提升機變頻調速系統的設計與驗證

趙轉梅

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦機電科外維一隊， 山西 太原 030022）

引言

鑒于煤炭是我國國民經濟增長的核心動力，在未來很長一段時間內其仍然在我國能源結構中占據主導地位。為提升綜采工作面的產煤效率，除了從根本上改善采煤工藝，提升采煤技術，還需提升工作面綜采設備的自動化水平和可靠性、穩定性。提升機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，其主要任務是實現物料、設備以及人員在工作面和地面之間的運輸[1]。為了確保提升機與其他綜采設備的生產效率相匹配，需從提升其穩定性和安全性對提升機進行改造。變頻調速系統是提升提升機運行穩定性和可靠性的主要措施，本文基于PLC 和變頻器設計一款適用于工作面的變頻調速系統。

1 提升機系統的總體設計

1.1 提升機系統的組成

為確保提升機滿足實際生產的需求，提升機系統如圖1 所示。

圖1 提升機系統的構成

如圖1 所示，提升機系統主要由主軸裝置、減速器、電動機、電控系統、液壓制動系統以及深度指示器等組成[2]。本文所設計提升機變頻調速系統的載體為JKMD 型號提升機，該型提升機的關鍵參數如

表1 JKMD 提升機關鍵參數

1.2 提升機系統設計要求

要求所設計的提升機系統滿足如下要求：

1）提升機系統滿足《煤炭安全規程》的相關要求；

2）要求系統具有完備的保護功能，實現對提升系統運行的保護；

3）要求系統具有自檢功能，且對自檢數據保存時間至少為3 天；

4）當系統運行出現故障時，要求系統具有欠壓、過流、短路以及松繩等保護功能[3]。

1.3 提升機系統的結構

提升機系統總體設計結構框圖如圖2 所示。

圖2 提升機系統總體設計框圖

如圖2 所示，提升機系統包括主控系統、監測系統、信號處理系統以及交流變頻調速系統。本文著重對其中的變頻調速系統進行設計。

2 提升機變頻調速系統的設計

變頻調速系統的應用旨在確保當提升機系統在載荷突變的情況下能夠實現對提升機的無級調速，從而避免對系統造成沖擊，提升提升系統的穩定性和安全性[4]。針對提升機變頻調速系統的設計，本文著重對變頻器的選型、控制方案進行闡述。

2.1 變頻器工作原理

所謂提升機變頻調速指的是系統通過調整電機的頻率達到對提升機提升速度的無級控制。其控制原理如式（1）所示：

式中：n為電機轉速，f為三相異步電動機的運行頻率，s為三相異步電動機的轉差率，p為三相異步電動機的極對數。

分析式（1）可知：提升機的提升速度與其三相異步電機的運行頻率成正比。我國電網頻率范圍為0～50 Hz。因此，基于變頻調速可實現提升速度的平滑調速。

2.2 變頻器的選型

變頻器的選型需主要考慮兩方面的因素：其一，其功率范圍需符合提升機電控系統中三相異步電動機的額定功率的要求；其二，要求變頻器能夠確保提升機在載荷突變的工況下具備低頻轉矩的提升能力[5]。

綜合考慮上述兩方面的因素，所選變頻器的型號為西門子公司的5HK62-5B 變頻器。

3 提升機變頻調速控制系統的設計

變頻調速控制系統的設計主要針對提升機的行程控制、制動控制以及操作控制三部分。

3.1 行程控制

基于變頻調速系統，對提升機的行程控制主要包括提升過程的控制和下降過程的控制。

對于提升過程而言，包括有抱閘—啟動恒加速運行（中速啟動運行）—恒減速運行（低速運行）—恒加速運行（高速運行）—恒減速運行（停車減速）- 抱閘。對于下放過程而言，為提升過程的逆過程。

基于行程控制實現了變頻調速系統對不同階段提升機速度的控制，對避免提升機過卷、過放、脫軌等事故的發生具有顯著意義。

3.2 制動控制和操作控制

基于變頻調速系統，使用能耗單元可實現對提升機的制動。基于上述制動方式能夠避免提升機在制動過程中出現機械沖擊和快速下滑的現象。此外，通過控制變頻器的正轉和反轉，實現對提升機的提升和下降操作，即基于變頻調速系統實現對提升機的操作控制。

4 變頻調速系統應用效果

提升機系統中應用變頻調速系統的主要目的是實現對提升機速度的平滑控制、達到節能的效果。因此，將從對提升機速度的控制效果和節能效果兩方面驗證變頻調速系統的應用效果。

4.1 平滑調速功能的驗證

將變頻調速系統應用于我礦提升機的控制系統中。該提升機的主要任務是運輸煤矸石，其在一次往返運動過程中對提升速度控制曲線如圖3 所示。

圖3 變頻調速系統對提升速度的控制效果

如圖3 所示，提升機初加速距離為7 m，整體加速距離為73 m，帶起達到8.38 m/s 時，系統以恒定速度運行370 m，而后開始減速。在整個行程過程中，提升容器的速度變化曲線均是平滑過渡的，也就是說提升機速度在相鄰兩個運行階段中速度的切換相對平穩，滿足平滑調速的要求。

4.2 節能效果的驗證

變頻調速系統應用于提升機的實際生產過程中，提升機在低速區運行的時間明顯較以往調速系統的時間長。經統計結果表明，基于變頻調速系統，提升機在低速區運行的時長約占一個周期的30%。此外，基于變頻調速系統的制動控制，實現了采用能耗單元對提升機的制動，此舉不僅避免了提升機在制動過程中的機械沖擊，而且還具備一定的節能效果。總之，基于變頻調速系統可直接節能為20%。

此外，變頻調速系統的應用減少了液壓元器件的應用，從而減少了對液壓元器件的損耗，直接降低了損耗件的更換費用。

綜上所述，自變頻調速系統應用于杜兒坪礦提升機的控制系統一年后，直接節約電能和設備維護費用約為9 萬元。

5 結語

提升機作為綜采工作面的關鍵運輸設備，是煤礦生產的咽喉部位。在實際生產中，由于載荷突變且頻繁啟停對提升機造成一定的沖擊，進而降低了提升機的壽命，直接影響了綜采工作面生產的效率和安全性。為此，將變頻調速系統應用于提升機的控制系統中，實現對提升機的行程、制動以及操作等方面的控制，不僅能夠實現對提升容器速度的平穩、無級控制，而且還能夠降低提升機的能耗，達到節能的效果。