智慧礦山背景下提升機變頻運行改造實踐研究
——以扎煤公司靈北礦為例

格日樂 卜桂玲

(呼倫貝爾學院 內蒙古 海拉爾 021008;內蒙古自治區高校礦產資源安全開采與綜合利用工程研究中心 內蒙古 海拉爾 021008)

在“中國制造2025”戰略背景下，智能開采和智慧礦山，將是我國煤炭行業綠色、安全和高效發展的必然之路，是煤炭企業高質量發展的核心技術。[1][2]煤炭是我國主要能源之一，呼倫貝爾地區大部分煤礦企業屬于井工礦。近年來，隨著淺層煤炭資源的減少，深層開采成為主要的開采模式，隨著智能化礦山建設的開展，促進煤礦企業的良好發展態勢。礦山運輸與提升機械是典型的低速重載設備，是礦井中的重要設備之一，工作機械安裝于地面，通過鋼絲繩、提升容器、電動機等，將井下和地面聯系在一起，用于運輸礦物、設備和工作人員。作為煤礦企業生產中的關鍵設備，針對工作環境復雜、工作任務繁重、并涉及井下工作人員、設施的安全運輸問題，提升機是否平穩運行與煤礦企業的正常生產密切相關。以目前使用的JK-2/20型主提升機為例，提升機的整個電控系統容易因水沙充填而廢。因此，改善提升機的控制系統，提高其工作可靠性的工作迫在眉睫。

近年來，變頻調速由于具有節能、低噪、無級調速、運行平穩、延長機器的使用壽命等特點，被廣泛應用。研究將緊緊圍繞地區礦井生產發展需要，本著安全、合理、經濟、可靠的原則，立足于現有設備，借助智慧礦山建設契機，依托科技進步，吸收、消化、國內外先進技術，實踐研究在礦井不停產的情況下，結合生產實踐，對提升機的主要環節是進行技術改造工作，使井下提升機械做到優化配置和合理匹配的目的，滿足礦井各個生產時期的提升需要，促進高產高效智慧礦井的發展需求。[3][4][5]通過對扎賚諾爾煤業公司靈北煤礦的提升系統引進變頻調速技術情況進行實踐研究，并對技術的可行性、實踐性及使用后所得效果進行分析研究。

1 傳統提升機械問題分析

隨著煤礦企業的快速發展，對機械采煤、運煤的要求也逐步提高，運輸與提升系統是井工礦企業采煤過程中的重要機械部分，發達國家尤其重視煤礦井下采用直流式交流變頻裝置的采用及更新。計算機控制系統的應用可以及時診斷提升機的工作情況、安全情況，并提升系統的自我保護功能。據扎賚諾爾煤業公司靈北煤礦的生產現場數據分析，傳統TKD系列電控系統的結構復雜、環節多、能耗高、維護量大的缺點。針對以上的情況，選用優質的變頻器來控制提升機工作運行，大大提高了設備的動作的安全性與可靠性，有利于煤礦企業經濟效益的提高。

傳統的扎賚諾爾煤業公司靈北煤礦十二號主井提升機為JK-2/20型，拖動電動機為高壓6000 V、220 KW繞線式異步電動機，電控部分采用TKD系列電控系統，礦井提升總斜長810 m，巷道傾角16°。曾因故障停止運行，造成較大的經濟損失。由于，礦井生產的需要，急需恢復提升機的正常運行狀態。因此，提出對該提升機進行變頻運行改造的建議，同時從可行性、安全性等方面進行論證，開展具體的改造設計，并投入使用，并對其改造實效進行評估分析。

2 變頻調速在礦井提升機中運用的可行性分析

變頻器是實現提升機變頻調速的關鍵設施，其工作原理是：將輸入的正常電壓，根據設備實際使用需要，輸出不同值的電壓，提供給電動機使用，實現對電動機轉速的調整與控制。提升在工作過程中的速度呈現：加速階段-勻速運行階段-減速階段-停止四個階段，每個階段的速度要求不一，與其他機械設備相比，對變頻器的性能要求及安全要求更高。提升的運動情況又分為以下四種情況：(1)隨著運行速度的降低，運行時間也隨之縮短；(2)兩臺提升機向相反方向運行，此時，因改變運行方向，也就改變了電動機的運動形式；(3)提升機在不同的運動形式的改變，將產生一定的能源消耗，這類情況在提升機的上升和下降過程中尤為明顯。提升機在長升的過程中所產生的能耗是最大的，主要消耗于克服重力與摩擦力，相對而言，下降時能耗會有所減少，這是因為無需克服重力，只克服摩擦力的影響；(4)動態性的變化。應用變頻技術的目的，是以原有提升機的運行狀態為基礎狀態，結合提升機的運行狀態向其輸送能源，以達到提高提升機運行的平穩性、安全性和經濟性。[6]因此，選擇合適的變頻器對于提升機的安全、穩定工作尤為重要。

