采用勻加速控制方式，比傳統(tǒng)切電阻控制加速更平穩(wěn)。

由于能夠始終以最大的安全加速度進(jìn)行加減速，因此加減速時(shí)間更短，最大限度的降低提升機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，提高提升機(jī)的工作效率。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電機(jī)轉(zhuǎn)子被完全短接，避免了原來(lái)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻產(chǎn)生的大量的功率消耗，節(jié)能效果明顯，平均節(jié)能率高達(dá)20%左右。

交流串電阻調(diào)速年耗電量360萬(wàn)kW·h，度電單價(jià)按0．5元/kW·h計(jì)算，年可電費(fèi)約180萬(wàn)元。高壓變頻調(diào)速裝置年耗電量300萬(wàn)kW·h，度電單價(jià)按0．5元/kW·h算，年可節(jié)約電費(fèi)150萬(wàn)元。高壓變頻改造后，每年可節(jié)約電費(fèi)30萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的控制方式，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。經(jīng)變頻優(yōu)化改造后，實(shí)踐證明，解決了原電氣控制系統(tǒng)存在的問題及缺陷，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。此外，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運(yùn)行故障和停工工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了礦井提升的能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。

參考文獻(xiàn)：

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