煤礦主井提升機(jī)系統(tǒng)分析研究

（霍州煤電集團(tuán)回坡底煤礦，山西 洪洞041600）

0 引言

礦井提升系統(tǒng)直接影響著工作人員的生命安全和運(yùn)輸效率[1]，主井提升系統(tǒng)是煤炭運(yùn)輸?shù)闹苯油緩?，也是礦井創(chuàng)造效益的重要環(huán)節(jié)，主井提升系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化已成為提升系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[2，3]。為此，不少學(xué)者進(jìn)行了研究，基于PLC 的主井提升控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化控制，但是變頻調(diào)速功耗較大，長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用下容易出現(xiàn)精度差的缺點(diǎn)[4-6]。本文根據(jù)回坡底煤礦主井提升系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化的同時(shí)，減少了能耗，經(jīng)濟(jì)效益良好，為其它礦井提升系統(tǒng)的改造提供了重要參考。

1 主提升機(jī)系統(tǒng)概況

回坡底煤礦目前使用的為SIEMAG4×4型主提升機(jī)，提升機(jī)的最大提升高度為530 m，提升速度可達(dá)到11 m/s，提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，調(diào)速系統(tǒng)的主回路通過(guò)并聯(lián)連接的反相變流器組成，其中星形連接的變流器可為電機(jī)運(yùn)行提供電壓以及幅值，雖然實(shí)現(xiàn)了調(diào)速的目的，但是卻存在以下弊端：

（1）并聯(lián)的反相變流器主要由晶閘管構(gòu)成，晶閘管數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此控制功能較難實(shí)現(xiàn)；

（2）并聯(lián)的反相變流器可以輸出的最大功率為20 Hz，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重，不宜長(zhǎng)時(shí)間工作；

（3）提升機(jī)運(yùn)行年份較長(zhǎng)，設(shè)備老化明顯，運(yùn)行穩(wěn)定性下降，較高的故障率增加了設(shè)備維護(hù)的費(fèi)用；

（4）提升機(jī)變頻調(diào)速的功率因數(shù)在0.56-0.75之間，對(duì)電路系統(tǒng)沖擊較大，不僅影響安全生產(chǎn)，對(duì)周?chē)ㄓ嵲O(shè)備的正常運(yùn)行造成干擾；

（5）設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中故障較多，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，增加了維修的難度，影響了生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

基于上述問(wèn)題，必須對(duì)礦井主提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 解決方案

2.1 變頻器系統(tǒng)優(yōu)化研究

對(duì)變頻器系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，需對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。原變頻控制系統(tǒng)采用交-交的方式進(jìn)行控制，處理器運(yùn)行速度以及計(jì)算能力較低。矢量控制的核心是在較短的時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出以及調(diào)節(jié)等工作，本文采用交-直-交的方式進(jìn)行矢量控制，該控制方法對(duì)系統(tǒng)要求較高。系統(tǒng)采用多板卡多總線結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)卡板的核心是中央處理單元，中央處理單元實(shí)圖如圖1所示。此外，脈沖處理單元、電源管理單元以及輔助處理單元等共同構(gòu)成了卡板。其中，電源處理單元主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)電流、電壓的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)電路故障，保證供電線路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

中央處理器的功能如下：

（1）中央處理器是系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，同時(shí)，為電機(jī)運(yùn)行提供足夠的電流和轉(zhuǎn)矩；

（2）中央處理器可以實(shí)現(xiàn)功率和數(shù)據(jù)的交換，實(shí)現(xiàn)功率和變換單元的控制，實(shí)現(xiàn)功率數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)的傳送；

（3）中央處理器實(shí)現(xiàn)狀態(tài)字和控制字之間的傳輸，這一功能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)于上位機(jī)和總線數(shù)據(jù)的交換。

2.2 雙獨(dú)立電控總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)總方案如下：

（1）將原來(lái)流變器、高壓柜、電控柜、低壓柜以及勵(lì)磁變壓器等組成的電控系統(tǒng)全部拆除；

（2）將6臺(tái)高壓柜、7臺(tái)電控柜、2臺(tái)流變器以及勵(lì)磁變壓器等組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行安裝，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的變頻調(diào)速功能，同時(shí)兩套變頻調(diào)速系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的轉(zhuǎn)化，可以隨意進(jìn)行切換；

（3）兩套系統(tǒng)中各安裝一套閘控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

（4）保留原有的輔助變壓器和繞組切換柜，同時(shí)增加一臺(tái)低壓電壓柜；

（5）原有系統(tǒng)中只有一套潤(rùn)滑系統(tǒng)，現(xiàn)增設(shè)一套潤(rùn)滑系統(tǒng)，用于風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電機(jī)和油泵電機(jī)的冷卻?？刂破髦苯蛹尤腚娍叵到y(tǒng)中，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中的溫度、油溫、壓力以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等通過(guò)上位機(jī)顯示，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、及時(shí)預(yù)警。

