摘要：礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，擔(dān)負(fù)著礦山的礦石、廢石、設(shè)備、材料、人員等的提升、下放任務(wù)。本文重點(diǎn)介紹了阿爾法變頻器在斜井提升機(jī)上的改造和應(yīng)用方案，以及效果分析。

 一、概述

    礦井提升有豎井提升和斜井提升，礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，被喻為礦山的“咽喉”。它擔(dān)負(fù)著礦山的礦石、廢石、設(shè)備、材料、人員等的提升、下放任務(wù)。在礦山生產(chǎn)中占有非常重要的地位。

    某集團(tuán)公司3-2礦體的斜井提升機(jī)，采用轉(zhuǎn)子繞組串電阻的傳統(tǒng)交流調(diào)速方式。該調(diào)速方式存在以下問題：第一，采用電磁式繼電器較多，故障判斷排除時(shí)間長。經(jīng)過長期運(yùn)行后故障率高，不僅修理成本高，而且影響出礦量；第二，提升控制自動(dòng)化程度低，運(yùn)行時(shí)噪聲大，提升機(jī)房溫度高，提升機(jī)司機(jī)容易疲勞，勞動(dòng)強(qiáng)度大；第三，在連續(xù)低速提升重物時(shí)，電阻發(fā)熱嚴(yán)重，經(jīng)常燒壞電阻連線，能耗大；第四，調(diào)速為有級(jí)調(diào)速，對(duì)鋼絲繩、減速機(jī)等的機(jī)械沖擊大。

二、改造方案和系統(tǒng)組成

    1改造方案

    采用變頻調(diào)速裝置、可編程序控制器、能量反饋單元、觸摸屏等組成交流調(diào)速系統(tǒng)，代替原有的串電阻調(diào)速系統(tǒng)。

    2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成原理框圖如圖1

變頻回路包括：刀開關(guān)、斷路器、變頻器、變頻器下端的接觸器、能量反饋單元。其中能量反饋單元組成一個(gè)柜。

控制回路:主要由主PLC控制、輔PLC控制、觸摸屏、繼電器輔助控制、操作臺(tái)構(gòu)成。其中主PLC控制和輔PLC控制互為主備，繼電器輔助控制、主、輔PLC控制安裝在同一個(gè)控制柜里，觸摸屏作為上位機(jī)安裝在操作臺(tái)上。編碼器作為位置和速度反饋信號(hào)，安裝在電機(jī)和卷筒上。其中安裝在電機(jī)上的測速編碼器信號(hào)反饋給變頻器，形成PG矢量控制。另一編碼器信號(hào)反饋給PLC作出速度和位置運(yùn)算。測速電機(jī)信號(hào)、油溫油壓信號(hào)及其它開關(guān)量信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)

三、工作原理

    1系統(tǒng)停止、手動(dòng)、自動(dòng)、下滑四種狀態(tài)下的功能

    停止：在該狀態(tài)下系統(tǒng)停止工作，所有操作均不能進(jìn)行，絞車處于閘瓦制動(dòng)狀態(tài);

    手動(dòng)：在該狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)滿足安全操作的前提下，根據(jù)儀表及觸摸屏顯示的參數(shù)，通過主令控制器對(duì)絞車進(jìn)行上行、下行正常手動(dòng)操作。

    自動(dòng)：在該狀態(tài)下，由上行、下行按鈕自動(dòng)完成上行、下行的全部過程，當(dāng)行至中途時(shí)，可通過停止按鈕人工干預(yù)停止，通過上行、下行按鈕可再次啟動(dòng)。

    下滑：在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障不能正常進(jìn)行上行、下行操作時(shí)，應(yīng)將功能開關(guān)轉(zhuǎn)換到該位置，通過主令控制器將絞車下滑到所確定的位置。

    通過雙PLC數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的絞車雙線制保護(hù)及控制。絞車雙線制保護(hù)及控制具有以下特點(diǎn):

    (1)調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度不低于0.05%.

