淺談提升機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置在郭二莊礦應(yīng)用

朱小恒

摘要：隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍越來越廣，以及性能的優(yōu)越可靠。其在礦井提升機(jī)電控控制應(yīng)用方面已經(jīng)成熟。本文主要就提升機(jī)高壓變頻調(diào)速裝置在郭二莊礦應(yīng)用進(jìn)行了探討。

Abstract： With the development of frequency conversion technology， the wider application range and the superior and reliable performance， its application in electromechanical control for mine elevator has matured. This article mainly discusses the application of elevator high voltage variable frequency speed regulating device in Guoerzhuang Mine.

關(guān)鍵詞：提升機(jī)；高壓變頻調(diào)速裝置；應(yīng)用

Key words： elevator；high voltage variable frequency speed regulating device；application

中圖分類號：TD94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0199-03

0 引言

邯礦集團(tuán)郭二莊礦馬項副井提升機(jī)為4繩摩擦式提升機(jī)，型號為JKM3.25x4，交流電動機(jī)（800kW）拖動，原提升系統(tǒng)采用交流電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)。提升高度為500m，提升速度為9.05m/s，該系統(tǒng)調(diào)速性能差，啟動、停車機(jī)械沖擊大，尤其是從等速段過渡到減速段的切換過程中，出現(xiàn)失控區(qū)，易造成減速段超速；報警、記錄不齊全。該系統(tǒng)機(jī)構(gòu)老化，可靠性差，故障率高，維護(hù)費(fèi)用高，操作不靈敏。且轉(zhuǎn)子調(diào)速性差，沖擊電流大，同時減短了電機(jī)、減速器、晶閘管外加切換電阻等設(shè)備壽命；轉(zhuǎn)子電路長期帶電阻運(yùn)行，制動提前施閘減速，浪費(fèi)了大量電能，與現(xiàn)在綠色礦山格格不入，因此針對我礦情況研究出一套切實(shí)可行提升機(jī)控制技術(shù)方案是目前亟待解決的一個問題。

1 提升機(jī)控制技術(shù)可行性課題研究及實(shí)施過程

近年來，變頻技術(shù)得到了驚人的發(fā)展，技術(shù)趨于成熟，性能優(yōu)越可靠。在礦井提升機(jī)電控控制應(yīng)用方面已經(jīng)成熟，并有很多其它單位可以借鑒的經(jīng)驗。經(jīng)多方調(diào)研論證，選擇了與技術(shù)力量雄厚、電控經(jīng)驗豐富、產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良的遼寧榮信公司合作，對馬項副井提升機(jī)進(jìn)行高壓四象限變頻調(diào)速裝置改造。

邯礦集團(tuán)郭二莊礦馬項副井為塔式結(jié)構(gòu)，四層高38m，電器設(shè)備分別布置在各塔層內(nèi)，受空間位置的限制，改造安裝工作基本上都要在日常檢修期間進(jìn)行，時間緊任務(wù)重，必須進(jìn)行科學(xué)合理安排，細(xì)致周密落實(shí)，與遼寧榮信公司技術(shù)人員一起，對電器設(shè)備布置方式、安裝附件的制作、電纜敷設(shè)等方面進(jìn)行了商定。

①在不影響安全生產(chǎn)的情況下進(jìn)行變頻改造（每天上午9：00-11：00停車檢修時間）。

②保留原電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，新增一套獨(dú)立高壓變頻控制系統(tǒng)（高壓變頻控制系統(tǒng)包括：雙電源進(jìn)線柜、變壓器柜、功率柜、控制柜、低壓輔助柜、PLC控制柜、司機(jī)操作臺、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）。

③為進(jìn)一步提高操作系統(tǒng)安全性和可靠性，新增原電控系統(tǒng)與新安裝電控系統(tǒng)的切換裝置一套（可實(shí)現(xiàn)主電機(jī)、潤滑站、液壓站、電梯電源的切換），兩套電控系統(tǒng)獨(dú)立防止過卷裝置、防止過速裝置、限速裝置、深度指示器失效保護(hù)裝置、閘間隙保護(hù)裝置和減速功能保護(hù)裝置等安全感信號。共享信號通訊系統(tǒng)。

