智慧礦山背景下提升機(jī)變頻運(yùn)行改造實(shí)踐研究
——以扎煤公司靈北礦為例

格日樂(lè) 卜桂玲

(呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008;內(nèi)蒙古自治區(qū)高校礦產(chǎn)資源安全開(kāi)采與綜合利用工程研究中心 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略背景下，智能開(kāi)采和智慧礦山，將是我國(guó)煤炭行業(yè)綠色、安全和高效發(fā)展的必然之路，是煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)。[1][2]煤炭是我國(guó)主要能源之一，呼倫貝爾地區(qū)大部分煤礦企業(yè)屬于井工礦。近年來(lái)，隨著淺層煤炭資源的減少，深層開(kāi)采成為主要的開(kāi)采模式，隨著智能化礦山建設(shè)的開(kāi)展，促進(jìn)煤礦企業(yè)的良好發(fā)展態(tài)勢(shì)。礦山運(yùn)輸與提升機(jī)械是典型的低速重載設(shè)備，是礦井中的重要設(shè)備之一，工作機(jī)械安裝于地面，通過(guò)鋼絲繩、提升容器、電動(dòng)機(jī)等，將井下和地面聯(lián)系在一起，用于運(yùn)輸?shù)V物、設(shè)備和工作人員。作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，針對(duì)工作環(huán)境復(fù)雜、工作任務(wù)繁重、并涉及井下工作人員、設(shè)施的安全運(yùn)輸問(wèn)題，提升機(jī)是否平穩(wěn)運(yùn)行與煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)密切相關(guān)。以目前使用的JK-2/20型主提升機(jī)為例，提升機(jī)的整個(gè)電控系統(tǒng)容易因水沙充填而廢。因此，改善提升機(jī)的控制系統(tǒng)，提高其工作可靠性的工作迫在眉睫。

近年來(lái)，變頻調(diào)速由于具有節(jié)能、低噪、無(wú)級(jí)調(diào)速、運(yùn)行平穩(wěn)、延長(zhǎng)機(jī)器的使用壽命等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。研究將緊緊圍繞地區(qū)礦井生產(chǎn)發(fā)展需要，本著安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可靠的原則，立足于現(xiàn)有設(shè)備，借助智慧礦山建設(shè)契機(jī)，依托科技進(jìn)步，吸收、消化、國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，實(shí)踐研究在礦井不停產(chǎn)的情況下，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)提升機(jī)的主要環(huán)節(jié)是進(jìn)行技術(shù)改造工作，使井下提升機(jī)械做到優(yōu)化配置和合理匹配的目的，滿足礦井各個(gè)生產(chǎn)時(shí)期的提升需要，促進(jìn)高產(chǎn)高效智慧礦井的發(fā)展需求。[3][4][5]通過(guò)對(duì)扎賚諾爾煤業(yè)公司靈北煤礦的提升系統(tǒng)引進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)情況進(jìn)行實(shí)踐研究，并對(duì)技術(shù)的可行性、實(shí)踐性及使用后所得效果進(jìn)行分析研究。

1 傳統(tǒng)提升機(jī)械問(wèn)題分析

隨著煤礦企業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)機(jī)械采煤、運(yùn)煤的要求也逐步提高，運(yùn)輸與提升系統(tǒng)是井工礦企業(yè)采煤過(guò)程中的重要機(jī)械部分，發(fā)達(dá)國(guó)家尤其重視煤礦井下采用直流式交流變頻裝置的采用及更新。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以及時(shí)診斷提升機(jī)的工作情況、安全情況，并提升系統(tǒng)的自我保護(hù)功能。據(jù)扎賚諾爾煤業(yè)公司靈北煤礦的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)TKD系列電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多、能耗高、維護(hù)量大的缺點(diǎn)。針對(duì)以上的情況，選用優(yōu)質(zhì)的變頻器來(lái)控制提升機(jī)工作運(yùn)行，大大提高了設(shè)備的動(dòng)作的安全性與可靠性，有利于煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。