圖2為雙電機(jī)繞組切換示意圖，從圖中可以看出，切換刀閘K1 和切換刀閘K4 連接，同時(shí)轉(zhuǎn)接Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)，切換刀閘K2 和切換刀閘K3連接，同時(shí)轉(zhuǎn)接Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)，Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)變流柜的電壓值為1500 V，電流值為1000 A，這種雙繞組電機(jī)可以通過(guò)單橋或全橋的方式對(duì)刀閘進(jìn)行控制，具體控制方法如下。

（1）全載全速控制方式：刀閘K1切換0-1，刀閘K2切換0-1，刀閘K3切換0-2，刀閘K4切換0-2，使兩個(gè)變流柜同時(shí)運(yùn)行。

圖2 雙電機(jī)繞組切換示意圖

（2）繞組1# 全載半速控制方式：刀閘K1切換0-1，刀閘K2切換0-2，刀閘K3切換0-1，刀閘K4切換0-2，兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，使變流柜1運(yùn)行。

（3）繞組2# 全載半速控制方式：刀閘K1切換0-2，刀閘K2切換0-1，刀閘K3切換0-2，刀閘K4切換0-1，兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，使變流柜2運(yùn)行。

圖3為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和冷卻風(fēng)機(jī)切換示意圖。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的切換通過(guò)轉(zhuǎn)接刀閘K3 控制，轉(zhuǎn)接刀閘K3 通過(guò)與轉(zhuǎn)接I系統(tǒng)和II系統(tǒng)的連接實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁整流柜的控制。冷卻風(fēng)機(jī)的切換通過(guò)轉(zhuǎn)接刀閘K4 控制，轉(zhuǎn)接刀閘K4通過(guò)與轉(zhuǎn)接I系統(tǒng)和II系統(tǒng)的連接實(shí)現(xiàn)冷卻風(fēng)機(jī)電源的控制。其中轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的額定電壓為100 V，額定電流為1000 A；冷卻風(fēng)機(jī)的額定電壓為380 V，額定電流為100 A。

圖3 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組和冷卻風(fēng)機(jī)切換示意圖

3 應(yīng)用效果分析

設(shè)備安裝調(diào)試成功后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，通過(guò)上位機(jī)的顯示功能，得到圖4所示的主提升機(jī)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及參數(shù)顯示。根據(jù)圖中顯示的參數(shù)，可知主提升機(jī)運(yùn)行正常。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、噪音較小、振動(dòng)小，未發(fā)現(xiàn)任何故障，滿(mǎn)足安全生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)改進(jìn)后的主提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，

根據(jù)回坡底煤礦實(shí)際開(kāi)采狀況，提升機(jī)每天工作約21小時(shí)，每次可多提升20 噸煤，每年工作時(shí)間按照300 天計(jì)算，每噸原煤按照400元計(jì)算，共可創(chuàng)造0.501 億元收益。改進(jìn)后的提升系統(tǒng)減少了設(shè)備零件的維護(hù)費(fèi)用，按照往年經(jīng)驗(yàn)，每年維護(hù)費(fèi)用約20萬(wàn)元，設(shè)備維持員工費(fèi)用20萬(wàn)元，此次更換設(shè)備共花費(fèi)80萬(wàn)元，但是維修和工作人員的費(fèi)用共計(jì)10萬(wàn)元，可見(jiàn)經(jīng)濟(jì)效益良好。此外，改進(jìn)后的主提升系統(tǒng)消除了無(wú)功沖擊和諧波的干擾，實(shí)現(xiàn)了無(wú)功補(bǔ)償，減少了無(wú)功補(bǔ)償花費(fèi)的費(fèi)用，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；主提升機(jī)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化操作，減少人員的投入，實(shí)現(xiàn)了高效提升，全數(shù)字化的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，工作人員可根據(jù)上位機(jī)顯示的數(shù)據(jù)了解設(shè)備運(yùn)行情況，及時(shí)對(duì)故障系統(tǒng)做出反應(yīng)。

圖4 實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)及參數(shù)顯示圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)回坡底煤礦主提升機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性差、故障率高的問(wèn)題，對(duì)主提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)對(duì)變頻器和雙獨(dú)立電控的改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了主提升機(jī)快速提升、平穩(wěn)運(yùn)行的目的，實(shí)際運(yùn)行中噪音較小、振動(dòng)小，未發(fā)現(xiàn)任何故障，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。