礦井提升機節能電氣控制系統的研究

李 劍

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

據統計表明，我國每年煤炭的生產量及消耗量在全球范圍內占據前列，且在未來很長一段時間內，煤炭依然在我國能源結構中占據主導地位。因此，保證綜采工作面煤炭的生產效率對我國國民經濟的發展具有非凡的意義[1]。提升機作為煤炭綜采工作面的關鍵運輸設備，其主要功能是實現煤炭、物料、設備以及人員的運送任務。經相關數據表明，提升機每年的耗電量占據煤礦總耗電量的20%左右。而且，由于提升機在實際提升過程中存在“大馬拉小車”的現象，即提升機未能根據實際提升量對其提升速度進行調整，對電能造成了極大的浪費。因此，當前的首要任務是在確保提升機完成工作面生產任務的同時，最大限度地達到節能效果。本文從提升機電氣控制系統方向著手，旨在解決上述實際生產過程中所面臨的實際問題，實現提升機的節能生產。

1 提升機變頻調速控制系統概述

1.1 變頻調速原理

變頻器通過對電機電源的頻率進行調節，從而實現對電機轉速的調節，進而實現了對提升機提升速度的調整。如式（1）所示：

式中：n為電機的轉速；f為輸入電機電源頻率；p為電機的極對數。由于電機電源頻率可在0～400 Hz 的范圍內進行調整，且其調整精度可控制在0.01 Hz。因此，基于變頻調速系統可為提升機提供非常寬的調速范圍，主要被應用于提升機的恒加速、恒減速工況下的無級調速，實現對提升機的軟啟動和平滑調速[2]。

1.2 提升機變頻調速

對于研究當前應用于各種領域的節能生產措施，本文將變頻調速控制應用于提升機的電氣控制系統中。一般情況下，應用于提升機變頻調速控制系統的組成部分如圖1 所示。

圖1 提升機變頻調速控制系統結構示意圖

如圖1 所示，提升機變頻調速控制系統主要由變頻器、行程控制系統、操作控制系統、抱閘控制系統以及能耗制動系統組成[3]。各分系統的功能描述如下：變頻器是實現對提升機的變頻調速；操作控制系統是根據控制指令實現對提升機啟動、制動以及復位等功能；行程控制系統是對提升機的變速、停車以及制動等操作的行程進行控制；能耗制動系統和行程控制系統主要服務于提升機的制動操作。

2 提升機變頻調速方案的設計

2.1 總體方案的設計

以陽煤寺家莊礦XX 工作面斜井提升機為例，該提升機采用轉子串電阻調速方式，在實際提升過程耗能較大。該提升機的關鍵參數如表1 所示。

將變頻調速系統應用于斜井提升機的電氣控制系統中，控制框圖如下頁圖2 所示。

表1 提升系統關鍵參數

如圖2 所示，選用SB61G-75kW 的變頻裝置作為提升機變頻調速系統的核心裝置，液壓站為提升機提供制動力，電機根據PLC 的控制策略為提升機提供牽引力，旋轉編碼器可實時對電機的轉速及提升容器的位置進行監測并顯示。鑒于在實際提升過程中電機所承受的力矩較大且過載能力強。因此，在本方案中采用4 極75 kW 的繞線式電機。

圖2 提升機變頻調速控制框圖

2.2 調速控制系統電路的設計

鑒于提升機在滿載狀態下運行時慣性較大，即便是電機頻率降低至零，提升機在慣性作用下依然會繼續爬行，容易導致事故的發生[4]。因此，為提升機配置了能耗制動系統和抱閘控制系統的雙保險。其中，抱閘制動系統基于電氣控制系統的PLC 控制指令進行控制的。變頻調速控制系統主電路及其PLC 電路如圖3 所示。

如圖3 所示，變頻調速控制系統可實現提升電機的電動、復位、反轉以及正轉等操作。此外，當提升機運行出現故障時系統會發出聲光報警。基于PLC控制系統實現對提升機的上升、下降、復位、變頻以及制動等操作。

圖3 變頻調速系統關鍵電路圖

3 行程控制的設計

所謂形成控制指的是對提升機正轉提升行程的控制和對提升機反轉下放行程的控制。將提升機在實際運行工況下的行程區間進行劃分，針對不同的行程區間采用不同變頻調速控制，實現對提升機上升、下放速度的控制[5]。基于行程控制，系統能夠有效預防提升機在實際生產過程中出現過卷、過放、脫軌等事故。行程控制主要應用于斜井的提升任務中。根據某工作面的提升任務，特對提升機上升或下放過程的行程進行劃分，劃分結果如圖4 所示。

圖4 行程劃分結果

4 節能效果

將上述改造完成后提升機電氣控制系統應用于實際生產中，并對應用后續兩個月提升機的提升煤炭量和消耗電量與改造前相鄰兩個月的情況進行對比分析，對比結果如下頁表2 所示。

根據表1 所示數據進行計算，改造前兩個月平均每度電的提升量=（0.328+0.31）/2=0.319 萬t，改造后兩個月平均每度電的提升量=（0.40+0.39）/2=0.395 萬t。即，改造后每度電多提升0.076 萬t 煤。改造前兩個月每萬t 煤平均耗電量=（3.24+3.04）/2=3.14 kWh，改造后兩個月每萬t 煤平均耗電量=（2.5+2.5）/2=2.5 kWh。即，改造完成后提升1 萬t 煤可節電0.64 kWh。

采用改造后的電控系統后，提升機出現故障的概率明顯降低，如表3 所示。

根據以往維修次數，當系統出現一次故障時維修一次需花費1.5 萬元。因此，就維修成本而言共節約4.5 萬元。

表2 相鄰四個月耗電量和提升量對比

5 結語

提升機作為綜采工作面的關鍵運輸，在實際生產中其耗能占煤礦總耗能的20%。為實現提升機的節能生產，將變頻調速系統應用于其中。為確保提升機運行的安全性，為其電氣控制系統配置行程控制系統，對提升容易的位置進行監測，為其配置能耗制動和抱閘制動系統，避免其由于慣性而出現過卷、過放的事故發生。變頻調速系統應用于提升機電氣控制系統后，提升每噸煤可節約0.6 kWh 的電能，故障次數的降低間接節約了成本4.5 萬元。

表3 改造前后兩個月故障情況對比