礦業企業礦井提升機電控系統設計方案的研究

盛超

（舜華電氣（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215300）

目前，礦井提升機操作人員對該機械的電控系統的要求逐漸提高。良好的礦井提升機電控系統能夠保證提升機的工作性能和保障相關工作人員的生命安全，在發生故障前及時預警并自行制動，避免或減少造成采礦設備損壞以及操作人員的傷亡，因此提高礦井提升機電控系統的安全穩定性能是一件迫在眉睫的事情。本文通過對某礦區礦井提升機電控系統進行全新的設計，采用直流可逆調速系統控制提升機運行，取得了較好的實踐效果。

1 礦井情況

本文研究對象選取某生產能力為380 萬t/年巖礦的礦山，該礦山的采礦工作采用豎井開拓方式，其中有一條主井作為礦區的主要運輸通道，主井深250m，平均爬升速度為6m/s。現采用主井提升設備，型號為JKMD 3.5X4，為多繩落地提升設備，功率為2240kW。工作時，電機轉數設置為每分鐘45r。提升機在主井距地表123m 處進行安裝，其容量為兩個礦用多繩箕斗。現就該提升機的硬件條件來選擇相應的電控系統設計方案。

2 礦井提升機電控系統的方案分析

我國礦井提升機的系統設計，可選用我國目前在技術較為成熟的直流可逆調速方法、交流變頻調速方法。需結合提升設備具體狀況選擇適合的方法處理，上述兩種方法均能加強工作人員對礦井提升機系統的控制，提高礦井提升機的安全性和穩定性。

2.1 直流可逆調速方法的分析

直流可逆調速方法，能結合提升設備自身的功率，將直流調速磁場設置為恒定的狀態，電樞換向方法分成6 脈動和12 脈動兩種主回路。為滿足不同功率提升機的不同效率，并降低諧波危害的使用要求，功率小于500kW 的提升機，建議選擇6 脈動方法處理，針對功率＞500kW 提升設備來講，可考慮使用12 脈動方法，以便保證設備工作的效率和安全性。結合本研究所選提升機的實際功率，在此處需要選擇12 脈動方案來對提升機電控系統進行設計。

2.2 交流變頻調速方案介紹

在功率為600 ～2000kW 的交流電動機運行電控系統進行方案設計時，一般會通過高壓變頻器，以繞線式異步電動設備，做好設備的控制、調速工作。高壓異步電動設備變頻調速方法，可采用高壓變頻調速柜（由變頻器、變頻單元、電動機轉子等組成）和主控臺（由信號輸出和輸入以及控制單元組成）兩部分控制設備完成，是一種操作過程和設備都較為簡潔的提升機電控系統。交流電動機轉速N 的公式為：，異步電動設備中的F 表示頻率，P 代表極對數，S 表示轉差率。

通過轉速公式能夠看出，只要改變F 就能改變轉速N。由此可得，高壓異步電動機只需要通過主控臺向高壓變頻調速柜發出開關量和模擬量的信號，使調速柜中變頻器改變工作電源頻率，即可達到調速的目的，變頻器采用背靠背雙三電平交直交變頻技術。其中，高壓變頻調速柜使用的是轉子串電阻的形式，機械特性是匯交于理想空載轉速的軟特性曲線。高壓變頻調速柜，在6kV 等級交流電動設備、10kV 等級交流電動設備中應用效果較好，可充分發揮出單元串聯型高壓變頻技術的最大應用價值，能量回饋技術和矢量控制技術，其主要控制方法有速度內環、電流內環的雙閉環控制，能夠充分滿足礦區提升機的電控操作要求。具體負載如圖1 所示。

圖1 提升機的負載結構

2.3 方案的選擇

根據本礦區的實際情況和礦井升降機的型號功率，選用直流調速方案會使提升機的系統性能更加穩定。雖然直流調速方案的系統結構比交流變頻調速方案要復雜很多，在使用過程中直流電機的維護量也大于交流電機的維護量，但是直流電機的系統技術要更加成熟，調速性能也更加穩定。通過對系統穩定性和經濟性兩方面的衡量，本研究所選提升機最終選擇直流可逆調速方法處理。

圖2 提升機的具體結構情況

3 直流可逆調速系統情況的相關研究

礦井提升設備電控系統，主要通過高、低壓供電和整流調速、控制系統，以及上位機監控等構成，其對礦井提升機的控制需要通過各個系統之間的信號、數據交換來完成。其具體組成情況由圖2 可知。

其中，礦井調速系統選擇西門子6RA70 系列數字直流調速設備，配置大功率晶閘管整流柜，主要的目的：保持磁場為恒定狀態，做好電樞轉向串聯12 脈動的控制工作。提升設備網絡化操作系統，可采用西門子S7 300 型號設備，雙PLC、雙線控控制，以網絡化虛擬操作來實現對提升機的控制。然后，還可在Windows CC系統基礎下，通過人機接口的方式，對提升設備控制系統實行監控處理。這一系統高壓供電部分，使用KYN28 12 型中置高壓真空開關柜，以此實現在10kV 進線電壓下配電、保護系統的效果。配置進線柜、電樞回路整流變壓器饋電柜，以及測量保護柜分別為：1 臺、1 臺、2 臺。繼電保護，可運用微機綜保設備，選擇真空斷路器、計量儀表。系統低壓供電，為手動切換雙回路進線，可對提升設備、輔助設備供電，為系統附屬設備提供抵押負荷，并提供井筒信號電源，保持不中斷，可能在主電源線路故障的情況下為提升機提供安全的制動，保證其運行的安全性和可靠性。采用環氧樹脂澆筑整流變壓設備主干，于鐵心位置對傳感器進行溫度測定，通過對每一線圈的溫度檢測及鐵心溫度的檢查，來對裝置起到一個保護作用。對系統中的整流進行調速，選用西門子的S7 300 可編程控制器來對系統運行進行控制，通過雙PLC 來提高提升機的安全性，及時進行監控并采取安全保護措施。

4 設計后系統的特點與功能

經過設計和改進后的系統，可結合主井提升設備主要特點，借助電樞轉向串聯12 脈動的作用，達到保持磁場恒定狀態的目的。實際運行過程，整流裝置如果發生緊急/意外狀況，應立即將12 脈動手動調整為6 脈動，將提升設備采用全載慢速模式，無需改變單次運輸的荷載量。這種6 脈動和12 脈動系統的互相切換模式，電網的沖擊較小，功率較高。該系統在設計以及實踐過程中經數字速度、電流、傳播等方式，確保提升設備的穩定運行情況，并不影響其運行效率。另外，PLC 控制系統能夠滿足提升機在手動、半自動以及自學習情況下的各種控制要求，使其具備智能化的特性，便于工作人員的操作。

5 結語

直流可逆調速系統目前是一個綜合技術較為成熟、可靠的操作系統，電控系統操作具有高強度、安全系數高的特點，所以被廣泛應用于不同類型的升降設備中。因此，需做好礦業企業礦井提升設備電控系統設計工作，以便充分發揮出礦井提升設備電控系統的最大作用，保證設備的運行狀況。