傳統(tǒng)的扎賚諾爾煤業(yè)公司靈北煤礦十二號(hào)主井提升機(jī)為JK-2/20型，拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)為高壓6000 V、220 KW繞線式異步電動(dòng)機(jī)，電控部分采用TKD系列電控系統(tǒng)，礦井提升總斜長(zhǎng)810 m，巷道傾角16°。曾因故障停止運(yùn)行，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。由于，礦井生產(chǎn)的需要，急需恢復(fù)提升機(jī)的正常運(yùn)行狀態(tài)。因此，提出對(duì)該提升機(jī)進(jìn)行變頻運(yùn)行改造的建議，同時(shí)從可行性、安全性等方面進(jìn)行論證，開(kāi)展具體的改造設(shè)計(jì)，并投入使用，并對(duì)其改造實(shí)效進(jìn)行評(píng)估分析。

2 變頻調(diào)速在礦井提升機(jī)中運(yùn)用的可行性分析

變頻器是實(shí)現(xiàn)提升機(jī)變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)施，其工作原理是：將輸入的正常電壓，根據(jù)設(shè)備實(shí)際使用需要，輸出不同值的電壓，提供給電動(dòng)機(jī)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整與控制。提升在工作過(guò)程中的速度呈現(xiàn)：加速階段-勻速運(yùn)行階段-減速階段-停止四個(gè)階段，每個(gè)階段的速度要求不一，與其他機(jī)械設(shè)備相比，對(duì)變頻器的性能要求及安全要求更高。提升的運(yùn)動(dòng)情況又分為以下四種情況：(1)隨著運(yùn)行速度的降低，運(yùn)行時(shí)間也隨之縮短；(2)兩臺(tái)提升機(jī)向相反方向運(yùn)行，此時(shí)，因改變運(yùn)行方向，也就改變了電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)形式；(3)提升機(jī)在不同的運(yùn)動(dòng)形式的改變，將產(chǎn)生一定的能源消耗，這類情況在提升機(jī)的上升和下降過(guò)程中尤為明顯。提升機(jī)在長(zhǎng)升的過(guò)程中所產(chǎn)生的能耗是最大的，主要消耗于克服重力與摩擦力，相對(duì)而言，下降時(shí)能耗會(huì)有所減少，這是因?yàn)闊o(wú)需克服重力，只克服摩擦力的影響；(4)動(dòng)態(tài)性的變化。應(yīng)用變頻技術(shù)的目的，是以原有提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)狀態(tài)，結(jié)合提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)向其輸送能源，以達(dá)到提高提升機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。[6]因此，選擇合適的變頻器對(duì)于提升機(jī)的安全、穩(wěn)定工作尤為重要。

2.1 技術(shù)可行性分析

提升機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的要求是：勻加、減速，低速時(shí)就具有較高的轉(zhuǎn)矩。目前，變頻器的種類很多，但適用于礦井提升機(jī)這種工況環(huán)境復(fù)雜、變頻能力要求高的變頻器，應(yīng)該具有全頻域磁通電流矢量控制的特點(diǎn)。這種變頻器是根據(jù)現(xiàn)代控制理論，采用磁通檢測(cè)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩所得。在低速運(yùn)行狀態(tài)下可提供高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng)增加PG控制時(shí)，可實(shí)現(xiàn)零速高轉(zhuǎn)矩控制，而且更容易實(shí)現(xiàn)勻加、減速等問(wèn)題。[7]因此，改造提升機(jī)控制系統(tǒng)，選擇變頻器控制，變頻器的選擇依據(jù)是提升機(jī)的負(fù)載情況，提升機(jī)工作時(shí)要求恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以欲使提升機(jī)按工作指令能夠升降，變頻器需要低頻轉(zhuǎn)矩提升功能才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)輸出充足的力矩。常規(guī)生產(chǎn)工作情況下，提升機(jī)所需要承載的物品和人員都比較多。因此，在提升機(jī)工作過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)需要輸出較大的作用力才能驅(qū)動(dòng)提升機(jī)的正常運(yùn)行。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)載就會(huì)很大，容易對(duì)電動(dòng)機(jī)造成過(guò)載損壞。通過(guò)分析，選用CIMR-G5A4220型變頻器，采用矢量控制技術(shù)，將轉(zhuǎn)矩和定子磁通作為控制變量，對(duì)于負(fù)載出現(xiàn)的瞬時(shí)掉電和負(fù)載變化情況等，能夠快速做出響應(yīng)，為整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性及控制精度等提供良好的保障。同時(shí)通過(guò)磁通制動(dòng)，對(duì)其提升機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)指令，保障提升設(shè)備的運(yùn)行安全。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

