一.引言

礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機的安全、可靠運行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。煤礦井下采好的煤通過斜井用提升機將礦車拖至地面。安裝在地面絞車房的絞車(提升機)，由電機經(jīng)減速器帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周掛上一列礦車，在電機的驅(qū)動下將礦車從地面放至井下或把礦車從井下拖至地面。這種拖動系統(tǒng)要求電機頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動，減速制動，而且電機的轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化。斜井提升機的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。斜井提升機驅(qū)動電機一般是繞線式異步電機，采用轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速。提升機的基本參數(shù)是:電機功率55kW，卷筒直徑Φ1200mm，減速器減速比24:1，鋼絲繩最高運行速度2.5m/s，鋼絲繩長度為120m。

 

圖1 提升機卷筒機械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井串車提升，傳統(tǒng)斜井提升機普遍采用交流繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動作頻繁，設(shè)備運行時間較長后，交流接觸器主觸頭易氧化發(fā)熱熔焊或接觸不良，引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的啟動﹑調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子電路所串的電阻上會產(chǎn)生相當大的功耗。這種交流繞線式異步電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，能耗大；啟動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行震動大，安全性較差。

改造方案

為克服傳統(tǒng)交流繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機，可以實現(xiàn)全頻率(0～50Hz)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機械制動需要保留，并在設(shè)計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調(diào)速方案如圖2所示。

 

 

圖2 礦井提升機變頻調(diào)速方案

考慮到繞線式電動機比鼠籠式電動機的力矩大，且過載能力強，所以仍用原來的4極55kW繞線式電機，在用變頻器驅(qū)動時需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。提升機在運行過程中，井下和井口必須用信號進行聯(lián)絡(luò)，信號未經(jīng)確認，提升機不能運行。為顯示運行時礦車的位置，使用E6B2-CW6Z 40P旋轉(zhuǎn)編碼器，即電機旋轉(zhuǎn)1圈旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生40個脈沖，這樣每兩個脈沖對應(yīng)車廂走過的距離為1200×π/(24×40)=3.927，約為3.9mm。如果采用6位計算器，設(shè)定單個脈計量值為3.9，沖則與實際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm，卷筒運行一圈誤差為0.027×40×24=25.29mm，已知鋼絲繩長度為120m，如果兩個脈沖對應(yīng)車廂走過的距離用近似值3.9mm計算，120m全程誤差為25.92×120000/1200π≈825mm。再考慮到實際檢測過程中有一個脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm～829mm之間，對于數(shù)十米長的車廂來說誤差范圍不到1m，精度足夠。因此，用計數(shù)器實時統(tǒng)計旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，則可計算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個問題是計數(shù)過程中有無累計誤差存在？實際檢測時，在一個提升過程開始前，首先將計數(shù)器復位，第一個重車廂經(jīng)過某個位置時，打開計數(shù)器計數(shù)，車廂在斜井中的位置以此點為基準計算，沒有累計誤差。在操作臺上，用8英寸觸摸屏顯示交流電壓和電機工作電流以及車廂的位置。

方案實施

斜井提升負載是典型的摩擦性負載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負載。重車上行時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負載轉(zhuǎn)矩，啟動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電機處于電動工作狀態(tài)位于第一象限；在重車減速時，雖然重車在斜井軌面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電機仍會處于再生工作狀態(tài)位于第二象限；當空車下行時，電機處于反向電動狀態(tài)位于第三象限；當重車下行時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)位于第四象限。另外，有占總運行時間10%的時間單獨運送工具或器材到井下時，電機純粹處于第二或第四象限，此時電機長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能；用回饋制動方式，可節(jié)省這部分電能，但回饋制動單元價格較高，投資較大，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。

提升機的負載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負載，啟動力矩較大，選用變頻器時適當?shù)亓粲杏嗔?，因此選用ACI V11-90kW變頻器。由于提升機電機絕大部分時間都處于電動狀態(tài)，僅在少數(shù)時間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實現(xiàn)平穩(wěn)的下行。地面絞車房還有一個液壓機械(盤式)制動器，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC和變頻器共同控制，機械制動是否打開，受變頻器控制，啟動時當變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩達到設(shè)定值時，變頻器TA、TB端口輸出開關(guān)信號，表示電機轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行；減速過程中，當變頻器的頻率下降到0.2Hz時，表示電機轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用，使提升機在盡量短的時間內(nèi)停車。

提升機傳統(tǒng)的操作方式為：操作工人坐在地面絞車房操作臺前，手握操縱桿控制電機正、反轉(zhuǎn)共三擋速度。為適應(yīng)操作工人這種操作方式，變頻器采用（無檔位）多段速調(diào)速方式。變頻調(diào)速原理圖如圖3所示。

 

 

 

圖3 變頻調(diào)速原理圖

節(jié)電率與投資回報分析　　

某煤礦使用的礦井提升機，原采用132KW三相異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，用交流接觸器進行速度切換，由于功率比較大，所以啟動換檔時沖擊電流大，中高速運行不平穩(wěn)，大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，造成能源的極大浪費。同時，由于接觸器電磁噪音大，工人的操作環(huán)境也極惡劣，急需進行改造。

由于變頻器具有軟啟動、大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點，因此該礦經(jīng)過多方考察，決定采用廣州ACI電氣有限公司生產(chǎn)的V11系列185KW變頻器對絞車系統(tǒng)進行變頻改造，經(jīng)過幾個月的運行，證明改造的效果比較理想，主要表現(xiàn)在：

1.實現(xiàn)了啟動時的軟啟動、軟停車，減輕了對電網(wǎng)的沖擊。

2.變頻器的頻率連續(xù)可調(diào)，使調(diào)速更加方便、可靠，運行更平穩(wěn)。

3.使用變頻器后省去原先的換檔接觸器及調(diào)速電阻，即節(jié)省了維修費用，又減少了停機維修時間，從而提高了產(chǎn)量。同時消除了接觸器電磁噪音，改善了操作環(huán)境，使工人避免在夏季調(diào)速電阻發(fā)熱造成的高溫條件下工作。

4.在低速時節(jié)能效果十分明顯。礦井深300多米，測量時用4/50A的電度表，在相同耗電量的情況下，用工頻可拉17勾，而使用變頻可拉26勾，即變頻比工頻多拉9勾。經(jīng)估算節(jié)電率約為20%。由于使用了變頻器，設(shè)備基本上是滿載運行。即使我們采用保守算法，按132KW的電機負載率為90%，實際功率為118.8KW，每天只使用20小時，每年工作360天，一年節(jié)電仍高達17.1萬度（118.8KW*20%*20h*360天=302400度)。若以每度電0.5元計算，則每年可節(jié)電費8萬多元(17.1*0.5=8.55萬元)。

結(jié)束語

繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用變頻調(diào)速一種低耗能的高效的調(diào)速方式。提升機絕大部分時間都處在電動狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)測算節(jié)能20%以上，取得了很好的經(jīng)濟效益。另外，提升機變頻調(diào)速使系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工時間，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟效益也很可觀。