關(guān)于紅柳礦井二號副立井場地提升機(jī)配電控制系統(tǒng)

何通

摘 要： 文章針對紅柳煤礦二號副立井場地副井提升機(jī)配電系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)作以介紹，該系統(tǒng)采用中礦大傳動有限公司生產(chǎn)的三電平變頻器及控制系統(tǒng)，可靠性高、運(yùn)行性能好、節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞： 提升機(jī);變頻器;控制系統(tǒng)

紅柳井田位于寧夏回族自治區(qū)中東部地區(qū)，行政區(qū)劃隸屬靈武市寧東鎮(zhèn)和馬家灘鎮(zhèn)管轄。紅柳煤礦為寧夏鴛鴦湖礦區(qū)規(guī)劃生產(chǎn)能力為10.00Mt/a的特大型礦井，礦井于2007年10月開工建設(shè)，2009年10月首采工作面投入試生產(chǎn)。經(jīng)過幾年的建設(shè)，紅柳煤礦初期生產(chǎn)系統(tǒng)已經(jīng)形成。2011年，為了解決礦井21采區(qū)通風(fēng)距離遠(yuǎn)，提高礦井北部的輔助運(yùn)輸能力、提高掘進(jìn)速度、緩解接續(xù)緊張等問題，在21采區(qū)西邊界中部二號回風(fēng)立井西南側(cè)105m處增設(shè)二號副立井，副立井場地設(shè)副立井井塔。

副立井提升機(jī)是煤礦關(guān)鍵設(shè)備，主要負(fù)責(zé)人員和物資的運(yùn)送，在煤礦的生產(chǎn)中起著重要的作用。副立井提升機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，如果提升機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，輕則設(shè)備損壞、生產(chǎn)停止，重則人員傷亡。故礦井提升機(jī)系統(tǒng)需滿足生產(chǎn)效率高、安全可靠和自動化控制的運(yùn)行要求。

紅柳煤礦井下采用“四·六”工作制，地面采用“三·八”工作制，年工作日330d，日提升時間16h。

紅柳煤礦二號副立井一號提升系統(tǒng)（大罐籠提升系統(tǒng)）裝備1臺JKM-5×6（Ⅲ）型塔式多繩摩擦提升機(jī)，提升容器為1個特制六繩雙層寬罐籠+1個六繩雙層平衡罐籠，擔(dān)負(fù)礦井人員、材料及設(shè)備提升任務(wù)。寬罐籠上、下層均滿足防爆柴油機(jī)無軌膠輪車、材料車、平板車、固定車廂式礦車直接進(jìn)出的需要。本文針對紅柳副立井井塔提升機(jī)配電控制系統(tǒng)，主要分析了變頻器、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和功能。

1 提升機(jī)參數(shù)

（1）型號：懸掛式低速直聯(lián)交直交變頻同步電動機(jī);

（2）數(shù)量：1臺;

（3）功率：3500kW;

（4）電壓：3150V;

（5）同步轉(zhuǎn)速：40r/min;

（6）過載能力≥2倍（時間≮60s）;

（7）勵磁：他勵;

（8）繞組形式：完全對稱雙繞組，雙Y接法;

（9）冷卻方式：強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)（IC37），帶風(fēng)管接口;

（10）測溫電阻：電動機(jī)定子繞組內(nèi)埋設(shè)12支分度號為Pt100鉑熱電阻。軸伸端、非軸伸端軸承各埋設(shè)2支分度號為Pt100鉑熱電阻，共4支。

2 配電部分

二號副立井井塔建有一座10/0.4kV變電所，雙回10kV電源取自附近的二號副立井場地35/10kV變電所10kV系統(tǒng)不同母線段。變電所由10kV高壓開關(guān)柜、變壓器柜、低壓配電柜組成，高、低壓系統(tǒng)均采用單母線分段系統(tǒng)，分列運(yùn)行。變電所向提升機(jī)及其輔助設(shè)備分別提供10kV及380V電源。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

高壓柜內(nèi)配有真空斷路器、電流互感器、電壓互感器、電力儀表、高壓熔斷器、氧化鋅避雷器、零序電流互感器、智能操控裝置、微機(jī)消諧裝置及微機(jī)綜合保護(hù)裝置等，所有高壓開關(guān)柜均具有“五防”功能，高壓柜工作狀態(tài)經(jīng)PLC傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示。

3 傳動部分

提升機(jī)傳動部分由2臺定子整流變壓器、1臺勵磁整流變壓器、調(diào)節(jié)柜、變頻器柜、勵磁柜、單雙繞組切換柜、主電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速裝置、低壓輔助柜及水冷裝置組成。本文著重講述變頻器部分。

提升的主傳動采用交-直-交變頻雙繞組同步電動機(jī)傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)能夠適應(yīng)提升系統(tǒng)的各種工況，按照預(yù)定的速度圖和提升要求實(shí)現(xiàn)四象限內(nèi)的啟動運(yùn)行，加速、等速、減速、低速爬行、停車、制動和換向等功能。

變頻器采用中礦大傳動有限公司變頻器，采用2套三電平變頻器+雙繞組同步機(jī)”的驅(qū)動方案。此方案可靠性高;具有驅(qū)動定子雙繞組電機(jī)冗余功能，兩臺變頻器同時運(yùn)行時，每臺拖動定子雙繞組電機(jī)的一個繞組，具有全載全速運(yùn)行能力;單臺變頻器運(yùn)行時，可以把定子繞組的兩個繞組經(jīng)切換柜串聯(lián)，由一臺變頻器拖動，具有全載半速運(yùn)行能力，可以降低因?yàn)樽冾l器故障對提升的影響，同時可以對另外一套變頻器進(jìn)行停電維修。此外，此變頻器還有以下特點(diǎn)：