    (2)雙線制保護(hù)：采用一條硬件安全電路和2條軟件安全電路相互冗余，使得系統(tǒng)更加安全可靠。

    (3)雙線制控制：正常工作時(shí)，由于采用雙PLC系統(tǒng)相互監(jiān)視，相互冗余。當(dāng)其中一個(gè)PLC系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)PLC系統(tǒng)仍可投入進(jìn)行應(yīng)急開車，提高了絞車系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

    2保護(hù)及連鎖功能

    2.1安全制動(dòng)時(shí)，配合液壓站安全閥使提升機(jī)實(shí)現(xiàn)一級(jí)或二級(jí)制動(dòng)，同時(shí)變頻器進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)。

    2.2任何情況下，只有司機(jī)接到開車信號(hào)后才能使提升機(jī)運(yùn)行。

    2.3當(dāng)提升過程中發(fā)生潤滑油壓力過高、過低、潤滑油濾油器或液壓站濾油器堵塞或油溫高時(shí)，觸摸屏上有相應(yīng)的故障信息顯示，點(diǎn)亮相應(yīng)信息燈，告知司機(jī)可以完成本次提升工作，當(dāng)故障解除后才允許司機(jī)進(jìn)行下一次提升工作。

    2.4當(dāng)提升機(jī)因發(fā)生故障在中途停車，而且提升容器位于減速段行程內(nèi)時(shí)，排除故障后允許司機(jī)按上次開車方向選擇開車，并且只能低速開車：若提升容器不在減速行程內(nèi)，由井口發(fā)出開車信號(hào)，允許司機(jī)高速開車。

    2.5全礦停電時(shí)，由PLC系統(tǒng)保證提升機(jī)能實(shí)現(xiàn)二級(jí)制動(dòng)，并做好提升機(jī)的后備保護(hù)。

    2.6盤式制動(dòng)器的工作制動(dòng)力矩可調(diào).緊急制動(dòng)(安全制動(dòng))能產(chǎn)生二級(jí)制動(dòng)，避免機(jī)械沖擊。

    3行程控制功能

行程控制是由PLC系統(tǒng)完成，主要將提升機(jī)的升降過程劃分成不同提升速度要求的行程區(qū)間。根據(jù)每一行程區(qū)間的實(shí)際情況和不同速度要求變換變頻器的速度給定值，并形成閉環(huán)平滑地調(diào)節(jié)提升機(jī)的升降速度:行程控制不僅控制提升機(jī)整個(gè)升降行程過程的速度，而且控制提升機(jī)的停車和制動(dòng)過程。行程控制可以很好地防止提升機(jī)過卷、過放、脫軌和翻車等事故發(fā)生，特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

    4制動(dòng)控制功能

    提升機(jī)的正常制動(dòng)有回饋制動(dòng)、抱閘制動(dòng)等方式、回饋制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是在交一直一交電壓型變頻器的直流環(huán)節(jié)引入逆變環(huán)節(jié)。當(dāng)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度高于給定運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí)，電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī)，直流環(huán)節(jié)電壓升高，給逆變器提供能量并回饋電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行在制動(dòng)狀

態(tài)。以達(dá)到變頻器準(zhǔn)確停車的目的，很好地防止機(jī)械沖擊和快速下滑。抱閘制動(dòng)一般在停車時(shí)使用，當(dāng)運(yùn)行到停車位時(shí)，行程控制器對(duì)變頻器發(fā)出停車信號(hào)，同時(shí)，對(duì)抱閘制動(dòng)器發(fā)出抱閘控制信號(hào)，實(shí)施抱閘制動(dòng)。當(dāng)發(fā)生脫軌等事故時(shí)，操作控制實(shí)行緊急抱閘制動(dòng)。

本系統(tǒng)采用的回饋制動(dòng)方式，在制動(dòng)過程中，提升機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，并且將制動(dòng)能量回饋到網(wǎng)，有一定的節(jié)能效果。ALPHA6900制動(dòng)時(shí)序如下圖

