煤礦主井提升機系統(tǒng)分析研究

（霍州煤電集團回坡底煤礦，山西 洪洞041600）

0 引言

礦井提升系統(tǒng)直接影響著工作人員的生命安全和運輸效率[1]，主井提升系統(tǒng)是煤炭運輸?shù)闹苯油緩?，也是礦井創(chuàng)造效益的重要環(huán)節(jié)，主井提升系統(tǒng)的智能化、數(shù)字化已成為提升系統(tǒng)發(fā)展的主要方向[2，3]。為此，不少學者進行了研究，基于PLC 的主井提升控制系統(tǒng)實現(xiàn)了智能化控制，但是變頻調(diào)速功耗較大，長時間應用下容易出現(xiàn)精度差的缺點[4-6]。本文根據(jù)回坡底煤礦主井提升系統(tǒng)的運行，對提升系統(tǒng)進行了全面優(yōu)化，實現(xiàn)智能化、數(shù)字化的同時，減少了能耗，經(jīng)濟效益良好，為其它礦井提升系統(tǒng)的改造提供了重要參考。

1 主提升機系統(tǒng)概況

回坡底煤礦目前使用的為SIEMAG4×4型主提升機，提升機的最大提升高度為530 m，提升速度可達到11 m/s，提升機系統(tǒng)的運行通過變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)，調(diào)速系統(tǒng)的主回路通過并聯(lián)連接的反相變流器組成，其中星形連接的變流器可為電機運行提供電壓以及幅值，雖然實現(xiàn)了調(diào)速的目的，但是卻存在以下弊端：

（1）并聯(lián)的反相變流器主要由晶閘管構成，晶閘管數(shù)量眾多，結構復雜，因此控制功能較難實現(xiàn)；

（2）并聯(lián)的反相變流器可以輸出的最大功率為20 Hz，系統(tǒng)運行時發(fā)熱嚴重，不宜長時間工作；

（3）提升機運行年份較長，設備老化明顯，運行穩(wěn)定性下降，較高的故障率增加了設備維護的費用；

（4）提升機變頻調(diào)速的功率因數(shù)在0.56-0.75之間，對電路系統(tǒng)沖擊較大，不僅影響安全生產(chǎn)，對周圍通訊設備的正常運行造成干擾；

（5）設備在運行過程中故障較多，且無法實現(xiàn)故障的準確定位，增加了維修的難度，影響了生產(chǎn)的正常進行。

基于上述問題，必須對礦井主提升機系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

2 解決方案

2.1 變頻器系統(tǒng)優(yōu)化研究

對變頻器系統(tǒng)進行優(yōu)化，需對變頻調(diào)速系統(tǒng)進行改進。原變頻控制系統(tǒng)采用交-交的方式進行控制，處理器運行速度以及計算能力較低。矢量控制的核心是在較短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的采集和處理，同時進行數(shù)據(jù)的輸入輸出以及調(diào)節(jié)等工作，本文采用交-直-交的方式進行矢量控制，該控制方法對系統(tǒng)要求較高。系統(tǒng)采用多板卡多總線結構，系統(tǒng)卡板的核心是中央處理單元，中央處理單元實圖如圖1所示。此外，脈沖處理單元、電源管理單元以及輔助處理單元等共同構成了卡板。其中，電源處理單元主要負責系統(tǒng)運行時電流、電壓的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)電路故障，保證供電線路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

中央處理器的功能如下：

（1）中央處理器是系統(tǒng)協(xié)同運算實現(xiàn)的關鍵，同時，為電機運行提供足夠的電流和轉(zhuǎn)矩；

（2）中央處理器可以實現(xiàn)功率和數(shù)據(jù)的交換，實現(xiàn)功率和變換單元的控制，實現(xiàn)功率數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)的傳送；

（3）中央處理器實現(xiàn)狀態(tài)字和控制字之間的傳輸，這一功能的實現(xiàn)依賴于上位機和總線數(shù)據(jù)的交換。

2.2 雙獨立電控總體設計方案

系統(tǒng)設計總方案如下：

（1）將原來流變器、高壓柜、電控柜、低壓柜以及勵磁變壓器等組成的電控系統(tǒng)全部拆除；

（2）將6臺高壓柜、7臺電控柜、2臺流變器以及勵磁變壓器等組成的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行安裝，實現(xiàn)了全數(shù)字化的變頻調(diào)速功能，同時兩套變頻調(diào)速系統(tǒng)之間實現(xiàn)了信號的轉(zhuǎn)化，可以隨意進行切換；

