交通罐提升機(jī)電能吸收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳一兵，吳旭

(1.中國煤炭科工集團(tuán) 武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430064；2.上海華菱電站成套設(shè)備有限公司, 上海 200072)

0 引言

為了提高副立井提升的安全性，及升降零星人員并達(dá)到節(jié)電降耗，巴彥高勒礦井副立井設(shè)置一套交通罐提升機(jī)。選用JKMD-1.85×4I型落地式多繩摩擦輪提升機(jī)，其提升高度613.75 m。電動(dòng)機(jī)選用上海電機(jī)廠Z315-2A直流電動(dòng)機(jī)，額定功率90 kW,額定電壓400 V,額定電流250 A；他勵(lì)電機(jī)，勵(lì)磁電壓220/110 V，勵(lì)磁電流11.97/23.93 A，勵(lì)磁功率2.633 kW。電力傳動(dòng)采用ABB直流調(diào)速器DCS800-S02-0450-04/05。提升機(jī)由礦井變電所饋出的兩回線路供電，提升系統(tǒng)于2012年安裝完成并投入使用。

后期增設(shè)200 kW柴油發(fā)電機(jī)組作為交通罐提升機(jī)的應(yīng)急電源,但提升機(jī)在回饋制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生電能并通過直流調(diào)速器回饋到電源，電能無法吸收造成發(fā)電機(jī)組及控制系統(tǒng)不能正常工作。針對(duì)此問題，本文提出了在提升機(jī)直流調(diào)速器輸入側(cè)增設(shè)電能吸收系統(tǒng)的方案。

1 方案的確定

礦井提升機(jī)屬于位能性負(fù)載，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔懿⒒仞伒诫娫础Ｌ嵘龣C(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)處理電能回饋的方法主要有：

1) 傳動(dòng)系統(tǒng)自帶制動(dòng)單元或外接制動(dòng)電阻，消耗電動(dòng)機(jī)回饋的電能。

2) 傳動(dòng)系統(tǒng)將電能回饋到交流電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的回收再利用[1-2]。

由于原有提升系統(tǒng)無電能消耗裝置，電能通過電力傳動(dòng)系統(tǒng)回饋到電源側(cè)。當(dāng)采用礦井變電所供電時(shí)，由于電網(wǎng)短路容量較大，電網(wǎng)波動(dòng)相對(duì)較小，允許電能回饋電網(wǎng)[3]。當(dāng)提升機(jī)采用發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，電能回饋到發(fā)電機(jī)組，由于發(fā)電機(jī)組無法吸收電能，造成發(fā)電機(jī)組的電壓、頻率不穩(wěn)定，甚至可能損壞發(fā)電機(jī)組；同時(shí)導(dǎo)致控制系統(tǒng)的電流、速度無法控制，影響提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了解決上述問題，提出了兩種方案并進(jìn)行對(duì)比選擇:

方案一：“直流調(diào)速器+直流電動(dòng)機(jī)”更換為“交直交變頻裝置+交流電動(dòng)機(jī)”。

交-直-交變頻裝置自帶能耗裝置，可完全消耗提升機(jī)在回饋制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的電能，保證發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，無電能回饋到發(fā)電機(jī)組輸出側(cè)。該方案可徹底解決傳動(dòng)系統(tǒng)在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下的電能回饋；但更換設(shè)備多，費(fèi)用高，改造工期長。

方案二：在直流調(diào)速器輸入側(cè)增設(shè)電能吸收系統(tǒng)。

在直流調(diào)速器輸入側(cè)增加電阻能耗吸收裝置及切換開關(guān)，在檢測到逆向功率時(shí)，通過切換開關(guān)控制電能吸收電阻的投切，吸收傳動(dòng)系統(tǒng)在回饋制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的電能。該方案無成熟產(chǎn)品可以使用，需要根據(jù)實(shí)際情況研制，并在現(xiàn)場測試其性能。無需更換設(shè)備，只需增加電能吸收電阻和逆功率檢測裝置，費(fèi)用較低，設(shè)備調(diào)試周期較短。

通過上述分析比較，經(jīng)分析研究認(rèn)為,方案二投資低，對(duì)礦井生產(chǎn)影響較小,故決定設(shè)計(jì)電能回饋吸收的自動(dòng)控制系統(tǒng)，消耗電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生的電能，以保證發(fā)電機(jī)組及整個(gè)提升系統(tǒng)的正常工作。

