副井提升機直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

高云龍

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團惠源焦煤有限公司，山西 鄉(xiāng)寧 042100）

引言

刮板輸送機、提升機以及帶式輸送機等均為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵運輸設(shè)備，對于上述設(shè)備而言其電控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性直接決定綜采工作面的運輸能力，繼而影響整個煤礦的生產(chǎn)能力。經(jīng)實踐應用及調(diào)研可知，提升機傳統(tǒng)電控系統(tǒng)存在故障率高、線路老化嚴重、系統(tǒng)能耗較大、維護困難以及維護成本高等缺陷[1]，因此，為滿足當前煤礦綜采工作面高效開采現(xiàn)狀，需從根本上提高提升機的運輸能力和運輸效率。本文將從提升機電氣控制系統(tǒng)著手將傳統(tǒng)電控系統(tǒng)改進為直流調(diào)速系統(tǒng)。

1 提升機電控系統(tǒng)的設(shè)計要求

根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求，要求提升機電氣控制系統(tǒng)對設(shè)備的速度控制曲線滿足生產(chǎn)要求。因此，對提升機電氣控制系統(tǒng)提出如下要求：

1）提升機能夠根據(jù)其實時負載進行電動或者制動狀態(tài)的控制，即其滿足四象限運行的能力；

2）要求提升機電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，并根據(jù)運輸對象的不同進行分等級運輸，且要求其具有較高的提升能力；

簡單地說，對提升機傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造，主要目的是對提升機速度控制功能進行優(yōu)化，對其自適應速度控制提出更高的要求，在保證其在實時載荷下正常工作的同時，達到降低能耗、平穩(wěn)調(diào)速的目的，并且改造后提升機電氣控制系統(tǒng)的維護成本可以降低。在當前多種調(diào)速方式優(yōu)劣勢的綜合比對下，本文擬采用直流調(diào)速系統(tǒng)對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進行升級改造。

2 提升機直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

基于直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)提升機速度與電流的雙閉環(huán)控制，以達到對提升速度控制的精確性和穩(wěn)定性。本文所采用直流調(diào)速系統(tǒng)的核心裝置為全數(shù)字化直流調(diào)速裝置，該裝置可根據(jù)現(xiàn)場情況對提升參數(shù)進行設(shè)定；根據(jù)提升參數(shù)的采集完成對給定值和反饋的設(shè)定，其中可采用模擬量和數(shù)字量同時對輸入量進行設(shè)置；具有較高的檢測精度；基于全數(shù)字化直流調(diào)速裝置在實現(xiàn)其與其他調(diào)速裝置進行通信的要求外，還可與上位機和PLC控制器等實現(xiàn)通信；基于全數(shù)字化直流調(diào)速裝置可實現(xiàn)對提升機系統(tǒng)運行參數(shù)的狀態(tài)顯示、監(jiān)控以及報警等功能[2]。

2.1 主回路設(shè)計

針對提升機直流調(diào)速系統(tǒng)的控制需求，本文所選擇的全數(shù)字直流調(diào)速裝置的具體系列為DCS系列，且為實現(xiàn)其四象限調(diào)速控制功能，最終所選全數(shù)字直流調(diào)速裝置的系列為DCS600。DCS600系列根據(jù)其容量的不同可分為多種類型，對于調(diào)速裝置的容量需根據(jù)相關(guān)的電機參數(shù)進行計算所得。經(jīng)研究可知，當提升機處于下放狀態(tài)時，系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩最大，對應電機的電流值也越大[3]。因此，本文以提升機下放額定負載時的工況完成對調(diào)速裝置容量的選擇。

調(diào)速裝置額定容量的計算公式如式（1）所示：

式中：SB為全數(shù)字直流調(diào)速裝置的容量；IB為提升機電機的額定電流，取0.812 kA；UB為提升機的三相額定電壓值，取400 V。

經(jīng)計算可得，全數(shù)字直流調(diào)速裝置的額定容量為562 kVA。也就是說，為全數(shù)字調(diào)速裝置所配置變壓器的容量不得小于562 kVA。為保證DCS600系列直流調(diào)速控制的穩(wěn)定運行，需為其配置相應的直流調(diào)速回路，與其對應的裝置包括有電樞整流裝置和勵磁整流裝置，其關(guān)鍵指標如下頁表1所示。

提升機直流調(diào)速系統(tǒng)的控制依據(jù)是對提升機運行狀態(tài)的監(jiān)測結(jié)果。因此，需為提升機調(diào)速系統(tǒng)配置對其運行狀態(tài)監(jiān)測的控制回路，包括有對不同負載工況下的實時電流監(jiān)測，對提升機井筒位置的實時監(jiān)測；對提升機提升或者下放工況時液壓系統(tǒng)的油壓和殘壓的監(jiān)測。在多次試驗的基礎(chǔ)上，得出不同提升速度下對應的輸出電壓值，如表2所示。