（1）變頻器采用了先進(jìn)的“背靠背”雙三電平交直交變頻方式，過載能力強(qiáng)，在提升機(jī)允許的任何負(fù)載下，都可以保證提升電機(jī)四象限安全運(yùn)行要求。

采用三電平主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電流畸變率低，電磁噪聲小，動、靜態(tài)性能優(yōu)良，且開關(guān)頻率低，損耗小，效率高。

（2）變頻器對電網(wǎng)的無功沖擊和高次諧波干擾非常小，輸出近似正弦的電壓和電流波形，整個調(diào)速范圍內(nèi)諧波畸變（包括電壓和電流）THD小于4%。

（3）變頻器主要元器件采用原裝進(jìn)口品牌。

（4）變頻器具備零速懸停功能。在制動系統(tǒng)敞閘情況下，變頻器具有零速滿轉(zhuǎn)矩懸停功能，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)重載懸停，防止溜車，并實(shí)現(xiàn)到位零速停車后無沖擊安全抱閘，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）變頻器設(shè)計(jì)懸停鎖罐張力釋放功能。提升機(jī)在提升重物達(dá)到目的水平停車，提升容器釋放重物后鋼絲繩收縮將導(dǎo)致提升容器回提，錯開停車位，導(dǎo)致到位檢測出現(xiàn)誤動作或無法裝載，張力補(bǔ)償功能解決了這個問題，變頻器根據(jù)提升容器釋放重物前后的張力差，驅(qū)動提升機(jī)實(shí)時調(diào)節(jié)、補(bǔ)償提升容器位置差。

（6）主回路采用IGBT，相比采用IGCT功率器件的三電平變頻器主回路結(jié)構(gòu)要簡單。圖2為兩種功率器件變頻器結(jié)構(gòu)圖：

（7）此變頻器由中礦大傳動有限公司自主研發(fā)，大大降低了以往使用西門子、ABB進(jìn)口變頻器的高昂費(fèi)用，且備件費(fèi)用、服務(wù)費(fèi)用遠(yuǎn)低于國外產(chǎn)品。

4 控制部分

控制系統(tǒng)以PLC為核心，由PLC柜、操作臺、閘控系統(tǒng)、上位機(jī)等組成。PLC柜中采用SIEMENS S7-300系列PLC，共兩臺，采用雙線制控制，一組為操作保護(hù)PLC，另一組為行程PLC。選用高性能的可編程控制器，采用分布式控制方式，即調(diào)節(jié)、主控、行程監(jiān)控、制動等設(shè)置各自獨(dú)立的控制器，各控制器采用總線通訊方式。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)手動操作、半自動操作、自動操作、檢修運(yùn)行、換層運(yùn)行和緊急操作的運(yùn)行方式。

4.1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)

調(diào)節(jié)系統(tǒng)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，分別為數(shù)字式速度和電流閉環(huán)系統(tǒng)，此調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有優(yōu)良的動、靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)。另外，調(diào)節(jié)控制具有以下功能：預(yù)設(shè)速度基準(zhǔn)值;限制加、減速過程的沖擊;位置控制、速度控制;啟動時預(yù)置力矩;轉(zhuǎn)矩和電流基準(zhǔn)，包括最大值限制;定子電流調(diào)節(jié);勵磁電流調(diào)節(jié);根據(jù)提升容器在井筒中的起始位置，自動生成“S”運(yùn)行曲線并調(diào)節(jié)控制;監(jiān)測鋼絲繩滑動，自動校正同步;過卷復(fù)位等功能。

4.2 安全回路

系統(tǒng)的安全回路有三套，一套為繼電器直動回路，兩套分別由操作保護(hù)PLC和行程PLC構(gòu)成。由操作保護(hù)PLC、閘控PLC與繼電器構(gòu)成雙線制提升機(jī)安全保護(hù)回路。來自提升機(jī)各部分的保護(hù)信號分為立即施閘、井口施閘、電氣制動和報警4類。其中井口施閘、電氣制動和報警類事故信號直接引入到PLC中，PLC將其處理后送監(jiān)視器顯示故障類型并控制聲光報警系統(tǒng)報警并施閘，而立即施閘類事故信號除引入到PLC中處理、顯示、報警外，還直接引入到安全直動回路，并系統(tǒng)施閘。保護(hù)系統(tǒng)框圖如圖3所示：

4.3 制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)液壓站為一用一備，與控制系統(tǒng)進(jìn)行通信。液壓制動系統(tǒng)能保證接收到來自提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的信號，并給予正確處理。

4.4 操作臺

操作臺采用操作方便的分體式結(jié)構(gòu)，共由左操作臺、右操作臺和指示臺三部分構(gòu)成，并且在操作臺內(nèi)含有S7-300系列PLC，用來顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，和主PLC采用總線通信的方式。

控制臺能滿足操作方式選擇、信號顯示、運(yùn)行狀態(tài)顯示、故障顯示及報警等要求，并具有打印記錄功能，確保安全運(yùn)行。

4.5 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

二號副立井井塔提升機(jī)控制系統(tǒng)配備上位機(jī)，上位機(jī)具備齊全的顯示功能及人機(jī)對話及記錄。

5 結(jié)語

紅柳礦井二號副立井場地副井提升機(jī)房已安裝完成，操作簡單，運(yùn)行工況良好。中礦大自主研發(fā)的此系列變頻器已在全國應(yīng)用幾十套，且部分是對原有的西門子、ABB系統(tǒng)進(jìn)行改造，打破了進(jìn)口變頻的壟斷，大大降低了礦方使用成本，以后必將得到更多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]何風(fēng)友.譚國俊.礦井提升機(jī)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]沙童飛.基于PLC的礦井提升機(jī)智能型電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].安徽理工大學(xué)，2018.