豎井提升機電氣自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化與應用

劉連國，馬小川

（招金礦業(yè)股份有限公司，山東 265400）

1 主豎井提升系統(tǒng)的概述和生產(chǎn)現(xiàn)狀

提升機是礦山企業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔井下礦石提升運輸?shù)淖饔茫湎到y(tǒng)是否正常運行，對礦山的正常生產(chǎn)和企業(yè)效益起到重大影響。主豎井井口的標高為1200．2m，井筒直徑3．5m，井壁采用混凝土支護。豎井采用2JK-3×1．5型提升機，上層單層罐籠+下層箕斗提升，配重為800mm×350mm平衡錘，提升機的電動機功率630kw。豎井罐道采用木罐道，天輪直徑為3m，鋼絲繩直徑為36mm。單次提升礦量為5．5t，提升能力為1200t/d，每天循環(huán)提升240次，提升方式為雙滾筒纏繞式提升。因此，提升電動機總是處于電動狀態(tài)，這種提升系統(tǒng)要求電機頻繁的正反轉(zhuǎn)起動、減速制動。而提升機的電氣控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)的交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)。

2 傳統(tǒng)提升機電氣控制系統(tǒng)的應用及存在問題

傳統(tǒng)的提升機電控為TKD控制系統(tǒng)，采用串電阻調(diào)速方式，通過接觸器、繼電器相互結(jié)合控制提升機的運行速度，控制結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)存在諸多缺點：

（1）控制精度低，停車位置偏差大，中段停車位置不準確。

（2）系統(tǒng)的加減速階段，接觸器頻繁切換，噪音大，接觸器易燒毀，設(shè)備的安全性能不足。

（3）采用電阻能耗制動模式，能耗大，浪費能源。

（4）在提速階段和減速階段，電流沖擊大。

（5）自動化控制程度低，需要人工控制系統(tǒng)運行情況。

3 提升機電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造

分析傳統(tǒng)式提升機電氣控制系統(tǒng)在應用過程中存在的問題，現(xiàn)采用GBP-D10-10-630型四象限高壓變頻器，對原電氣控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化改造。

GBP-D10-10-630型四象限高壓變頻器的結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。高壓變頻器功率單元的數(shù)量10kV為24個。功率單元經(jīng)串聯(lián)疊波升壓后，三相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅(qū)動電機所需要的可變頻三相高壓電源。

移相變壓器采用干式變壓器，絕緣等級為H級，最高耐受溫度180℃。變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為二次側(cè)的多組低壓，為各功率單元提供相互隔離的電源。移相變壓器的副邊繞組分為3組。根據(jù)電壓等級和單元串聯(lián)級數(shù)，構(gòu)成多級移相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無需任何功率因數(shù)補償和諧波抑制裝置，而且由于變壓器的副邊繞組具有獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，移相變壓器還設(shè)有溫控設(shè)備，能夠?qū)崟r監(jiān)控其內(nèi)部溫度，在溫度過高時發(fā)出報警信號、跳閘信號。

功率單元是整套變頻系統(tǒng)的核心，能量回饋功率單元采用有源前端( AFE)、直流環(huán)節(jié)(DC-Link)與逆變電路(INV)整合的結(jié)構(gòu)。每個功率單元的內(nèi)部包含完整的能量回饋電路、直流濾波電路、逆變電路，整流側(cè)和逆變側(cè)均采用可控器件IGBT，直流環(huán)節(jié)采用電解電容。每個功率單元相當于1臺交直變電壓型單相輸出的低壓變頻器。每個功率單元內(nèi)，裝有獨立的CPLD處理器和電壓、電流采樣電路。功率單元整流側(cè)與逆變側(cè)控制相對獨立、互不影響，屬于單獨控制、統(tǒng)一保護的模式。

高性能交流傳動系統(tǒng)均需要精確的轉(zhuǎn)速控制（轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制），可保證高精度和高準確率的動態(tài)轉(zhuǎn)速。整個系統(tǒng)采用高性能DSP微處理器，可以自動檢測到電機的參數(shù)，建立電機的數(shù)學模型，通過檢測電機的電壓和電流，對電機的磁通和轉(zhuǎn)矩進行實時的解耦控制，能夠?qū)﹄姍C轉(zhuǎn)矩進行主動限制，避免負荷波動導致的過電流故障等。基本性能指標為：調(diào)速范圍100：1，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度0．5%，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應時間小于200ms，啟動轉(zhuǎn)矩200%額定轉(zhuǎn)矩（根據(jù)需要可調(diào)）。采用DSP高性能矢量控制的高壓變頻器，實現(xiàn)了電機參數(shù)自動整定、系統(tǒng)狀態(tài)變量的實時顯示和監(jiān)控等功能。

4 傳統(tǒng)電氣控制方式的變頻優(yōu)化改造產(chǎn)生的效益

4.1 提高提升系統(tǒng)的安全性

轉(zhuǎn)子串電阻的工作方式下，在減速段和下放重物的低速段，必須依靠直流制動或者機械抱閘提供制動力，而直流制動系統(tǒng)產(chǎn)生的制動力較小，在機械抱閘力不足時，無法及時制動提升機系統(tǒng)。采用全功率能量回饋的變頻調(diào)速后，變頻器能夠輸出高達2～3倍額定轉(zhuǎn)矩的制動力矩，其自身能夠滿足系統(tǒng)的制動要求，在機械抱閘失效或者機械制動力不足時，能夠提供足夠的制動力對提升機進行快速制動，從而大大提高系統(tǒng)的安全性。此外，均勻的加減速控制能夠有效避免人為因素導致的提升機減速過晚、高速沖擊曲軌和罐道等問題，提高系統(tǒng)和人員的安全性。提高提升系統(tǒng)的自動化水平和工作效率，在加速度不超過礦山安全規(guī)程規(guī)定值的前提下，變頻調(diào)速采用勻加速控制方式，比傳統(tǒng)切電阻控制加速更平穩(wěn)。

由于能夠始終以最大的安全加速度進行加減速，因此加減速時間更短，最大限度的降低提升機的運行時間，提高提升機的工作效率。

4.2 經(jīng)濟效益

采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，電機轉(zhuǎn)子被完全短接，避免了原來轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻產(chǎn)生的大量的功率消耗，節(jié)能效果明顯，平均節(jié)能率高達20%左右。

交流串電阻調(diào)速年耗電量360萬kW·h，度電單價按0．5元/kW·h計算，年可電費約180萬元。高壓變頻調(diào)速裝置年耗電量300萬kW·h，度電單價按0．5元/kW·h算，年可節(jié)約電費150萬元。高壓變頻改造后，每年可節(jié)約電費30萬元。

5 結(jié)語

繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的控制方式，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。經(jīng)變頻優(yōu)化改造后，實踐證明，解決了原電氣控制系統(tǒng)存在的問題及缺陷，經(jīng)濟效益明顯，具有較強的應用價值。此外，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節(jié)省了人力和物力，提高了礦井提升的能力，間接的經(jīng)濟效益也很可觀。

參考文獻：

[1]韓安榮．通用變頻器及其應用．北京:機械工業(yè)出版社，2012

[2]機械工程手冊．北京:機械工業(yè)出版社．1980

[3]電機工程手冊．北京:機械工業(yè)出版社．1982