④改造完成后能夠徹底解決老控制系統(tǒng)的缺陷。

經(jīng)職工同志們的共同努力，在不影響礦井安全運(yùn)行的前提下14天時間電器設(shè)備安裝結(jié)束，具備調(diào)試條件，廠家調(diào)試16小時，達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 提升機(jī)主要技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

①礦井提升機(jī)對于煤礦企業(yè)生產(chǎn)來說至關(guān)重要，尤其是對于副井提升，它不僅能夠提升人員，還能夠提升物料，具有負(fù)載變化大、滿足空、輕、重載提升和下放多種組合工況條件施工需求等特點(diǎn)。若提升機(jī)無法正常工作，不僅會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，更可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。因此對高壓變頻器有較高要求，要求其不僅要具備極高的可靠性，更能夠適應(yīng)各類惡劣環(huán)境，同時可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，解決能量回饋。

②變頻器系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由多組功率模塊串聯(lián)形成其主體結(jié)構(gòu)，輸入功率因數(shù)高，無需采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸入諧波濾波器；輸出波形質(zhì)量好，只選用普通的電機(jī)即可，無需加輸出濾波器，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題。

1）無速度傳感器矢量控制，在高性能控制器硬件平臺上，結(jié)合先進(jìn)的實(shí)用化的矢量控制技術(shù)，將電機(jī)的控制性能提高到一個新的高度，能實(shí)現(xiàn)低速大轉(zhuǎn)矩負(fù)載啟動和運(yùn)行。

矢量控制，以電機(jī)磁場為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過坐標(biāo)變換的方法，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。

旋轉(zhuǎn)啟動：如果電機(jī)被負(fù)載拖動仍在旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，變頻器能識別跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)速并拖動負(fù)載到設(shè)定頻率運(yùn)行。

系統(tǒng)狀態(tài)變量的實(shí)時顯示和監(jiān)控：輸入側(cè)和輸出側(cè)的電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，變頻器狀態(tài)，多點(diǎn)溫度指示，電機(jī)轉(zhuǎn)速，等等。監(jiān)控界面不僅能夠顯示常用的電壓、電流、功率溫度等參數(shù)，還具有軟件示波器功能，可用于現(xiàn)場調(diào)試和監(jiān)控。

具有完善的電機(jī)和變頻器保護(hù)功能，保證設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行。

歷史記錄，包括操作事件記錄、故障報警記錄等。

2）超強(qiáng)的抗電網(wǎng)波動能力，承受電壓波動的能力可以到-35～+15%電網(wǎng)電壓波動時變頻器維持運(yùn)行，不停機(jī)。

3）控制電源冗余設(shè)計，大大提升了控制電源的可靠性，符合現(xiàn)場控制電源多樣性的要求，高壓變頻系統(tǒng)控制電源可接收AC220V或AC380V（三相四線制）。

4）完善的電機(jī)和變頻器保護(hù)功能，針對各種故障情況分級設(shè)置保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)最大程度的不間斷運(yùn)行。

5）無爆裂或拉電弧可能的功率開關(guān)原件，變頻器功率器件均采用目前國際最成熟的進(jìn)口功率器件，不會發(fā)生爆裂或拉電弧的可能；可靠性指標(biāo)（平均無故障工作時間）：100000小時；完全滿足需方的使用要求。

③采用了全數(shù)字速度、電流、位置閉環(huán)控制使提升機(jī)在任意速度下運(yùn)行穩(wěn)定可靠并保持爬行距離恒定，保證了提升機(jī)良好的運(yùn)行效率。

④操作和安全保護(hù)系統(tǒng)選用兩套不同配置的Siemens公司的S7-300系列PLC，兩套PLC互為CPU監(jiān)視控制。主輔PLC之間相互通訊及監(jiān)視，操作過程實(shí)現(xiàn)雙線控制方式，對提升機(jī)運(yùn)行關(guān)鍵的信號均采用多重保護(hù)，互為監(jiān)視，并配網(wǎng)絡(luò)化控制的操縱臺。PLC操作控制系統(tǒng)可滿足提升機(jī)各種運(yùn)行方式的控制要求，包括自動、手動、半自動、檢修及緊急控制等。