提升機(jī)在工作過(guò)程中，需要持續(xù)的能源輸入，而恒定的能源輸入狀態(tài)會(huì)造成較高的能源消耗，如靈北煤礦十二號(hào)井目前采用的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主電動(dòng)機(jī)功率為400 KW左右的提升機(jī)電控設(shè)備，而且此設(shè)備僅用于控制屏、動(dòng)力制動(dòng)屏、接觸器屏三部分，設(shè)備價(jià)值高達(dá)60萬(wàn)元。采用變頻調(diào)速控制方案，所需設(shè)備費(fèi)用僅需30萬(wàn)元，且每年可節(jié)約的電費(fèi)隨著工作量的不同逐年增加，可達(dá)到幾十萬(wàn)元。采用可向電源反饋電能的變頻系統(tǒng)，其節(jié)電效果將更加顯著。

傳統(tǒng)提升機(jī)的功率因數(shù)為0.7-0.8，應(yīng)用變頻技術(shù)后，功率因數(shù)可提升至0.9。功率因數(shù)的提高，可用同等的能源，實(shí)現(xiàn)更多次的運(yùn)行工作，實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的，逐步實(shí)現(xiàn)智能化、節(jié)約化的智慧礦山建設(shè)目標(biāo)。

2.3 安全性分析

一般變頻器都有一個(gè)較突出的弱點(diǎn)，就是一旦遇到外部沖擊(如電壓、電流、負(fù)荷等發(fā)生突變狀況)即出現(xiàn)逆變失敗現(xiàn)象(失電)。這是礦井提升機(jī)運(yùn)行時(shí)最忌諱的問(wèn)題。研究采用向電源反饋電能的變頻系統(tǒng)，可有效避免此類問(wèn)題。而且，在控制系統(tǒng)中再采取一些變頻調(diào)速系統(tǒng)等工作制動(dòng)、安全制動(dòng)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)適時(shí)聯(lián)動(dòng)等有效的控制措施，安全問(wèn)題將會(huì)得到很好的解決。

綜上所述，變頻調(diào)速在礦井提升機(jī)中不但可以運(yùn)用，而且其優(yōu)點(diǎn)非常突出。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有運(yùn)行平穩(wěn)、改善運(yùn)行狀態(tài)、提高設(shè)備的使用壽命、系統(tǒng)趨于無(wú)維修、低噪，節(jié)能效果顯著。因此，建議在提升機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程和舊設(shè)備改造工作(維修)時(shí)優(yōu)先采用變頻調(diào)整運(yùn)行控制系統(tǒng)。

2.4 采用變頻器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

充分考慮煤礦企業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)及地區(qū)位置因素等，在改造傳統(tǒng)的提升機(jī)控制系統(tǒng)過(guò)程中，選用安川電機(jī)株式會(huì)社的CIMR-G5A4220型變頻器，該變頻器具有良好的性能，完全能夠滿足提升機(jī)控制系統(tǒng)的改造需求，變頻器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1：

表1 CIMR-G5A4220型變頻器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

CIMR-G5A4220型變頻器制動(dòng)力矩約為20%，并具有瞬停再啟動(dòng)、PID控制、下垂控制、速度搜索、過(guò)力矩限制、多段速度運(yùn)行、加/減速時(shí)間選擇等功能。過(guò)負(fù)載、過(guò)電壓、低電壓保護(hù)，瞬時(shí)停電補(bǔ)償及熱繼電器保護(hù)裝置，既保證了控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，也可保障提升機(jī)械的安全運(yùn)行。

3 主井提升機(jī)變頻運(yùn)行改造設(shè)計(jì)

