副斜井提升機(jī)電氣系統(tǒng)改造探討

連紅飛

(潞安礦業(yè)集團(tuán) 王莊煤礦,山西 長治 046031)

0 引言

王莊煤礦副斜井提升系統(tǒng)建成于20世紀(jì)60年代，安裝有一臺單繩纏繞式雙滾筒礦井提升機(jī)，擔(dān)負(fù)著物料上下井的提升任務(wù)，其采用交流繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電氣控制系統(tǒng)的方式。在日常生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)了如下問題：①主電機(jī)啟動電流達(dá)到400 A以上仍不能正常啟動，此種情況雖然不是頻繁出現(xiàn)，但已經(jīng)嚴(yán)重影響到安全生產(chǎn)；②上下支架等大型設(shè)備時，為了保證提升系統(tǒng)的安全，避免車輛掉道造成事故，需選用微拖系統(tǒng)進(jìn)行低速提升，微拖系統(tǒng)的最大速度為0.5 m/s，由于井筒斜長為487 m，提升一組大型液壓支架約需要16 min～18 min，生產(chǎn)效率低下，嚴(yán)重制約了礦井的安全高效發(fā)展；③現(xiàn)電控系統(tǒng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行時部分能量消耗在電阻上以熱能形式散發(fā)掉，同時，本系統(tǒng)經(jīng)常需要下放支架等大型設(shè)備，電氣制動產(chǎn)生的能量不能收集回饋至電網(wǎng)，造成能源浪費(fèi)。針對上述問題，本文對煤礦副斜井提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)的改造方案進(jìn)行了探討。

1 副斜井提升系統(tǒng)主要參數(shù)

(1)提升機(jī)的主要參數(shù)如下：

型號： 2JK-2.5/20；

最大靜張力(kN)： 101；

最大靜張力差(kN)： 56；

井筒斜長(m)： 487；

井筒傾角(°)： 25；

制動裝置： 盤式制動閘；

鋼絲繩直徑(mm)： 30；

繩速(m/s)： 3.8。

(2)主提升電機(jī)的主要參數(shù)如下：

電機(jī)型號： JR138-10；

轉(zhuǎn)速(r/min)： 585；

功率(kW)： 180；

電壓(V)： 380；

電流(A)： 346。

2 相關(guān)分析

造成主電機(jī)啟動困難、電流偏大原因有以下幾方面：

(1)電控系統(tǒng)采用切換電阻啟動，電阻按八段切除，電機(jī)的啟動過程也要分八個臺階。由于司機(jī)手動操作的不規(guī)范及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置出現(xiàn)誤差，如果啟動過程中一段、二段電阻還沒有啟動，強(qiáng)行送到三段電阻啟動，可能會造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩瞬間增加，電流沖擊過大，導(dǎo)致電源過流跳閘[1]。

(2)由于掛車數(shù)量的變化，鋼絲繩的彈性伸長、調(diào)繩不好等原因，導(dǎo)致下井口礦車已經(jīng)上坡，上井口的礦車還沒有下坡，此時相當(dāng)于單勾提升，上井口的負(fù)載不能起到平衡負(fù)荷的作用。這個過程可能很短暫，提升行程只有一兩米，但是此時的電機(jī)負(fù)荷增加很多，往往造成啟動困難，甚至過流跳閘。

(3)提升物件偏大，配重偏小，造成張力差偏大。由于提升機(jī)為雙鉤提升，當(dāng)兩碼重物不匹配時，可引起兩碼張力差超過允許值，引起電機(jī)電流偏大。