⑤新舊系統(tǒng)快速切換，保證了提升安全高效運(yùn)行。

⑥上位監(jiān)視計算機(jī)實(shí)現(xiàn)與PLC通訊，并能實(shí)時監(jiān)測提升系統(tǒng)動靜態(tài)，電樞電流動態(tài)曲線，提升容器位置動態(tài)顯示、可調(diào)閘電流、制動力矩的動態(tài)顯示等；針對提升機(jī)系統(tǒng)中存在的輕重故障具有首次故障診斷和保存功能，保存時間可超十天；能顯示及打印故障發(fā)生的位置、時間、原因以及故障前的有關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)時顯示并記錄深度、速度實(shí)時值、提升種類、信號情況，相當(dāng)于飛機(jī)上的“黑匣子”功能；生成各類報表、歷史記錄并隨時打印。

⑦有擴(kuò)展功能，可與局域網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷。

3 實(shí)踐檢驗效果

自2015年10月份投入運(yùn)行至今徹底解決了：

①井口停車點(diǎn)施閘停車。

②低速和爬行階段需要人為依靠盤形制動器閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)調(diào)速，特別是負(fù)載發(fā)生變化時，很難實(shí)現(xiàn)減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)，速度控制性能差。

③提升人員和物料時，全部一個速度9.05m/s。在提升到減速點(diǎn)時，是個矢量控制，既沒有高壓參與也沒有低壓參與，讓人在罐籠中感到失重。

④提升機(jī)啟動沖擊電流大，造成很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)壽命降低、提升機(jī)低速啟動力矩小，機(jī)械性軟，帶負(fù)載能力差，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。

該系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，使用方便，維護(hù)量很小，保護(hù)動作可靠，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。達(dá)到了項目實(shí)施預(yù)期目的。

4 經(jīng)濟(jì)效益和社會效益

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

①重物下放時，老系統(tǒng)主要靠動力制動和機(jī)械抱閘；新系統(tǒng)再生制動，能量回饋到電網(wǎng)，節(jié)約能量；再生制動過程中，約有80%的動能和勢能轉(zhuǎn)換成電能，反饋回電網(wǎng)；節(jié)約了電能。改造前馬項副井每月電耗3000kWh，改造后每月電耗2000kWh，每年節(jié)約電耗12萬kWh，節(jié)約電費(fèi)0.5元/kWh×12萬kWh=6萬元。

②節(jié)約材料配件費(fèi)，據(jù)統(tǒng)計，少消耗高壓真空接觸器、接觸器線圈，高壓換向線圈、接點(diǎn)、消弧罩，轉(zhuǎn)子外加電阻等，節(jié)支5萬元。

③高壓變頻啟動技術(shù)應(yīng)用，減少了啟動時大電流沖擊，延長了電機(jī)減速器，滾筒襯板、提升繩等設(shè)備壽命，年節(jié)支5萬元。

④節(jié)約了事故處理人工費(fèi)：與去年同期相比，減少事故處理用工150工，每工75元，則150（工）×75（元/工）=1.125萬元。

⑤降低了事故率，減少了事故影響時間，據(jù)統(tǒng)計，與去年同期相比，減少事故時間30小時。

⑥年直接經(jīng)濟(jì)效益①+②+③+④=17.125萬元，還有消除事故隱患和提高礦井提升能力所潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 社會效益

馬項副井高壓變頻系統(tǒng)改造后，節(jié)約了大量電力電能，有利于創(chuàng)建高效綠色環(huán)保礦井；該系統(tǒng)性能好，運(yùn)行穩(wěn)定，事故率低，維修量小，操作簡單，各種保護(hù)齊全，確保了礦井提升安全可靠運(yùn)行平穩(wěn)，保證人員提升安全，可提高我公司的社會形象。

參考文獻(xiàn)：

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