2 試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)運(yùn)行情況

1) 重載運(yùn)行。保持罐籠空負(fù)載，此時(shí)罐籠側(cè)質(zhì)量比平衡錘側(cè)輕約700 kg，提升系統(tǒng)重載，按5 m/s速度進(jìn)行罐籠下放、上提運(yùn)行，運(yùn)行電流如圖1所示。

圖1 重載運(yùn)行電流

由圖1可以看出,提升機(jī)罐籠下放、平衡錘上提(重載上提)時(shí)，基本無反向電流，僅在減速階段出現(xiàn)較小的反向電流(20 A以內(nèi))，但在加速階段的正向電流達(dá)到360 A，同時(shí)最大運(yùn)行電流也達(dá)到300 A；當(dāng)提升機(jī)罐籠上提、平衡錘下放(重載下放)時(shí)，加速階段為反向電流，等速階段隨著平衡錘下放到一定深度后正向電流變?yōu)榉聪螂娏鳌?/p>

2) 輕載運(yùn)行。保持罐籠空負(fù)載，平衡錘側(cè)配重減少700 kg，罐籠側(cè)質(zhì)量和平衡錘側(cè)基本平衡，提升系統(tǒng)輕載，按5 m/s速度進(jìn)行罐籠上提、下放運(yùn)行，運(yùn)行電流如圖2所示。

圖2 輕載運(yùn)行電流

由圖2可以看出,提升機(jī)罐籠上提、平衡錘下放時(shí)，加速、等速、爬行、制動(dòng)停車階段均有反向電流，其中加速段反向電流在260 A左右；提升機(jī)罐籠下放、平衡錘上提時(shí)，基本無反向電流產(chǎn)生，僅在正常減速階段出現(xiàn)較小的反向電流(50 A左右)。但在加速階段的正向電流達(dá)到250 A，等速階段最大運(yùn)行電流達(dá)到200 A。

2.2 試驗(yàn)情況綜合分析

分析圖1、圖2電流曲線及數(shù)值，提升系統(tǒng)在礦井變電所供電時(shí)存在以下問題：

1) 一個(gè)提升周期內(nèi)，等速階段的電流值逐漸增加或減小，且變化較大，變化幅度達(dá)到200 A。等速運(yùn)行周期內(nèi)的電流變化過大，對(duì)于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、電動(dòng)機(jī)的壽命及電能回饋吸收方案設(shè)計(jì)造成一定影響。

2) 重載上提時(shí)，加速、等速階段電流過大。加速階段電流(360 A)不但達(dá)到發(fā)電機(jī)組的額定電流，同時(shí)達(dá)到主電動(dòng)機(jī)額定電流(250 A)的1.5倍左右；等速階段最大電流為300 A，為主電動(dòng)機(jī)額定電流的1.2倍，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)長期處于過載狀態(tài)。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電流幅值出現(xiàn)50 A左右的周期性波動(dòng)，需確定罐道平整度、電流檢測裝置及電流相關(guān)參數(shù)設(shè)置是否滿足要求。

3 方案的實(shí)施

1) 改善提升系統(tǒng)存在的問題，保證主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在70%負(fù)載范圍內(nèi)，提高系統(tǒng)速度及電流的穩(wěn)定性。

(1) 等速階段電流變化過大，經(jīng)檢測為提升系統(tǒng)主繩與尾繩的質(zhì)量差較大所致。在后續(xù)測試、生產(chǎn)中，更換尾繩，保證尾繩與主繩質(zhì)量基本一致。

(2) 在現(xiàn)有平衡錘與空罐籠的質(zhì)量差(700～900 kg)的基準(zhǔn)上，減少平衡錘的配重，確保提升系統(tǒng)在空載、滿載運(yùn)行時(shí)，兩側(cè)的質(zhì)量差均在500 kg以內(nèi),保證提升主電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在合理的負(fù)載范圍。

(3) 經(jīng)觀察，電流幅值波動(dòng)的周期為提升滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。屏蔽速度反饋編碼器，采用反電動(dòng)勢作為速度反饋，電流周期波動(dòng)消失，確認(rèn)速度編碼器反饋側(cè)異常。經(jīng)檢查速度編碼器安裝軸同心度不夠，重新安裝確保同心度在±15絲之內(nèi)，電流幅值波動(dòng)消失。