(4)軌道不好、地滾不轉(zhuǎn)、礦車軸承損壞等原因造成礦車運(yùn)行阻力增大，增加了系統(tǒng)的運(yùn)行功率。

3 改造方案

根據(jù)以上原因分析，決定采用綜合性改造方案，既要解決電控系統(tǒng)的問題，又要解決機(jī)械系統(tǒng)阻力較大的問題，制定如下改造方案：

3.1 采用變頻調(diào)速技術(shù)對電控系統(tǒng)進(jìn)行改造

上述原因中，串電阻調(diào)速換檔產(chǎn)生的電流沖擊是問題產(chǎn)生的原因之一，采用變頻調(diào)速可有效解決此問題。變頻調(diào)速為無級調(diào)速，加減速度可以任意調(diào)整，可以實現(xiàn)電動機(jī)的軟啟動、軟停車，減少了機(jī)械沖擊，使系統(tǒng)運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠；啟動及換檔時沖擊電流小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，運(yùn)行速度曲線為S形，加減速平滑，大大減輕了提升機(jī)的加速負(fù)荷，相對于串電阻調(diào)速電機(jī)啟動電流變小且平滑；可實現(xiàn)四象限運(yùn)行，將重物下放產(chǎn)生的能量直接回饋至電網(wǎng)。

此外，變頻調(diào)速技術(shù)可以根據(jù)生產(chǎn)實際，在較大范圍內(nèi)調(diào)整提升機(jī)的運(yùn)行速度，如提升大型支架需要慢速運(yùn)行時，可將運(yùn)行速度調(diào)至最高速度的一半左右，即1.5 m/s～2 m/s，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行安全，解決了采用微拖系統(tǒng)0.5 m/s速度提升支架時發(fā)生效率低下的問題。礦車在井口或井底需要慢速調(diào)車時，變頻調(diào)速系統(tǒng)也可以實現(xiàn)所需功能，完全可以甩掉微拖系統(tǒng)[2]。

3.2 更換主電機(jī)

根據(jù)上述原因分析，部分情況下是由于電機(jī)拖動力矩不足造成的，即短時間短距離單鉤提升和地滾老化不轉(zhuǎn)等引起負(fù)載力矩增大，引起電機(jī)不能正常啟動。據(jù)此，除了增加現(xiàn)場的機(jī)電管理，盡量保持雙鉤張力差在合理的范圍之內(nèi)及保證地滾轉(zhuǎn)動靈活之外，需要增加電機(jī)的拖動力矩，即更換大功率電機(jī)。經(jīng)計算，選擇更換為280 kW的電機(jī)。

在變頻器的控制下，電機(jī)的功率可以有限制地發(fā)揮，更換大功率電機(jī)沒有風(fēng)險。電機(jī)功率加大后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的余量充足，更容易應(yīng)付各種緊急情況。

提升機(jī)專用變頻電機(jī)專門針對提升機(jī)負(fù)載的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，啟動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，能與提升機(jī)負(fù)載很好地配套使用。由于電控系統(tǒng)選用變頻系統(tǒng)，電機(jī)應(yīng)選擇提升機(jī)專用變頻電機(jī)。

3.3 電控系統(tǒng)參數(shù)及功能的選擇

3.3.1 變頻器

由于電機(jī)功率選280 kW，變頻器功率應(yīng)大一到兩個等級，即適配功率為315 kW。本文選用西門子6SE70型全數(shù)字礦井提升機(jī)四象限變頻器,交-直-交變頻，控制方式為矢量控制，具備能量回饋制動功能。變頻器主要參數(shù)如下：

額定輸入電壓：三相AC 380 V；

電壓波動范圍： -15%～+15%；

額定輸入頻率： 50 Hz；

輸出功率： 315 kW；

輸出電壓： 三相AC 0 V～380 V；

輸出頻率： 0 Hz～50 Hz連續(xù)可調(diào)。

3.3.2 操作臺

操作臺上設(shè)各種工況顯示設(shè)備。采用INTEL-P4上位監(jiān)控機(jī)配合西門子最新版WinCC6.0監(jiān)控軟件作為人機(jī)接口設(shè)備，可以觀察PLC運(yùn)行情況，各外部接點(diǎn)動作狀態(tài)，各模擬量回路狀態(tài)等，方便維修工作；同時操作臺還設(shè)有必要的開關(guān)量、模擬量的數(shù)字顯示，其中包括：安全回路指示燈，油壓數(shù)字顯示液壓表，減速、故障聲光報警顯示，高壓、低壓電壓表、電流表等。

