陳明旺

（山西呂梁西山德威責(zé)任有限公司，山西 呂梁 033000）

西山德順煤礦原是一座地方煤礦，年產(chǎn)量15萬t，在煤炭資源整合的大潮中，被山西焦煤西山煤電集團(tuán)整合。在成立新公司后，該礦進(jìn)行了大的改造，尤其是在基礎(chǔ)設(shè)施方面，投入了大量的人力、資金和精力，副井提升機(jī)就是其中一個(gè)改造項(xiàng)目。

該礦副井為豎井，井深240 m，有3個(gè)水平，主要用來選送上下人員和提升物料。副井提升機(jī)為單滾筒纏繞式，型號(hào)為JK-2，配套電機(jī)為邯鄲電機(jī)廠生產(chǎn)JR型繞線式電機(jī)，功率280 kW，串電阻調(diào)速，電控系統(tǒng)是洛陽源創(chuàng)配套的TKD-NT-1186型成套電控，用PLC可編程控制程序可實(shí)現(xiàn)速度控制。液壓制動(dòng)系統(tǒng)為洛陽礦山研究所配套的無電氣延時(shí)控制的液壓制動(dòng)系統(tǒng)。副井提升裝置是礦井安全正常生產(chǎn)的重要設(shè)施，而該套產(chǎn)品為原小煤窯生產(chǎn)方式下的拼湊產(chǎn)品，電控系統(tǒng)和液壓站故障頻繁，曾經(jīng)發(fā)生過長時(shí)間停機(jī)的事故，造成人員被困井下不能及時(shí)升井和影響生產(chǎn)的事故。

1 造成事故的原因

（1）耗費(fèi)能源，支出電費(fèi)增加。當(dāng)罐籠下放重物時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速很高，甚至超過了同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒有能量處理環(huán)節(jié)，大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，造成轉(zhuǎn)子發(fā)熱，電機(jī)能耗增加，浪費(fèi)電能，造成了嚴(yán)重的社會(huì)能源浪費(fèi)和電費(fèi)支出。

（2）電機(jī)使用壽命縮短。從現(xiàn)場情況看，下放時(shí)電機(jī)電流與提升時(shí)基本相同，都在330 A左右，相當(dāng)于電機(jī)的額定電流，因此，電機(jī)長時(shí)間處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的外殼溫度常能達(dá)到在55°~60°左右，對電機(jī)絕緣性能是極大的考驗(yàn)，長此以往，對電機(jī)壽命將造成很大影響。另外，井筒不深而使用頻繁，電機(jī)必須頻繁的正反轉(zhuǎn)，造成電機(jī)的銅損、鐵損增加，增大了電機(jī)的維修費(fèi)用，長期以往將影響電機(jī)的使用壽命。

（3）電機(jī)為繞線式，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方式進(jìn)行調(diào)速，控制方式復(fù)雜，接線多，繞線電機(jī)碳刷容易損壞，導(dǎo)致系統(tǒng)故障率高，維護(hù)工作量大。轉(zhuǎn)子電阻體積龐大，需要很大的空間來安置，因此必須建造專用機(jī)房，由于轉(zhuǎn)子不停發(fā)熱，還要增加散熱裝備，因此增加了轉(zhuǎn)子的維護(hù)費(fèi)用和建設(shè)機(jī)房費(fèi)用。

（4）在起動(dòng)和低速爬行階段必須投入制動(dòng)器，尤其在驗(yàn)繩、檢修時(shí)段，需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒盤形閘實(shí)現(xiàn)調(diào)速，特別是在重載時(shí)，完全需要手動(dòng)控制，很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制，導(dǎo)致速度波動(dòng)大，容易出現(xiàn)忽慢忽快的現(xiàn)象，速度控制性能較差，對閘皮磨損大，人員乘坐感覺不舒適。