此次礦井提升機(jī)電控部分改造，基于智慧礦山建設(shè)理念，改變傳統(tǒng)的提升機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加減速，電氣制動(dòng)控制模式，利用先進(jìn)的電機(jī)矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的變頻控制，使提升機(jī)的運(yùn)行性能更加穩(wěn)定、安全，同時(shí)為礦井提升機(jī)的節(jié)能改造提供一條新的途徑。需進(jìn)行改造的電氣線路包括主電路系統(tǒng)、輔助電路系統(tǒng)和控制電路系統(tǒng)三大部分組成。

3.1 主電路

主電路系統(tǒng)由高壓開(kāi)關(guān)、變壓器、線路接觸器、變頻器、隔離開(kāi)關(guān)、電動(dòng)機(jī)組成。高壓開(kāi)關(guān)為BGP3-6型，作為線路總控制開(kāi)關(guān)，具有過(guò)載、短路、失壓等保護(hù)。KSJ-320型變壓器為變頻器提供低壓電源。開(kāi)關(guān)為600A交流接觸器作為變壓器輸出的電源開(kāi)關(guān)，主要起隔離開(kāi)關(guān)的作用，出現(xiàn)緊急情況時(shí)也可以切斷低壓線路電源。變頻器的輸出側(cè)設(shè)置一組手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，其作用是在調(diào)試變頻器、檢修控制線路時(shí)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源，即在提升機(jī)不運(yùn)行的情況下調(diào)試控制電路時(shí)使用，防止出現(xiàn)誤操作使提升機(jī)運(yùn)行，造成事故。改造實(shí)踐證明，這種設(shè)計(jì)非常實(shí)用。

3.2 輔助電路

輔助電路由主、備制動(dòng)油泵電機(jī)及相關(guān)交流接觸器組成，低壓電源由50KVA變壓器提供。

3.3 控制電路

根據(jù)提升機(jī)的運(yùn)行要求，結(jié)合變頻器的外部端子功能，同時(shí)考慮控制回路盡可能簡(jiǎn)單、可靠的要求，設(shè)計(jì)了控制電路，控制電路包括以下八個(gè)部分。

3.3.1 安全回路

提升機(jī)控制系統(tǒng)的安全回路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)故障的監(jiān)測(cè)，并對(duì)產(chǎn)生的故障進(jìn)行分析，對(duì)發(fā)生故障的部位進(jìn)行處理等工作。通過(guò)變頻控制的安全回路，會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控提升機(jī)的運(yùn)行過(guò)程，一旦發(fā)生過(guò)卷、超速、運(yùn)行方向錯(cuò)誤等問(wèn)題，系統(tǒng)將立即發(fā)出報(bào)警提示。

本設(shè)計(jì)中，安全回路由主令控制器零位，制動(dòng)手柄零位，等速過(guò)速繼電器接點(diǎn)、制動(dòng)油壓繼電器接點(diǎn)，過(guò)卷開(kāi)關(guān)，閘瓦磨損開(kāi)關(guān)，變頻器故障中間繼電器接點(diǎn)，松繩保護(hù)器及接觸器組成。安全回路的設(shè)計(jì)完全按照《煤礦安全規(guī)程》的要求進(jìn)行。當(dāng)上述任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時(shí)，安全閥電磁鐵動(dòng)作實(shí)現(xiàn)緊急安全制動(dòng)，同時(shí)斷開(kāi)變頻器運(yùn)行接觸器回路，變頻器減速運(yùn)行，使提升機(jī)在減停車的狀態(tài)下制動(dòng)，保證制動(dòng)的可靠性。

3.3.2 信號(hào)回路

信號(hào)回路由減速信號(hào)鈴、提升信號(hào)繼電器組成。提升信號(hào)繼電器的一個(gè)接點(diǎn)接在變頻器運(yùn)行接觸器回路，只有當(dāng)把鉤工發(fā)出運(yùn)行信號(hào)時(shí)才允許變頻器運(yùn)行。另外，當(dāng)制動(dòng)油過(guò)熱時(shí)的常閉接點(diǎn)斷開(kāi)，不允許變頻器運(yùn)行(即提升機(jī)運(yùn)行)提升機(jī)司機(jī)也接不到運(yùn)行信號(hào)。