2.1 技術可行性分析

提升機對驅動設備的要求是：勻加、減速，低速時就具有較高的轉矩。目前，變頻器的種類很多，但適用于礦井提升機這種工況環境復雜、變頻能力要求高的變頻器，應該具有全頻域磁通電流矢量控制的特點。這種變頻器是根據現代控制理論，采用磁通檢測和神經網絡控制技術，直接控制電動機轉矩所得。在低速運行狀態下可提供高啟動轉矩，當增加PG控制時，可實現零速高轉矩控制，而且更容易實現勻加、減速等問題。[7]因此，改造提升機控制系統，選擇變頻器控制，變頻器的選擇依據是提升機的負載情況，提升機工作時要求恒轉矩負載，所以欲使提升機按工作指令能夠升降，變頻器需要低頻轉矩提升功能才能驅動電動機輸出充足的力矩。常規生產工作情況下，提升機所需要承載的物品和人員都比較多。因此，在提升機工作過程中，電動機需要輸出較大的作用力才能驅動提升機的正常運行。此時，電動機所承受的負載就會很大，容易對電動機造成過載損壞。通過分析，選用CIMR-G5A4220型變頻器，采用矢量控制技術，將轉矩和定子磁通作為控制變量，對于負載出現的瞬時掉電和負載變化情況等，能夠快速做出響應，為整個控制系統的運行穩定性及控制精度等提供良好的保障。同時通過磁通制動，對其提升機進行緊急制動指令，保障提升設備的運行安全。

2.2 經濟性分析

提升機在工作過程中，需要持續的能源輸入，而恒定的能源輸入狀態會造成較高的能源消耗，如靈北煤礦十二號井目前采用的傳統控制系統的主電動機功率為400 KW左右的提升機電控設備，而且此設備僅用于控制屏、動力制動屏、接觸器屏三部分，設備價值高達60萬元。采用變頻調速控制方案，所需設備費用僅需30萬元，且每年可節約的電費隨著工作量的不同逐年增加，可達到幾十萬元。采用可向電源反饋電能的變頻系統，其節電效果將更加顯著。

傳統提升機的功率因數為0.7-0.8，應用變頻技術后，功率因數可提升至0.9。功率因數的提高，可用同等的能源，實現更多次的運行工作，實現節約能源的目的，逐步實現智能化、節約化的智慧礦山建設目標。

2.3 安全性分析

一般變頻器都有一個較突出的弱點，就是一旦遇到外部沖擊(如電壓、電流、負荷等發生突變狀況)即出現逆變失敗現象(失電)。這是礦井提升機運行時最忌諱的問題。研究采用向電源反饋電能的變頻系統，可有效避免此類問題。而且，在控制系統中再采取一些變頻調速系統等工作制動、安全制動設施，實現適時聯動等有效的控制措施，安全問題將會得到很好的解決。

綜上所述，變頻調速在礦井提升機中不但可以運用，而且其優點非常突出。與傳統的控制系統相比，變頻調速系統，具有運行平穩、改善運行狀態、提高設備的使用壽命、系統趨于無維修、低噪，節能效果顯著。因此，建議在提升機的設計過程和舊設備改造工作(維修)時優先采用變頻調整運行控制系統。

2.4 采用變頻器的關鍵技術參數

充分考慮煤礦企業生產特點及地區位置因素等，在改造傳統的提升機控制系統過程中，選用安川電機株式會社的CIMR-G5A4220型變頻器，該變頻器具有良好的性能，完全能夠滿足提升機控制系統的改造需求，變頻器的關鍵技術參數如表1：

表1 CIMR-G5A4220型變頻器的關鍵技術參數

CIMR-G5A4220型變頻器制動力矩約為20%，并具有瞬停再啟動、PID控制、下垂控制、速度搜索、過力矩限制、多段速度運行、加/減速時間選擇等功能。過負載、過電壓、低電壓保護，瞬時停電補償及熱繼電器保護裝置，既保證了控制系統的安全穩定性，也可保障提升機械的安全運行。

3 主井提升機變頻運行改造設計

此次礦井提升機電控部分改造，基于智慧礦山建設理念，改變傳統的提升機驅動電機的加減速，電氣制動控制模式，利用先進的電機矢量控制技術，實現電動機的變頻控制，使提升機的運行性能更加穩定、安全，同時為礦井提升機的節能改造提供一條新的途徑。需進行改造的電氣線路包括主電路系統、輔助電路系統和控制電路系統三大部分組成。

3.1 主電路

主電路系統由高壓開關、變壓器、線路接觸器、變頻器、隔離開關、電動機組成。高壓開關為BGP3-6型，作為線路總控制開關，具有過載、短路、失壓等保護。KSJ-320型變壓器為變頻器提供低壓電源。開關為600A交流接觸器作為變壓器輸出的電源開關，主要起隔離開關的作用，出現緊急情況時也可以切斷低壓線路電源。變頻器的輸出側設置一組手動隔離開關，其作用是在調試變頻器、檢修控制線路時斷開電動機電源，即在提升機不運行的情況下調試控制電路時使用，防止出現誤操作使提升機運行，造成事故。改造實踐證明，這種設計非常實用。