2) 柴油發(fā)電機(jī)組開機(jī)測試，測試正常后，使用柴油發(fā)電機(jī)組作為提升系統(tǒng)電源，在不產(chǎn)生負(fù)力的工況下進(jìn)行慢速(0.5 m/s)試車運(yùn)行，發(fā)電機(jī)組、提升系統(tǒng)運(yùn)行正常。

3) 根據(jù)能量回饋大小，進(jìn)行電能吸收系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功率電阻容量配置核算。電能吸收系統(tǒng)包括：逆功率檢測及保護(hù)裝置(含電流互感器)；直流側(cè)電壓、電流檢測及關(guān)聯(lián)軟件處理、控制輸出；發(fā)電機(jī)組及電能回饋系統(tǒng)的控制、保護(hù)與檢測回路；功率電阻柜(含進(jìn)線斷路器、接觸器、中間繼電器、冷卻風(fēng)機(jī)等),見圖3。

圖3 電能吸收系統(tǒng)

(1) 電能回饋檢測裝置。考慮電能回饋吸收的安全性，設(shè)計(jì)兩路電能回饋檢測電路。一路為在交流回路中通過逆功率保護(hù)裝置檢測逆向功率，一旦檢測到回路中有逆向功率，投入交流側(cè)吸收電阻；另一路通過PLC采集直流回路的電壓和電流，根據(jù)電壓、電流的方向判斷是否存在電能回饋，并且控制吸收電阻投入和斷開。兩路控制互與備用，只要有一路檢測到電能回饋即投入吸收電阻，確保電能回饋到交流側(cè)時(shí)被吸收。

(2) 功率電阻柜。電阻初始值根據(jù)設(shè)計(jì)的速度圖、力圖確定。圖4、圖5、圖6分別為提升機(jī)提升人員運(yùn)行工況下的速度圖、上提力圖、下放力圖,圖中θ為休止時(shí)間。

圖4 提升人員速度

由圖4～圖6所示,提升人員減速段、下放人員運(yùn)行段、下放人員減速段出現(xiàn)負(fù)力，此時(shí)電動(dòng)機(jī)以發(fā)電方式運(yùn)轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)回饋的功率按下式計(jì)算[4]：

圖5 上提人員力圖

圖6 下放人員力圖

(1)

式中:F為力，kN；v為實(shí)際運(yùn)行速度，m/s；η為減速器效率；ηd為電動(dòng)機(jī)效率；ηb為變流設(shè)備效率。

4) 針對(duì)電能回饋吸收系統(tǒng)，首先在礦井變電所電源下進(jìn)行測試，滿足測試要求后，再投入柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)試。

5) 在電能回饋吸收系統(tǒng)投入后，采用發(fā)電機(jī)組作為電源進(jìn)行系統(tǒng)的全部調(diào)試(包括各種運(yùn)行速度、輕重載，緊停狀態(tài)等)，并從以下幾個(gè)方面確定系統(tǒng)是否滿足要求。

(1) 確保回饋制動(dòng)狀態(tài)反饋的電能全部在電阻上消耗，發(fā)電機(jī)組輸出側(cè)無逆向功率。兩路檢測裝置互為備用，能準(zhǔn)確檢測逆向功率，合理投切吸收電阻，完全吸收傳動(dòng)系統(tǒng)回饋的電能。

(2) 提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中電流處于變化狀態(tài)，回饋的電能也處于動(dòng)態(tài)變化中，電能吸收的電阻設(shè)計(jì)值應(yīng)與之匹配。電阻值初選70 kW，經(jīng)多次反復(fù)調(diào)試，考慮電阻發(fā)熱損耗等因素，電阻值最終確定為90 kW。

(3) 應(yīng)避免電阻不當(dāng)投入，在發(fā)電機(jī)組輸出時(shí)再次疊加負(fù)載或引起負(fù)載突變，影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行及調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。設(shè)置多組電阻，分別為15 kW、15 kW、30 kW、30 kW。根據(jù)檢測的逆向功率大小進(jìn)行分段投入，保證逆向功率與吸收電阻的阻值一致。

4 結(jié)論

交通罐提升機(jī)電能吸收系統(tǒng)已于2017年安裝調(diào)試完成并投入使用，在礦井變電所、柴油發(fā)電機(jī)組供電時(shí)，提升系統(tǒng)均能穩(wěn)定運(yùn)行，滿足礦井生產(chǎn)需求。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單易行，投入較小，為直流調(diào)速提升機(jī)增加柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源提供了可行的改造方案。