3.3.3 線路主接觸器、變頻器運(yùn)行接觸器回路

線路接觸器是變頻器電源的控制開(kāi)關(guān)吸合時(shí)變頻器接通電源，出現(xiàn)緊急情況時(shí)也可以斷開(kāi)(作為斷路器)電源。接點(diǎn)分別接于變頻器的兩端連接口，控制提升機(jī)的運(yùn)行方向即上提或下放，并相互閉鎖，提升動(dòng)作由主令控制器控制。

3.3.4 頻率給定控制回路

頻率指令輸出接變頻器的兩個(gè)端子。主令控制器接點(diǎn)分別控制中間繼電器的動(dòng)作，從而分段控制端子的輸入電壓值，使提升機(jī)在不同頻率段以不同的速度運(yùn)行。深度指示器上的自動(dòng)減速接點(diǎn)，自動(dòng)減速時(shí)斷開(kāi)，短接減速端子，使提升機(jī)按爬行速度運(yùn)行，達(dá)到自動(dòng)減速的目的。

3.3.5 制動(dòng)單元、制動(dòng)電路回路

制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻是變頻器自帶附件，為電動(dòng)機(jī)的發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行及減速時(shí)提供能量泄放通道。接于變頻器不同的兩個(gè)端子，制動(dòng)電阻為4.4Ω。

3.3.6 腳踏緊急制動(dòng)回路

制動(dòng)繼電器、故障復(fù)位繼電器分別接于變頻器的不同端子。緊急制動(dòng)時(shí)，優(yōu)先端子吸合，變頻器故障輸出至不同兩個(gè)端子，斷開(kāi)中間繼電器，使安全回路制動(dòng)。排除故障后開(kāi)關(guān)閉合，使變頻器故障復(fù)位，復(fù)位后繼續(xù)運(yùn)行。

3.3.7 可調(diào)閘回路與原控制系統(tǒng)相同

測(cè)速發(fā)電機(jī)回路只保留等速過(guò)速繼電器，在提升機(jī)出現(xiàn)等速過(guò)速時(shí)實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。

3.3.8 相關(guān)儀表及指示燈

司機(jī)操縱臺(tái)設(shè)變頻器電源電壓、電流，輸出頻率、電壓、電流、油泵工作指示，油過(guò)熱，過(guò)壓，變頻器工作指示等相關(guān)儀表及指示燈。

4 實(shí)施效果

實(shí)踐證明，應(yīng)用CIMR-G5A系列變頻器對(duì)礦井提升機(jī)的傳統(tǒng)TKD系列電控系統(tǒng)進(jìn)行改造是完全可行。(1)改造后的提升機(jī)電控系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，操作人員更便于操作；(2)提升機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速性能均優(yōu)于原系統(tǒng)，且運(yùn)行噪音低，環(huán)境污染減小；(3)實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的：經(jīng)測(cè)試，現(xiàn)提升機(jī)上提物料(8臺(tái)重車)的平均運(yùn)行功率由原來(lái)的140 KW降低至86 KW，節(jié)約電能三分之一以上。下放重物時(shí)(8臺(tái)重車)220 KW電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流平均只有1A；(4)克服原來(lái)礦井提升機(jī)采用的TDK系列電控系統(tǒng)存在的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)多，日常維護(hù)工作量大、耗能高、運(yùn)行性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、運(yùn)行平穩(wěn)、便于維護(hù)和維修等建設(shè)目標(biāo)。通過(guò)變頻改造完全可以實(shí)現(xiàn)礦用提升機(jī)的自主升級(jí)換代，為礦井提升機(jī)的節(jié)能、升級(jí)改造提供一條新的有效途徑。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)煤礦提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻運(yùn)行改造，使設(shè)備做到了合理匹配，提高了設(shè)備的技術(shù)含量和裝備水平，顯著提高提升機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，保證設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，使提升機(jī)的工作效率得到提升。因此，積極研究變頻技術(shù)改造，并將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于煤礦提升機(jī)中，提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率，為高產(chǎn)高效礦井建設(shè)提供了可靠保證，為智慧礦山建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。