副井提升機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

來(lái) 春

（山煤國(guó)際能源股份有限公司煤業(yè)分公司， 山西 太原 030006）

引言

提升機(jī)為煤礦生產(chǎn)的主要運(yùn)輸設(shè)備，主要應(yīng)用于立井的生產(chǎn)中。提升機(jī)以多繩摩擦式提升機(jī)為主，傳統(tǒng)提升機(jī)通過(guò)對(duì)主發(fā)電機(jī)電壓的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，存在故障率高、線路老化嚴(yán)重、耗電量大、維護(hù)成本和工作量大等問(wèn)題，無(wú)法與當(dāng)前礦井高效、安全、現(xiàn)代化、數(shù)字化發(fā)展的需求相適應(yīng)。本著高可靠性、高運(yùn)輸能力、高節(jié)能效果的原則，將提升機(jī)傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)改造為直流電控調(diào)速系統(tǒng)[1]。本文重點(diǎn)對(duì)副井提升機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的要求

礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要包括深度指示器、直流調(diào)速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)回路和監(jiān)控系統(tǒng)等部分。提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體上必須遵循高可靠性、高控制精度的需求，這樣才能夠適應(yīng)數(shù)字化、自動(dòng)化、現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)需求。

提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)需滿足最基礎(chǔ)也是最根本的四象限運(yùn)行要求和調(diào)速要求。

1.1 四象限運(yùn)行要求

提升機(jī)運(yùn)行需依據(jù)的給定速度運(yùn)行，如圖1 所示，速度的正負(fù)值分別代表提升的下放和上升的兩種狀態(tài)。通常情況下，提升機(jī)有四種運(yùn)行工況，分別為：重物上提，靜載量較大；重物上提，靜載量減小；重物下放，靜載量較小；重物下放，靜載量較大。也就是說(shuō)，提升機(jī)電機(jī)需根據(jù)運(yùn)行需求分別處于電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)。

圖1 提升機(jī)速度給定圖

1.2 調(diào)速要求

在實(shí)際生產(chǎn)中，提升機(jī)除了運(yùn)行工況不同外，針對(duì)不同的運(yùn)輸對(duì)象也需對(duì)提升機(jī)速度進(jìn)行平滑控制。比如，當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行物料時(shí)一般以額定速度運(yùn)行。當(dāng)提升機(jī)運(yùn)輸作業(yè)人員時(shí)速度一般小于額定速度。檢查運(yùn)行工況時(shí)，提升機(jī)速度一般控制在0.3～1 m/s。當(dāng)處于低速爬行階段時(shí)，提升機(jī)速度一般控制在0.1～0.5 m/s。

平滑調(diào)速的量化指標(biāo)為保證提升機(jī)在不同負(fù)載狀態(tài)切換時(shí)，距離小于提升高度的1%。

根據(jù)提升機(jī)調(diào)速要求和四象限運(yùn)行要求，采用復(fù)合控制方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)速度的控制。所謂復(fù)合控制方案，就是指在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加前饋校正環(huán)節(jié)。從理論上講，采用復(fù)合控制方案對(duì)提升機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整控制，能夠保證調(diào)速控制系統(tǒng)的跟隨性，以及更高的抗干擾能力，能夠在很大程度上消除速度誤差。同時(shí)，基于復(fù)合控制方案還能夠解決提升容器下墜的問(wèn)題，保證了提升系統(tǒng)的安全性[2]。

2 副井提升機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 直流調(diào)速系統(tǒng)概述

基于全數(shù)控晶閘管整流裝置的直流調(diào)速系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）基于DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置，可獨(dú)立完成各類參數(shù)的設(shè)定。

2）針對(duì)控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量既可采用數(shù)字量，也可采用模擬量。

3）具備對(duì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示，對(duì)故障進(jìn)行報(bào)警、診斷和定位。

4）采用適當(dāng)?shù)耐ㄐ叛b置，可實(shí)現(xiàn)調(diào)速裝置與DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置之間的通信，即可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC 可編程邏輯控制器之間的實(shí)時(shí)通信[3]。

2.2 DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置的性能，可保證調(diào)速系統(tǒng)可控制提升機(jī)滿足四象限運(yùn)行的要求。

根據(jù)提升機(jī)不同工況下的速度、電流以及力矩的曲線圖，在最嚴(yán)峻的工況下確定提升機(jī)整流與變壓器的參數(shù)，且提升機(jī)在下放工況下對(duì)應(yīng)的負(fù)載、力矩值最大。結(jié)合副井提升機(jī)的運(yùn)輸需求，其下放工況對(duì)應(yīng)的速度及其相匹配的電流、力矩的曲線圖，如圖2 所示。

