副井提升機直流調速系統的設計

高云龍

（山西鄉寧焦煤集團惠源焦煤有限公司，山西 鄉寧 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的關鍵運輸設備，對于上述設備而言其電控系統的穩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能力。經實踐應用及調研可知，提升機傳統電控系統存在故障率高、線路老化嚴重、系統能耗較大、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著手將傳統電控系統改進為直流調速系統。

1 提升機電控系統的設計要求

根據《煤炭安全規程》的相關要求，要求提升機電氣控制系統對設備的速度控制曲線滿足生產要求。因此，對提升機電氣控制系統提出如下要求：

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

2）要求提升機電氣控制系統能夠實現平滑調速，并根據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，對提升機傳統電氣控制系統的改造，主要目的是對提升機速度控制功能進行優化，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、平穩調速的目的，并且改造后提升機電氣控制系統的維護成本可以降低。在當前多種調速方式優劣勢的綜合比對下，本文擬采用直流調速系統對傳統電控系統進行升級改造。

2 提升機直流調速系統的設計

基于直流調速系統實現提升機速度與電流的雙閉環控制，以達到對提升速度控制的精確性和穩定性。本文所采用直流調速系統的核心裝置為全數字化直流調速裝置，該裝置可根據現場情況對提升參數進行設定；根據提升參數的采集完成對給定值和反饋的設定，其中可采用模擬量和數字量同時對輸入量進行設置；具有較高的檢測精度；基于全數字化直流調速裝置在實現其與其他調速裝置進行通信的要求外，還可與上位機和PLC控制器等實現通信；基于全數字化直流調速裝置可實現對提升機系統運行參數的狀態顯示、監控以及報警等功能[2]。

2.1 主回路設計

針對提升機直流調速系統的控制需求，本文所選擇的全數字直流調速裝置的具體系列為DCS系列，且為實現其四象限調速控制功能，最終所選全數字直流調速裝置的系列為DCS600。DCS600系列根據其容量的不同可分為多種類型，對于調速裝置的容量需根據相關的電機參數進行計算所得。經研究可知，當提升機處于下放狀態時，系統所需轉矩最大，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速裝置容量的選擇。

調速裝置額定容量的計算公式如式（1）所示：

式中：SB為全數字直流調速裝置的容量；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。

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

提升機直流調速系統的控制依據是對提升機運行狀態的監測結果。因此，需為提升機調速系統配置對其運行狀態監測的控制回路，包括有對不同負載工況下的實時電流監測，對提升機井筒位置的實時監測；對提升機提升或者下放工況時液壓系統的油壓和殘壓的監測。在多次試驗的基礎上，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系列全數字直流調速裝置相匹配的整流裝置參數

表2 提升機電機輸出電壓與井筒速度之間的關系

2.2 直流調速系統的調試

針對提升機的實際生產需求，為保證所設計直流調速系統能夠滿足實際運輸的需求，對勵磁電流環、電樞電流環以及速度環等幾個環節進行調試。

2.2.1 勵磁電流環的調試結果

勵磁電流環的主要功能是將380 V的交流電壓轉換為可適用于直流調速系統的直流電壓，具體轉換流程如下：380 V交流電壓—220 V交流電壓—220 V直流電壓；經轉換后，220 V直流電壓對應的電流值為21 A。

針對勵磁電流環的調試，本系統采用比例積分控制方式進行。為保證對系統勵磁電流平滑控制，并且能夠在第一時間完成對勵磁電流環的調節，最終確定最佳比例環節系數為300，最佳積分環節系數為2 000。

2.2.2 電樞電流環的調試結果

電樞電流環調試的主要任務是對提升機傳動系統的基本參數進行整定。同樣，電樞電流環調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進行調試[4]。為保證電樞電流環控制下的超調量和換向速度可滿足提升機的生產需求，最終確定最佳比例環節系數為388，最佳積分環節系數為1 000。

2.2.3 速度環的調試

提升機速度環的調試為直流調速系統的關鍵環節，其主要確保電氣控制系統能夠根據實時負載并結合節能控制需求對提升機下放或者提升速度進行平穩控制，并保證提升機速度調整的快速響應控制。在勵磁電流環和電樞電流環調試結果上，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進行調整。

綜合提升機直流調速系統的平滑控制、較小超調量的需求，同樣采用比例積分控制方式進行調試。最終確定的最佳比例環節系數為13.8，最佳積分環節系數為3 800。

3 直流調速系統應用效果分析

本文針對提升機傳統電氣控制系統的能耗大、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進行升級改造，尤其是根據速度調速控制對應的系數進行綜合確定[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。提升機對應電機的額定功率為450 kW。經對提升機進行直流調速改造后，系統從節能角度分析具備如下優勢：

1）當提升機處于空載運行狀態時，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）在勵磁電流環的作用下，系統可省去勵磁，從而達到節能的效果。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）基于直流調速控制系統對應電壓轉換效率可提升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，經對提升機電控系統進行直流調速改造后每年可節約能耗為：270 000 kWh+115 200 kWh+103 680 kWh=488 880 kWh。

按照1元/kWh的工業用電電價計算，則每年可節約成本約為49萬元。

4 結論

1）采用DCS600系列的直流調速裝置為核心實現對傳統電氣控制系統的改造；

2）為直流調速系統配置勵磁電流環、電樞電流環以及速度控制的控制環節，并得出最佳控制策略；

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