 5主要器件功能

5.1可編程序控制器功能

系統(tǒng)除緊急保護(hù)功能外的所有控制均由可編程序控制器((PLC完成。系統(tǒng)配置的可編程序控制器，采用能適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強(qiáng)；具備兩個(gè)可同時(shí)使用的通訊端口(編程器端口和通用端口)，通過與液晶觸摸屏的通訊，可直觀方便地顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、運(yùn)

行參數(shù)、可顯示全部開關(guān)元件的狀態(tài)及各種故障、報(bào)警信息；接收系統(tǒng)配置的電壓變送器、電流變送器、編碼器等傳來的信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算、處理后，對(duì)絞車進(jìn)行控制、監(jiān)視、保護(hù)。在緊急制動(dòng)時(shí)(安全制動(dòng))，由可編程序控制器控制盤形閘產(chǎn)生二級(jí)制動(dòng)，避免機(jī)械沖擊。簡化系統(tǒng)可編程序控制器控制流程圖，如圖2。

    5.2變頻器功能

變頻器接收旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的速度反饋信號(hào)，形成PG矢量控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。本系統(tǒng)配置阿爾法ALPHA6900系列變頻器及能量回饋單元,

■一體化方案：采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與起重邏輯控制有機(jī)結(jié)合的方式，省去了原系統(tǒng)中的PLC，減少潛在故障點(diǎn)，簡化系統(tǒng)接線、調(diào)試簡單靈活，代表未來起重機(jī)控制的發(fā)展方向；

■寬電壓設(shè)計(jì)更能滿足惡劣的電源環(huán)境

■起重機(jī)專業(yè)邏輯設(shè)計(jì)：集多年起重機(jī)行業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了專家級(jí)、廣泛應(yīng)用的起升機(jī)構(gòu)的控制和安全邏輯，包括時(shí)序配合、防溜鉤、等功能，為配套客戶提供完美的解決方案；

■在采礦、冶金、筑路行業(yè)的上料系統(tǒng)有專門的定長設(shè)計(jì)，使控制更安全可靠。精確的力矩控制:失速防止功能、故障復(fù)位再試功能;加裝應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器ALPHA6900可實(shí)現(xiàn)全頻域磁通電流矢量控制，在0.5Hz使電機(jī)保持150%輸出轉(zhuǎn)矩。

主要技術(shù)原理

　　(1)采用全數(shù)字速度傳感器閉環(huán)矢量控制，使系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高。變頻器在低頻運(yùn)行時(shí)，也保證有150％以上額定力矩輸出。最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，矢量控制實(shí)現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵(lì)磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時(shí)控制兩分量問的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)態(tài)性能。

PLC控制流程如圖2示。

5.3能量回饅單元

    主要作用是提高變頻器的制動(dòng)能力，并將絞車下放重物的制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能的目的

    5.4操作臺(tái)的主要功能

    操作臺(tái)裝有手動(dòng)操作的主令控制器.可手動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力和絞車運(yùn)行速度.并配有手動(dòng)和腳踏緊急制動(dòng)開關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)快速制動(dòng)

    5.5液晶觸摸屏的功能

    通過與可編程序控制器的通訊直觀顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)‘如顯示絞車運(yùn)行速度、提升容器位置、電動(dòng)機(jī)電流和電壓等)，可顯示全部開關(guān)元件的狀態(tài)及各種故障、報(bào)警倍息;可修改可編程序控制器改內(nèi)部參數(shù)設(shè)置(需有相應(yīng)權(quán)陽:具有密碼保護(hù)功能可根據(jù)權(quán)限設(shè)置、修改操作員密碼.不同安全等級(jí)的操作員具有不同的操作權(quán)限

