提升機電控系統改造方法研究

潘一偉

（西山煤電集團有限公司馬蘭礦，山西 太原 030200）

馬蘭礦原提升機電控系統不能實現全速全載，根據現在礦井產能，要求最大提升速度由4 m/s 增加到6 m/s，原電動機不能滿足提升要求；同時，原礦井提升機低速運行時，負載突然發生變化，難以實現恒減速控制，造成控速性能差、調速不連續的現象，增加了設備的能耗；現用的控制系統元器件老化嚴重，導致設備運行過程中功能元器件損壞率及設備故障率較高。以上這些問題已經嚴重影響到了該礦提升機的安全運行，需對提升機電控系統進行全面升級改造。

1 電控系統改造方案

根據該礦礦井提升機電控系統改造需求，本次電控系統改造主要包括交流高壓電動機、主控系統PLC 與變頻調速系統選擇以及安全回路的改造。

1.1 電動機選型

交流電動機分為異步電動機和同步電動機。異步電動機調速系統更為簡單，可靠性更好，而且成本低廉，被廣泛使用。同步電動機調速精度高，低速特性好，但是結構復雜，成本高，一般用于調速精度要求高、特大功率的場合。結合現場實際情況，本次改造中電動機選擇異步電動機。

（1）確定電動機額定轉速

式中：n為電動機實際轉速，r/min；D為滾筒直徑，m；Vm為最大運行速度，m/s；i為傳動比。

根據礦井提升機實際情況，滾筒直徑為3.5 m，最大運行速度Vm為6.0 m/s，傳動比為20，則電動機額定轉速n為655 r/min。

（2）電機功率確定

式中：K為阻力系數，礦井提升機運行時，K=1.15；Q為礦井提升機最大載荷，取60×106N；η為減速器傳動效率，0.95；ρ為動力系數，取1.15。

將以上參數帶入公式（2），Pe=501 kW，考慮到120%的安全系數，Pe=601 kW，確定電動機轉速要求為655 r/min，電機功率601 kW。

因此，電動機選擇Y700-8/1180 交流高壓異步電動機，功率700 kW，額定電壓10 kV，轉速為655 r/min，額定電流57 A。

（3）電動機過載能力校核

對于初選的電動機需進行過載能力校驗。

電動機額定輸出力：

電動機過載能力校核：

式中：Fe'為電動機額定輸出力，kN；F'max為電動機最大提升力，取184.9 kN；λ為電動機過載能力，取2。

由公式（4）得出，采用Y700-8/1180 交流高壓異步電動機過載能力完全滿足礦井提升機運行要求。

1.2 主控系統（PLC）選擇

西門子的S7 系列PLC 具有數字量、模擬量、高速計數等數據采集及處理功能。研究選用S7-1500 PLC 作為電控系統的核心器件，它主要由電源模塊、CPU、高速計數、模擬量I/O、開關量I/O 等模塊組成。兩套PLC 系統配置相同，PLC 硬件配置如圖1。

圖1 PLC 硬件配置圖

1.3 變頻調速系統改造

（1）變頻器選擇

變頻器作為電控系統升級改造中的重要部分，要求精度高，調速性能好。根據該礦系統升級改造方案，綜合設備穩定性、實用性、操作簡單、維護方便等因素，最終選擇中信重工CHIC1000 系列變頻器。

變頻器容量計算如下：

式中：P0為變頻器容量，kW；Pm為電動機額定功率，kW；η為電動機效率；k為電動機過載系數，取1.05；cosφ為電動機功率系數。

本次設計中異步電機效率為0.95，功率系數為0.94，將電動機參數代入公式（5），得到變頻器容量為：

通過計算，變頻器應選擇1000 kW 容量的機型，為此選擇CHIC1000-10/10-1000AH 型變頻器。

（2）變頻調速實現

高壓變頻調速柜是該系統的調速設備，由移相整流變壓器、功率單元和控制單元組成，選用中信重工生產的CHIC1000 系列變頻器，高壓變頻器容量為1000 kW。高壓變頻器輸入電壓為10 kV，輸出電壓為10 kV，采用交-直-交變頻傳動電控系統。變頻柜結構如圖2。

圖2 變頻柜結構圖

對于10 kV 變頻器，每相9 個功率單元串聯，三相共有27 個功率單元。功率單元采用模塊化、通用化的設計理念，每個功率單元可以從機架上非常方便的抽出、移動和更換。單元與控制機之間為光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力。

1.4 安全回路改造

根據相關安全規程及礦井提升機安全運行要求，礦井提升機安全回路使用雙回路設計，即一路由PLC 程序構成軟安全回路，另一路為電氣原件構成電氣安全回路。礦井提升機電氣安全回路是指在礦井提升機各關鍵部件中都裝一個電氣安全保護裝置，并把所有的電氣安全保護裝置串聯起來共同控制一個安全繼電器，只有所有電氣安全保護裝置都在接通的情況下，安全繼電器吸合，礦井提升機才能得到允許運行信號。安全回路如圖3。

圖3 安全回路圖

通過將上過卷、下過卷、正向開車、反向開車、復位、閘零位、急停、運行方式、變頻器故障、速度閘柄零位及主副PLC 程序等串聯在一起，共同構成礦井提升機安全回路，保證設備運行安全。

2 現場應用效果分析

2.1 運行速度分析

改造后提升系統運行過程中的速度曲線如圖4。礦井提升機整個運行過程共計持續83 s，整個加速過程持續17 s 左右，便達到了礦井提升機最大速度6 m/s，且能保持該速度平穩運行30 s，減速過程持續20 s，爬行階段持續15 s，運行速度為0.4 m/s。改造后的速度圖各階段運行特性與設計相近，各階段運行速度滿足系統要求，且運行平穩，加減速曲線過渡平滑，符合生產安全的要求。

圖4 提升機運行過程中速度曲線

2.2 能耗分析

礦井提升機電控系統改造前后電流變化對比情況如圖5。礦井提升機在運行過程中電流發生了明顯的改變，在電機啟動和停止時電流明顯降低，減小了對系統內部各元件的沖擊，延長設備使用壽命，降低了設備故障率，節約了設備損耗和用電成本。改造前礦井提升機啟動一次平均能耗為142.8 kW·h，改造后啟動一次平均能耗為128.6 kW·h，改造后僅礦井提升機啟動一次能耗就降低了9.9%。

圖5 電控系統改造前后電流變化情況

3 結論

針對馬蘭礦提升機電控系統改造需要，對電控系統關鍵硬件設備進行改造研究。系統改造后，電動機確定為Y700-8/1180 交流高壓異步電動機，主控系統選取西門子S7-1500 系列PLC，變頻器選擇CHIC1000-10/10-1000AH 變頻器，安全回路采用PLC 程序與電氣原件共同構成。通過現場應用，各階段運行速度平穩，曲線過渡平滑，提升機啟動一次能耗降低達9.9%，有效解決了馬蘭礦提升機電控系統存在的問題。