3.3.3 控制部分

控制操作部分負(fù)責(zé)整個工藝過程的控制及保護(hù)：

(1)采用雙PLC控制，其中一臺Siemens S7-400型PLC系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著整個系統(tǒng)的工藝控制、各種狀態(tài)監(jiān)視、限位保護(hù)和故障保護(hù)的實現(xiàn)。

(2)另一臺Siemens S7-400型PLC系統(tǒng)完成后備保護(hù)功能，提高系統(tǒng)的安全可靠性。另外為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用電氣硬件系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)共同工作的雙系統(tǒng)制、多傳感器制、傳感器信號線雙路制、執(zhí)行器狀態(tài)反饋制等可靠性措施，確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

(3)采用數(shù)字式PID閉環(huán)工作閘速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以通過對工作閘開度的連續(xù)控制來調(diào)節(jié)提升機(jī)的速度。PLC數(shù)字—模擬量輸出和執(zhí)行元件可靠隔離，可以防止Kt線圈接地造成功放元件損壞。

(4)由Siemens WinCC組成的人機(jī)界面，實現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)定、工藝過程監(jiān)視的全部工作。

(5)采用完全的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計，主控PLC、后備保護(hù)PLC、遠(yuǎn)程I/O模塊、礦井提升機(jī)行程計數(shù)絕對值編碼器等設(shè)備都采用現(xiàn)場總線PROFIBUS通訊連接，減少了系統(tǒng)接線，提高了系統(tǒng)可靠性。

3.3.4 系統(tǒng)運(yùn)行方式

系統(tǒng)運(yùn)行方式為三種：手動、半自動、檢修。

手動操作：司機(jī)通過操作臺操作手柄控制啟車、停車、加速、減速過程。

半自動操作：司機(jī)只進(jìn)行啟車、停車時的手柄操作，礦井提升機(jī)的加速、等速、減速、爬行階段由系統(tǒng)自動控制，不需要司機(jī)參與。

檢修操作：僅限于檢修使用，礦井提升機(jī)慢速運(yùn)行，速度一般不超過0.5 m/s。

3.3.5 保護(hù)功能

(1)雙線制的實現(xiàn)。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，電控系統(tǒng)必須實現(xiàn)雙線制，主要是通過安裝于高速側(cè)和低速側(cè)的兩套軸編碼器來實現(xiàn)。高速側(cè)軸編碼器安裝于電機(jī)非軸伸端，低速側(cè)軸編碼器安裝于牌坊式深度指示器上。兩套軸編碼器將礦井提升機(jī)的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行位置信號傳遞到雙PLC，與PLC內(nèi)設(shè)定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行比較，若超過允許值時，即通過變頻器進(jìn)行調(diào)速和通過安全回路進(jìn)行安全制動[3]。

(2)多種保護(hù)功能的實現(xiàn)。通過軟件、硬件安全回路，可實現(xiàn)防過卷保護(hù)、防過速保護(hù)、限速保護(hù)、減速保護(hù)，以及過負(fù)荷、短路、欠壓、過壓、缺相保護(hù)，還有閘瓦間隙保護(hù)、松繩保護(hù)、深度指示失效保護(hù)等多種保護(hù)功能。

3.4 信號系統(tǒng)

由于現(xiàn)礦井提升機(jī)采用老式信號系統(tǒng)，不安全不可靠，不能實現(xiàn)語音通話。此次改造，需配備安裝斜井專用信號系統(tǒng)，實現(xiàn)無線打點(diǎn)、移動通話功能，同時具有上下物料時的固定打點(diǎn)功能。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)于2015年10月正式進(jìn)行改造，經(jīng)過幾年來的運(yùn)轉(zhuǎn)，證明改造是非常成功的，日常運(yùn)行中沒有再出現(xiàn)諸如電流過大不能啟動等問題，同時，將下放重物的能量回饋至電網(wǎng)，節(jié)能效果明顯，效率提高，促進(jìn)了礦井的安全生產(chǎn)。