副井提升機直流調速系統的設計

來 春

（山煤國際能源股份有限公司煤業分公司， 山西 太原 030006）

引言

提升機為煤礦生產的主要運輸設備，主要應用于立井的生產中。提升機以多繩摩擦式提升機為主，傳統提升機通過對主發電機電壓的調節進行控制，存在故障率高、線路老化嚴重、耗電量大、維護成本和工作量大等問題，無法與當前礦井高效、安全、現代化、數字化發展的需求相適應。本著高可靠性、高運輸能力、高節能效果的原則，將提升機傳統調速系統改造為直流電控調速系統[1]。本文重點對副井提升機的直流調速系統進行設計。

1 提升機電氣控制系統的要求

礦井提升機電氣控制系統主要包括深度指示器、直流調速系統、控制系統回路和監控系統等部分。提升機電氣控制系統的設計總體上必須遵循高可靠性、高控制精度的需求，這樣才能夠適應數字化、自動化、現代化礦井的生產需求。

提升機電氣控制系統需滿足最基礎也是最根本的四象限運行要求和調速要求。

1.1 四象限運行要求

提升機運行需依據的給定速度運行，如圖1 所示，速度的正負值分別代表提升的下放和上升的兩種狀態。通常情況下，提升機有四種運行工況，分別為：重物上提，靜載量較大；重物上提，靜載量減??；重物下放，靜載量較??；重物下放，靜載量較大。也就是說，提升機電機需根據運行需求分別處于電動狀態和制動狀態。

圖1 提升機速度給定圖

1.2 調速要求

在實際生產中，提升機除了運行工況不同外，針對不同的運輸對象也需對提升機速度進行平滑控制。比如，當提升機運行物料時一般以額定速度運行。當提升機運輸作業人員時速度一般小于額定速度。檢查運行工況時，提升機速度一般控制在0.3～1 m/s。當處于低速爬行階段時，提升機速度一般控制在0.1～0.5 m/s。

平滑調速的量化指標為保證提升機在不同負載狀態切換時，距離小于提升高度的1%。

根據提升機調速要求和四象限運行要求，采用復合控制方案，實現對提升機速度的控制。所謂復合控制方案，就是指在常規反饋控制系統的基礎上，增加前饋校正環節。從理論上講，采用復合控制方案對提升機的速度進行調整控制，能夠保證調速控制系統的跟隨性，以及更高的抗干擾能力，能夠在很大程度上消除速度誤差。同時，基于復合控制方案還能夠解決提升容器下墜的問題，保證了提升系統的安全性[2]。

2 副井提升機直流調速系統的設計

2.1 直流調速系統概述

基于全數控晶閘管整流裝置的直流調速系統，具有如下優點：

1）基于DCS600 全數控晶閘管整流裝置，可獨立完成各類參數的設定。

2）針對控制系統的輸入量和輸出量既可采用數字量，也可采用模擬量。

3）具備對參數的實時監控和顯示，對故障進行報警、診斷和定位。

4）采用適當的通信裝置，可實現調速裝置與DCS600 全數控晶閘管整流裝置之間的通信，即可以實現上位機與PLC 可編程邏輯控制器之間的實時通信[3]。

2.2 DCS600 全數控晶閘管整流裝置在調速系統中的應用設計

DCS600 全數控晶閘管整流裝置的性能，可保證調速系統可控制提升機滿足四象限運行的要求。

根據提升機不同工況下的速度、電流以及力矩的曲線圖，在最嚴峻的工況下確定提升機整流與變壓器的參數，且提升機在下放工況下對應的負載、力矩值最大。結合副井提升機的運輸需求，其下放工況對應的速度及其相匹配的電流、力矩的曲線圖，如圖2 所示。

圖2 提升機下放工況對應的速度、電流以及力矩曲線圖

結合圖2 給出的電流曲線，計算得出提升機變壓器一次側額定電流為812 A，經換算得出變壓器的額定容量如下：SB= 3√ ×812A×0.4 kV=562 kVA。

結合變壓器的額定容量，完成電樞整流裝置和勵磁整流裝置的選型，配套整流裝置選型型號及參數如表1 所示。

表1 配套整流裝置的選型

2.3 直流調速系統的速度給定和反饋

速度給定指的是按照提前設定的速度運行，速度給定曲線如圖1 所示。反饋指的是對提升機的運輸對象、運行工況等參數進行采集。根據采集到的參數和提前給定的速度值對提升機的提升或下放速度進行實時精準控制[4]。直流調速系統主要是對勵磁電流、電樞電流和速度進行實時精準控制。

2.3.1 勵磁電流的閉環控制

勵磁電流采用閉環控制的PI 控制理論實現。根據系統給定的電流階躍信號和系統的響應狀態，為保證勵磁電流的平滑性和響應速度，該項環節中PI控制器中對應的Kp值為300，Ki值為200。

2.3.2 電樞電流的閉環控制

同樣，電樞電流采用閉環控制的PI 控制理論完成，結合電流響應曲線對其中的Kp和Ki值進行調整，在保證超調量和換向速度的要求下，最終確定的Kp值為388，Ki值為1000。

2.3.3 提升或下放速度的閉環控制

為保證提升機提升或下放速度的響應特性，降低調速系統的超調量，在對各種工況長時間監測的基礎上，確保系統電流和速度均穩定，最終確定速度閉環控制系統的Kp值為13.8，Ki值為3800。

3 直流調速系統的應用效果

結合提升機的實際生產需求，提升機每天的提升時間為14 h，其余10 h 處于空載運行狀態。在直流調速系統的作用下，在空載運行狀態可控制提升機以空載電流運行，其空載電流為額定電流的20%。提升機電機的額定功率為550 kW，每年按照350 d 計算，則可得出在空載運行工況下，可節約的電能為：550 kW×10 h×20%×350 d=385000 kW·h。

本直流調速系統中可去除傳統調速系統的勵磁組件，勵磁組件的額定功率為185.5 kW，該項可節約的電能為：185.5 kW×24 h×350 d=155400 kW·h。

采用直流調速系統每年可節約電量為385000 kW·h+155400kW·h=540400kW·h。按照0.5 元/kW·h計算，則每年可節約電費270200 元，約27 萬元。

此外，采用直流調速系統后，很多設備均可拆除，同時減少了相應的維修費用。經核算，每年可節約維修費用約30 萬元。

綜上，采用直流調速系統后，每年可節約費用約57 萬元。

4 結語

1）勵磁電流閉環控制的Kp值為300，Ki值為200。電樞電流閉環控制的Kp值為388，Ki值為1000。速度閉環控制的Kp值為13.8，Ki值為3800。

2）直流調速系統應用于實際生產后，每年可節約成本約57 萬元。而且，直流調速系統的應用減輕了勞動人員的勞動強度，提升了提升機的運行的可靠性和安全性。