（5）啟動(dòng)和調(diào)速時(shí)，在切除電阻時(shí)沖擊電流大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化大，導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流突增，減速器齒輪受到很大的機(jī)械沖擊，而且人員乘坐和物料會(huì)受到很大的加減速?zèng)_擊，對電機(jī)、減速器和提升鋼絲繩及連接器等機(jī)械結(jié)構(gòu)容易造成損壞。

（6）自動(dòng)化程度不高，絞車司機(jī)必須集中精力，稍有不慎，極易造成過卷、過放等事故。

為徹底解決以上隱患，該礦決定對原電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，取長補(bǔ)短，決定采用TKDG-BP-1106電控系統(tǒng)，使用變頻器拖動(dòng)和PLC控制，替代原來的繞線電機(jī)串電阻的調(diào)速，這是較理想的方案。變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車，連續(xù)平滑無級(jí)調(diào)速，特別是帶能量反饋的四象限運(yùn)行的變頻器，可以將電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送到電網(wǎng)，降低電能消耗，節(jié)約大量能源。

2 更換改造后的電控系統(tǒng)技術(shù)性能

（1）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、檢修、調(diào)試等幾個(gè)工作模式。

（2）主回路實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，采用PLC控制、硬件配置簡單、軟件編程靈活、安全保護(hù)及聯(lián)鎖功能齊全，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

（3）實(shí)現(xiàn)提升機(jī)行程監(jiān)視和位置閉環(huán)控制，具有完善的深度速度顯示和控制功能。

（4）機(jī)電配合良好、故障率低、維護(hù)量小、整機(jī)可靠性高、生產(chǎn)率高、減輕了檢修人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（5）和原有機(jī)電系統(tǒng)、信號(hào)裝置配合良好，改善了電機(jī)減速器的工況，提升了電機(jī)減速器的使用壽命。

3 電控系統(tǒng)組成

該套電控系統(tǒng)可簡單劃分為：控制系統(tǒng)（主控系統(tǒng)、輔控系統(tǒng)）、調(diào)速控制（調(diào)速系統(tǒng)、供電系統(tǒng)）、監(jiān)控系統(tǒng)（上位機(jī)、操縱臺(tái)）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

4 變頻電控系統(tǒng)原理介紹

4.1 變頻器的容量選型和控制

因該套提升系統(tǒng)一般都滿負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)計(jì)方案確定的時(shí)候，要求起動(dòng)力矩大，因此根據(jù)電機(jī)的容量（660 V/280 kW），負(fù)載的要求，變頻器一般應(yīng)高出一個(gè)規(guī)格。因此我們采用（660 V/315 kW）的恒轉(zhuǎn)矩變頻器，控制系統(tǒng)由一臺(tái)電氣控制柜控制整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、加減速等。專設(shè)變頻器柜，采用遠(yuǎn)距離控制裝置，原液壓機(jī)械抱閘等仍然采用。變頻器作為一個(gè)調(diào)速裝置使用。大幅度減少了制動(dòng)器在調(diào)速過程中的參與，原來磨損閘皮、滾筒盤閘發(fā)熱的狀況不再出現(xiàn)。

4.2 變頻器的工作原理

變頻控制主回路系統(tǒng)見圖2。

圖1 提升機(jī)電控系統(tǒng)構(gòu)成

圖2 變頻控制主回路系統(tǒng)

三相交流電源經(jīng)過變頻器內(nèi)的整流和濾波回路后變成直流電，為變頻器內(nèi)的逆變回路提供電源。逆變的功能是將整流后的直流電轉(zhuǎn)化為可以調(diào)頻調(diào)壓的交流電去驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)提升作業(yè)。當(dāng)電機(jī)有高速運(yùn)行時(shí)減速或單鉤絞車下放時(shí)，負(fù)載由于存在慣性，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)超過它的同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出的交流電經(jīng)過逆變部分的續(xù)流二極管整流成直流，回饋到母線。使母線的電壓升高，直接危及到功率器件，所以必須把這一部分的能量釋放掉。而變頻器內(nèi)配置有回饋單元和制動(dòng)單元，可以對這一部分的能量進(jìn)行處理。一部分送回電網(wǎng)，一部分通過電阻消耗掉。