3.2 輔助電路

輔助電路由主、備制動油泵電機及相關交流接觸器組成，低壓電源由50KVA變壓器提供。

3.3 控制電路

根據提升機的運行要求，結合變頻器的外部端子功能，同時考慮控制回路盡可能簡單、可靠的要求，設計了控制電路，控制電路包括以下八個部分。

3.3.1 安全回路

提升機控制系統的安全回路，可實現對提升機故障的監測，并對產生的故障進行分析，對發生故障的部位進行處理等工作。通過變頻控制的安全回路，會實時監控提升機的運行過程，一旦發生過卷、超速、運行方向錯誤等問題，系統將立即發出報警提示。

本設計中，安全回路由主令控制器零位，制動手柄零位，等速過速繼電器接點、制動油壓繼電器接點，過卷開關，閘瓦磨損開關，變頻器故障中間繼電器接點，松繩保護器及接觸器組成。安全回路的設計完全按照《煤礦安全規程》的要求進行。當上述任一環節出現故障時，安全閥電磁鐵動作實現緊急安全制動，同時斷開變頻器運行接觸器回路，變頻器減速運行，使提升機在減停車的狀態下制動，保證制動的可靠性。

3.3.2 信號回路

信號回路由減速信號鈴、提升信號繼電器組成。提升信號繼電器的一個接點接在變頻器運行接觸器回路，只有當把鉤工發出運行信號時才允許變頻器運行。另外，當制動油過熱時的常閉接點斷開，不允許變頻器運行(即提升機運行)提升機司機也接不到運行信號。

3.3.3 線路主接觸器、變頻器運行接觸器回路

線路接觸器是變頻器電源的控制開關吸合時變頻器接通電源，出現緊急情況時也可以斷開(作為斷路器)電源。接點分別接于變頻器的兩端連接口，控制提升機的運行方向即上提或下放，并相互閉鎖，提升動作由主令控制器控制。

3.3.4 頻率給定控制回路

頻率指令輸出接變頻器的兩個端子。主令控制器接點分別控制中間繼電器的動作，從而分段控制端子的輸入電壓值，使提升機在不同頻率段以不同的速度運行。深度指示器上的自動減速接點，自動減速時斷開，短接減速端子，使提升機按爬行速度運行，達到自動減速的目的。

3.3.5 制動單元、制動電路回路

制動單元、制動電阻是變頻器自帶附件，為電動機的發電制動運行及減速時提供能量泄放通道。接于變頻器不同的兩個端子，制動電阻為4.4Ω。

3.3.6 腳踏緊急制動回路

制動繼電器、故障復位繼電器分別接于變頻器的不同端子。緊急制動時，優先端子吸合，變頻器故障輸出至不同兩個端子，斷開中間繼電器，使安全回路制動。排除故障后開關閉合，使變頻器故障復位，復位后繼續運行。

3.3.7 可調閘回路與原控制系統相同

測速發電機回路只保留等速過速繼電器，在提升機出現等速過速時實現安全制動。

3.3.8 相關儀表及指示燈

司機操縱臺設變頻器電源電壓、電流，輸出頻率、電壓、電流、油泵工作指示，油過熱，過壓，變頻器工作指示等相關儀表及指示燈。

4 實施效果

實踐證明，應用CIMR-G5A系列變頻器對礦井提升機的傳統TKD系列電控系統進行改造是完全可行。(1)改造后的提升機電控系統簡單可靠，操作人員更便于操作；(2)提升機的起動、制動、調速性能均優于原系統，且運行噪音低，環境污染減小；(3)實現節約能源的目的：經測試，現提升機上提物料(8臺重車)的平均運行功率由原來的140 KW降低至86 KW，節約電能三分之一以上。下放重物時(8臺重車)220 KW電動機的運行電流平均只有1A；(4)克服原來礦井提升機采用的TDK系列電控系統存在的，系統結構復雜，環節多，日常維護工作量大、耗能高、運行性能不穩定等缺點，實現節能減排、運行平穩、便于維護和維修等建設目標。通過變頻改造完全可以實現礦用提升機的自主升級換代，為礦井提升機的節能、升級改造提供一條新的有效途徑。

5 結語

綜上所述，對煤礦提升機的控制系統進行變頻運行改造，使設備做到了合理匹配，提高了設備的技術含量和裝備水平，顯著提高提升機的運行穩定性，保證設備安全、可靠、經濟運行，使提升機的工作效率得到提升。因此，積極研究變頻技術改造，并將此項技術應用于煤礦提升機中，提高煤礦企業的生產效率，為高產高效礦井建設提供了可靠保證，為智慧礦山建設打下了良好的基礎。