四、系統(tǒng)配置

    1變頻器選擇

    變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)為:JR 127- 8 115k W

    額定電壓:380V

    碩定電流:227A

    根據(jù):變頻器額定輸出電流≥電動(dòng)機(jī)數(shù)定電流×1.1的原則

      227×1.1=249.7A

    查阿爾法ALPHA6900系列變頻器樣本:

    容量132kVA的額定輸出電流為:255A

    容量160k VA的額定輸出電流為:302A

    綜合考慮坑下環(huán)境和運(yùn)輸條件，最終選擇變頻器容量為I60kVA

    型號(hào)：ALPHA6900-3160G

    2可編程序控制器選擇

    綜合考慮上過卷、下過卷、手動(dòng)上行、手動(dòng)下行、自動(dòng)上行、自動(dòng)下行、正常停車、緊急停車、安全回路、液壓站控制、盤形閘控制、各工作指示燈、報(bào)份指示燈等.以及各工況之間的互相連鎖控制.并考慮一定的冗余。最終選擇可編程序控制器為三菱品牌,點(diǎn)數(shù)為48點(diǎn)。

    型號(hào): FX2N-48M-001

    3能量回饅單元選擇

3.1制動(dòng)電壓選擇

    制動(dòng)電壓選擇過低.當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，會(huì)造成制動(dòng)單元誤動(dòng)作。而制動(dòng)電壓選擇過高，對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅對(duì)380V系統(tǒng)，制動(dòng)電壓一般選700V。

    3.2制動(dòng)電流選擇

    制動(dòng)電流是指制動(dòng)時(shí)流過制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元的直流電流。

    選擇依據(jù)：制動(dòng)必須完全吸收電機(jī)的再生電能

    制動(dòng)吸收功率(U×I)=電機(jī)再生電能(瓦)=1000×P×η

    P____電機(jī)額定功率(kW)

    U____制動(dòng)單元直流工作點(diǎn)，通常取700V

    I____ 制動(dòng)電流(A)

    η____回饋時(shí)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率，通常取η=0.7

    計(jì)算得:I=115

    3.3功率選擇

    電機(jī)再生電能必須被吸收并回饋電網(wǎng)

    P_R=P×Kf×η×ε

    P_{R————}回饋單元功率(Kw)

η____回饋時(shí)機(jī)械能的轉(zhuǎn)換效率，通常取η=0.7

    ε____制動(dòng)功耗安全系數(shù).取ε =1.4

    Kf____制動(dòng)頻率，指再生過程占整個(gè)電機(jī)工作的時(shí)間比例

    查相關(guān)資料Kf取60%

    計(jì)算得P_R =67.62 kW

    選取回饋單元功率70 kW

五、改造收益

    1運(yùn)行效果

    系統(tǒng)投入運(yùn)行后，絞車操作方便、運(yùn)行平穩(wěn)，絞車控制室的環(huán)境溫度、噪音得到極大改善。為操作工提供了良好的工作環(huán)境

    2節(jié)能效果

    2008年1-5月份提升單耗為2.92度/t.，2009年1-5月份提升單耗為1.66度/t，單耗降低1.26 度/t，單耗下降率43.15%, 2008年提升礦石132334噸，節(jié)電16.67萬度，綜合電價(jià)按0.528元/度計(jì)算，年少支出電費(fèi)8.804萬元。

六、總結(jié)

總之，變頻調(diào)速系統(tǒng)在井下提升機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以很好地解決調(diào)速和啟動(dòng)等問題，實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)、軟停車，減少了機(jī)械沖擊使運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠；起動(dòng)及加速換擋時(shí)沖擊電流很小，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;運(yùn)行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感；安全保護(hù)功能齊全.除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護(hù)外，還設(shè)有聯(lián)鎖保護(hù)、自動(dòng)限速保護(hù)等，在坑下斜并絞車推廣用變頻調(diào)速系統(tǒng)代替串電阻調(diào)速系統(tǒng)，是提高礦山坑下斜井絞車技術(shù)含量，并且開辟節(jié)能挖潛的一條新途徑。