4.3 控制、顯示、監(jiān)視回路

采用PLC可編程控制程序統(tǒng)一控制，PLC程序和外端電路接口相結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性，同時(shí)利用PLC強(qiáng)大的控制功能實(shí)現(xiàn)靈活的控制方式和電氣隔離?？刂乒δ苡校鹤詣?dòng)加減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、松閘信號(hào)、各種保護(hù)顯示記憶儲(chǔ)存、內(nèi)部保護(hù)、故障輸入、急停、模擬輸入、位置閉環(huán)控制等。

顯示信號(hào)可實(shí)現(xiàn)：正常的提升速度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、罐籠位置、故障指示、上升指示、下降指示、加速指示、減速指示、擋位指示、二級(jí)制動(dòng)解除等。

監(jiān)視系統(tǒng)通過模擬量的軟件監(jiān)控、光電編碼器、測速發(fā)電機(jī)等，實(shí)現(xiàn)3線監(jiān)視保護(hù)，安全性能提高。

4.4 回饋能量的處理

由于負(fù)載下放重物，快速減速及急停時(shí)，會(huì)有較大的能量回送到變頻器，因此變頻器系統(tǒng)采用了能耗制動(dòng)、回饋制動(dòng)等技術(shù)，有效地解決了此類的問題。尤其是回饋制動(dòng)將能量直接回送到電網(wǎng)，不但保證了設(shè)備的安全運(yùn)行，而且節(jié)約了電能，使再生能量回收利用。

5 系統(tǒng)改造后應(yīng)用效果

（1）使用變頻控制后，啟動(dòng)及其加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動(dòng)電流不超過1.3倍的額定電流。提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級(jí)平滑地升到最高速，沒有大電流出現(xiàn)，因此大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。

（2）該套變頻控制系統(tǒng)淘汰了原來電氣控制系統(tǒng)調(diào)速用的調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性、改善了操作人員的工作環(huán)境。

（3）實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟啟動(dòng)和軟停車，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小。制動(dòng)運(yùn)用了直流功能，使重車停車時(shí)更加平穩(wěn)。

（4）節(jié)能效果明顯，根據(jù)實(shí)際測量在低速段節(jié)能效果明顯，一般可以達(dá)到20%左右，采用回饋制動(dòng)，節(jié)能效果更加明顯。

（5）采用變頻控制后，原來繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子短接，在電機(jī)維護(hù)方面，避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護(hù)。

（6）采用PLC統(tǒng)一控制和PLC外端電路接口相結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性，增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)利用PLC強(qiáng)大的控制功能實(shí)現(xiàn)靈活的控制方式。

（7）安全、聯(lián)鎖保護(hù)功能齊全。除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護(hù)外，還配有外圍控制的聯(lián)鎖保護(hù)。通過軟硬件設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)測速斷線、制動(dòng)油壓高、錯(cuò)向保護(hù)、等速超速、PLC輸出安全制動(dòng)器繼電器、減速過速、過卷（復(fù)位）、斷軸保護(hù)、彈簧疲勞閘瓦磨損、松繩、變頻故障、信號(hào)裝置保護(hù)等。制動(dòng)閘信號(hào)與正、反轉(zhuǎn)信號(hào)的連鎖，變頻器與系統(tǒng)安全回路的連鎖等。這些保護(hù)功能只要有一項(xiàng)出現(xiàn)故障，提升機(jī)就會(huì)閉鎖無法運(yùn)行，極大地提高了提升機(jī)的安全運(yùn)行系數(shù)。

該套系統(tǒng)在改造后，一直平穩(wěn)運(yùn)行，效果良好，極大地改善了副井提升人員和物料這個(gè)重要環(huán)節(jié)，為礦井安全生產(chǎn)起到了極大的促進(jìn)了作用。