表1 DCS600系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置相匹配的整流裝置參數(shù)

表2 提升機電機輸出電壓與井筒速度之間的關(guān)系

2.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試

針對提升機的實際生產(chǎn)需求，為保證所設(shè)計直流調(diào)速系統(tǒng)能夠滿足實際運輸?shù)男枨螅瑢畲烹娏鳝h(huán)、電樞電流環(huán)以及速度環(huán)等幾個環(huán)節(jié)進行調(diào)試。

2.2.1 勵磁電流環(huán)的調(diào)試結(jié)果

勵磁電流環(huán)的主要功能是將380 V的交流電壓轉(zhuǎn)換為可適用于直流調(diào)速系統(tǒng)的直流電壓，具體轉(zhuǎn)換流程如下：380 V交流電壓—220 V交流電壓—220 V直流電壓；經(jīng)轉(zhuǎn)換后，220 V直流電壓對應的電流值為21 A。

針對勵磁電流環(huán)的調(diào)試，本系統(tǒng)采用比例積分控制方式進行。為保證對系統(tǒng)勵磁電流平滑控制，并且能夠在第一時間完成對勵磁電流環(huán)的調(diào)節(jié)，最終確定最佳比例環(huán)節(jié)系數(shù)為300，最佳積分環(huán)節(jié)系數(shù)為2 000。

2.2.2 電樞電流環(huán)的調(diào)試結(jié)果

電樞電流環(huán)調(diào)試的主要任務是對提升機傳動系統(tǒng)的基本參數(shù)進行整定。同樣，電樞電流環(huán)調(diào)試的對象為三相電壓，并采用比例積分控制方式對電樞電流環(huán)進行調(diào)試[4]。為保證電樞電流環(huán)控制下的超調(diào)量和換向速度可滿足提升機的生產(chǎn)需求，最終確定最佳比例環(huán)節(jié)系數(shù)為388，最佳積分環(huán)節(jié)系數(shù)為1 000。

2.2.3 速度環(huán)的調(diào)試

提升機速度環(huán)的調(diào)試為直流調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要確保電氣控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實時負載并結(jié)合節(jié)能控制需求對提升機下放或者提升速度進行平穩(wěn)控制，并保證提升機速度調(diào)整的快速響應控制。在勵磁電流環(huán)和電樞電流環(huán)調(diào)試結(jié)果上，對空載低速運行、空載加速運行以及帶負載加速運行三種工況下的速度環(huán)進行調(diào)整。

綜合提升機直流調(diào)速系統(tǒng)的平滑控制、較小超調(diào)量的需求，同樣采用比例積分控制方式進行調(diào)試。最終確定的最佳比例環(huán)節(jié)系數(shù)為13.8，最佳積分環(huán)節(jié)系數(shù)為3 800。

3 直流調(diào)速系統(tǒng)應用效果分析

本文針對提升機傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的能耗大、維護困難且維護成本高的問題，采用“2”中的思路對該礦提升機電氣控制系統(tǒng)進行升級改造，尤其是根據(jù)速度調(diào)速控制對應的系數(shù)進行綜合確定[5]。

目前，該礦提升機每天工作時長為14 h（每年300 d），其余10 h的時間為空載運行狀態(tài)。提升機對應電機的額定功率為450 kW。經(jīng)對提升機進行直流調(diào)速改造后，系統(tǒng)從節(jié)能角度分析具備如下優(yōu)勢：

1）當提升機處于空載運行狀態(tài)時，其對應的電流值為額定電流值的20%，對應所減少的能耗為450 kW×10 h×300×20%=270 000 kWh。

2）在勵磁電流環(huán)的作用下，系統(tǒng)可省去勵磁，從而達到節(jié)能的效果。在改造前的勵磁功率為16 kW，則可減少的能耗：16 kW×24 h×300=115 200 kWh。

3）基于直流調(diào)速控制系統(tǒng)對應電壓轉(zhuǎn)換效率可提升8%，且平均功率為電機額定功率的40%，則可減少的能耗：450 kW×40%×8%×24 h×300 d=1 036 80 kWh。

綜上所述，經(jīng)對提升機電控系統(tǒng)進行直流調(diào)速改造后每年可節(jié)約能耗為：270 000 kWh+115 200 kWh+103 680 kWh=488 880 kWh。

按照1元/kWh的工業(yè)用電電價計算，則每年可節(jié)約成本約為49萬元。

4 結(jié)論

1）采用DCS600系列的直流調(diào)速裝置為核心實現(xiàn)對傳統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)的改造；

2）為直流調(diào)速系統(tǒng)配置勵磁電流環(huán)、電樞電流環(huán)以及速度控制的控制環(huán)節(jié)，并得出最佳控制策略；

3）經(jīng)實踐表明，采用直流調(diào)速裝置后提升系統(tǒng)可在三方面達到減少能耗的目的，并且每年可節(jié)約成本約為49萬元。