圖2 提升機(jī)下放工況對(duì)應(yīng)的速度、電流以及力矩曲線圖

結(jié)合圖2 給出的電流曲線，計(jì)算得出提升機(jī)變壓器一次側(cè)額定電流為812 A，經(jīng)換算得出變壓器的額定容量如下：SB= 3√ ×812A×0.4 kV=562 kVA。

結(jié)合變壓器的額定容量，完成電樞整流裝置和勵(lì)磁整流裝置的選型，配套整流裝置選型型號(hào)及參數(shù)如表1 所示。

表1 配套整流裝置的選型

2.3 直流調(diào)速系統(tǒng)的速度給定和反饋

速度給定指的是按照提前設(shè)定的速度運(yùn)行，速度給定曲線如圖1 所示。反饋指的是對(duì)提升機(jī)的運(yùn)輸對(duì)象、運(yùn)行工況等參數(shù)進(jìn)行采集。根據(jù)采集到的參數(shù)和提前給定的速度值對(duì)提升機(jī)的提升或下放速度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制[4]。直流調(diào)速系統(tǒng)主要是對(duì)勵(lì)磁電流、電樞電流和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制。

2.3.1 勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制

勵(lì)磁電流采用閉環(huán)控制的PI 控制理論實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)給定的電流階躍信號(hào)和系統(tǒng)的響應(yīng)狀態(tài)，為保證勵(lì)磁電流的平滑性和響應(yīng)速度，該項(xiàng)環(huán)節(jié)中PI控制器中對(duì)應(yīng)的Kp值為300，Ki值為200。

2.3.2 電樞電流的閉環(huán)控制

同樣，電樞電流采用閉環(huán)控制的PI 控制理論完成，結(jié)合電流響應(yīng)曲線對(duì)其中的Kp和Ki值進(jìn)行調(diào)整，在保證超調(diào)量和換向速度的要求下，最終確定的Kp值為388，Ki值為1000。

2.3.3 提升或下放速度的閉環(huán)控制

為保證提升機(jī)提升或下放速度的響應(yīng)特性，降低調(diào)速系統(tǒng)的超調(diào)量，在對(duì)各種工況長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，確保系統(tǒng)電流和速度均穩(wěn)定，最終確定速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的Kp值為13.8，Ki值為3800。

3 直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果

結(jié)合提升機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)需求，提升機(jī)每天的提升時(shí)間為14 h，其余10 h 處于空載運(yùn)行狀態(tài)。在直流調(diào)速系統(tǒng)的作用下，在空載運(yùn)行狀態(tài)可控制提升機(jī)以空載電流運(yùn)行，其空載電流為額定電流的20%。提升機(jī)電機(jī)的額定功率為550 kW，每年按照350 d 計(jì)算，則可得出在空載運(yùn)行工況下，可節(jié)約的電能為：550 kW×10 h×20%×350 d=385000 kW·h。

本直流調(diào)速系統(tǒng)中可去除傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的勵(lì)磁組件，勵(lì)磁組件的額定功率為185.5 kW，該項(xiàng)可節(jié)約的電能為：185.5 kW×24 h×350 d=155400 kW·h。

采用直流調(diào)速系統(tǒng)每年可節(jié)約電量為385000 kW·h+155400kW·h=540400kW·h。按照0.5 元/kW·h計(jì)算，則每年可節(jié)約電費(fèi)270200 元，約27 萬(wàn)元。

此外，采用直流調(diào)速系統(tǒng)后，很多設(shè)備均可拆除，同時(shí)減少了相應(yīng)的維修費(fèi)用。經(jīng)核算，每年可節(jié)約維修費(fèi)用約30 萬(wàn)元。

綜上，采用直流調(diào)速系統(tǒng)后，每年可節(jié)約費(fèi)用約57 萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

1）勵(lì)磁電流閉環(huán)控制的Kp值為300，Ki值為200。電樞電流閉環(huán)控制的Kp值為388，Ki值為1000。速度閉環(huán)控制的Kp值為13.8，Ki值為3800。

2）直流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)后，每年可節(jié)約成本約57 萬(wàn)元。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用減輕了勞動(dòng)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升了提升機(jī)的運(yùn)行的可靠性和安全性。