（3）兩套系統(tǒng)中各安裝一套閘控系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；

（4）保留原有的輔助變壓器和繞組切換柜，同時增加一臺低壓電壓柜；

（5）原有系統(tǒng)中只有一套潤滑系統(tǒng)，現(xiàn)增設一套潤滑系統(tǒng)，用于風機、風機電機和油泵電機的冷卻?？刂破髦苯蛹尤腚娍叵到y(tǒng)中，對系統(tǒng)運行中的溫度、油溫、壓力以及設備運行狀態(tài)等通過上位機顯示，實現(xiàn)實時監(jiān)控、及時預警。

圖2為雙電機繞組切換示意圖，從圖中可以看出，切換刀閘K1 和切換刀閘K4 連接，同時轉(zhuǎn)接Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)，切換刀閘K2 和切換刀閘K3連接，同時轉(zhuǎn)接Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)，Ⅰ系統(tǒng)和Ⅱ系統(tǒng)變流柜的電壓值為1500 V，電流值為1000 A，這種雙繞組電機可以通過單橋或全橋的方式對刀閘進行控制，具體控制方法如下。

（1）全載全速控制方式：刀閘K1切換0-1，刀閘K2切換0-1，刀閘K3切換0-2，刀閘K4切換0-2，使兩個變流柜同時運行。

圖2 雙電機繞組切換示意圖

（2）繞組1# 全載半速控制方式：刀閘K1切換0-1，刀閘K2切換0-2，刀閘K3切換0-1，刀閘K4切換0-2，兩個系統(tǒng)同時運行，使變流柜1運行。

（3）繞組2# 全載半速控制方式：刀閘K1切換0-2，刀閘K2切換0-1，刀閘K3切換0-2，刀閘K4切換0-1，兩個系統(tǒng)同時運行，使變流柜2運行。

圖3為轉(zhuǎn)子勵磁繞組和冷卻風機切換示意圖。從圖中可以看出，轉(zhuǎn)子勵磁繞組的切換通過轉(zhuǎn)接刀閘K3 控制，轉(zhuǎn)接刀閘K3 通過與轉(zhuǎn)接I系統(tǒng)和II系統(tǒng)的連接實現(xiàn)勵磁整流柜的控制。冷卻風機的切換通過轉(zhuǎn)接刀閘K4 控制，轉(zhuǎn)接刀閘K4通過與轉(zhuǎn)接I系統(tǒng)和II系統(tǒng)的連接實現(xiàn)冷卻風機電源的控制。其中轉(zhuǎn)子勵磁繞組的額定電壓為100 V，額定電流為1000 A；冷卻風機的額定電壓為380 V，額定電流為100 A。

圖3 轉(zhuǎn)子勵磁繞組和冷卻風機切換示意圖

3 應用效果分析

設備安裝調(diào)試成功后，現(xiàn)場進行實際應用，通過上位機的顯示功能，得到圖4所示的主提升機系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)及參數(shù)顯示。根據(jù)圖中顯示的參數(shù)，可知主提升機運行正常。實際運行過程中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、噪音較小、振動小，未發(fā)現(xiàn)任何故障，滿足安全生產(chǎn)標準。

對改進后的主提升機系統(tǒng)進行經(jīng)濟效益分析，

根據(jù)回坡底煤礦實際開采狀況，提升機每天工作約21小時，每次可多提升20 噸煤，每年工作時間按照300 天計算，每噸原煤按照400元計算，共可創(chuàng)造0.501 億元收益。改進后的提升系統(tǒng)減少了設備零件的維護費用，按照往年經(jīng)驗，每年維護費用約20萬元，設備維持員工費用20萬元，此次更換設備共花費80萬元，但是維修和工作人員的費用共計10萬元，可見經(jīng)濟效益良好。此外，改進后的主提升系統(tǒng)消除了無功沖擊和諧波的干擾，實現(xiàn)了無功補償，減少了無功補償花費的費用，提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性；主提升機實現(xiàn)了全自動化操作，減少人員的投入，實現(xiàn)了高效提升，全數(shù)字化的監(jiān)測實現(xiàn)了實時監(jiān)測，工作人員可根據(jù)上位機顯示的數(shù)據(jù)了解設備運行情況，及時對故障系統(tǒng)做出反應。

圖4 實際運行數(shù)據(jù)及參數(shù)顯示圖

4 結論

本文針對回坡底煤礦主提升機運行穩(wěn)定性差、故障率高的問題，對主提升機系統(tǒng)進行了優(yōu)化，通過對變頻器和雙獨立電控的改進設計，實現(xiàn)了主提升機快速提升、平穩(wěn)運行的目的，實際運行中噪音較小、振動小，未發(fā)現(xiàn)任何故障，具有良好的經(jīng)濟效益。