林清超

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鉛坑礦提升絞車變頻改造與應(yīng)用

林清超

天湖山能源公司鉛坑礦機(jī)電車間

介紹了繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速度提升絞車，利用變頻技術(shù)進(jìn)行變頻改造，實(shí)現(xiàn)變頻無極調(diào)速，達(dá)到安全操作、節(jié)能降耗。在改造時(shí)，保留原來的工頻系統(tǒng)作為備用，并保持原有的操作裝置和操作習(xí)慣。

提升絞車 變頻器 安全 節(jié)能

1 前言

提升絞車是煤礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升絞車的安全、可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到礦井的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。天湖山鉛坑礦+750水平提升絞車（JTP-1.6×1.2 型）采用傳統(tǒng)的繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，使用185kW繞線式6極電機(jī)，通過轉(zhuǎn)子串電阻方式進(jìn)行5檔位切換進(jìn)行調(diào)速。由于電氣控制系統(tǒng)存在缺陷，經(jīng)常出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。其次，提升絞車在減速和提升階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會(huì)造成停車位置不準(zhǔn)確。另外，提升絞車頻繁的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的能耗。為提高設(shè)備的安全可靠性、降低能耗，對(duì)提升絞車進(jìn)行變頻改造顯得十分重要。

2 提升絞車變頻改造

2.1 改造方案

通過調(diào)研與論證，結(jié)合鉛坑礦+750水平提升絞車的現(xiàn)場實(shí)際情況，公司決定對(duì)提升絞車進(jìn)行變頻調(diào)速改造。利用自整角機(jī)來作為控制變頻器的速度給定，自整角機(jī)是通過角位移變送器輸出模擬量信號(hào)，絞車司機(jī)搬動(dòng)操縱桿，角位移變送器輸出相應(yīng)大小的模擬量信號(hào)，由此控制變頻器運(yùn)行頻率，進(jìn)而控制絞車的運(yùn)行速度。操作起來十分方便，且與原操作習(xí)慣相似，絞車司機(jī)容易掌握。

本例變頻器選用成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的JP6C-T9C系列礦用提升機(jī)專用變頻器，該型號(hào)變頻器主要特點(diǎn)是：性能穩(wěn)定，可靠性高，啟動(dòng)力矩及低頻運(yùn)行力矩大，過載能力強(qiáng)，內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，各項(xiàng)參數(shù)可靈活設(shè)置，能很好滿足控制要求。提升絞車變頻調(diào)速方案方框圖如圖1所示。

圖1

2.2 方案實(shí)施

2.2.1鉛坑礦+750水平提升絞車使用185kW電機(jī)，平時(shí)工作電流在280～380A，為保證安全，絞車上提或下放起動(dòng)時(shí)都要加制動(dòng)，起動(dòng)完成后再松開，最大起動(dòng)電流達(dá)到400多安。采用變頻調(diào)速后，上提或下放起動(dòng)時(shí)，仍是要加制動(dòng)，但由于起動(dòng)時(shí)輸出頻率低，輸出電壓也低，起動(dòng)電流只有幾十安，因此電機(jī)不會(huì)過流。考慮到有時(shí)可能會(huì)超載，且重載加速時(shí)間短，選型時(shí)變頻器容量需要加大，本例改造選用JP6C-T9C-220型變頻器，額定容量316kVA，額定電流415A，這樣有利于電機(jī)在過載時(shí)變頻器有足夠的過載能力。

2.2.2根據(jù)井下絞車環(huán)境粉塵大、濕度高等不利情況，配置JP6C-T9C系列提升絞車變頻調(diào)速裝置，工、變頻旁路控制方式，保留原啟動(dòng)系統(tǒng)，作為工頻運(yùn)行時(shí)的啟動(dòng)方式。由于提升絞車的電機(jī)為繞線式電機(jī)，因此變頻運(yùn)行時(shí)需將轉(zhuǎn)子短接。具體方案如圖2所示。

圖2

圖2中，（1）QF1是變頻器的電源開關(guān)， KM1和KM2、KM3和KM4是接觸器，具有電氣互鎖功能。

（2）變頻運(yùn)行時(shí)，首先閉合QF1、KM1和KM4，同時(shí)KM2和KM3是斷開的，啟動(dòng)變頻器，提升機(jī)變頻運(yùn)行。閉合KM4的目的是在變頻運(yùn)行時(shí)將電機(jī)M1的轉(zhuǎn)子繞組短接。

（3）當(dāng)變頻器檢修或維護(hù)時(shí)，首先將變頻器的電源開關(guān)QF1、KM1和KM4斷開，閉合KM2和KM3，此時(shí)，電機(jī)使用原來的裝置啟動(dòng)運(yùn)行。將開關(guān)QF1和KM1斷開，變頻器處于無電狀態(tài)，便于檢修和維護(hù)，且不影響生產(chǎn)。當(dāng)要轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行時(shí)，必須斷開KM4，閉合KM3接入原電機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻才能啟動(dòng)電機(jī)。

2.2.3利用原來在提升絞車控制臺(tái)上的凸輪控制器，在凸輪控制器的后方軸上安裝自整角機(jī)，與凸輪控制器的中心軸同心，這樣就利用原來的提升和下放的操作方式。油路制動(dòng)系統(tǒng)仍使用原來的操作手柄控制。

3 提升絞車變頻調(diào)速工作原理

提升絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由變頻器，行程控制、操作控制、能耗制動(dòng)和抱閘制動(dòng)等組成。變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車升降的變頻調(diào)速。提升絞車變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖3所示。

圖3 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的運(yùn)行過程主要分為兩個(gè)過程：

（1）提升絞車電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的過程。該過程主要由整流、濾波和逆變?nèi)蟛糠纸M成。其中逆變過程是其核心部分，它改變電機(jī)定子的供電頻率，從而改變輸出電壓，起到調(diào)速作用。

（2）提升絞車電機(jī)作為發(fā)電機(jī)的過程，即能量回饋過程。當(dāng)絞車下放貨物時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)采用增加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻將回饋的能量消耗掉，以達(dá)到能耗制動(dòng)的目的。

采用變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)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。運(yùn)行速度曲線成S形，低速（或零速）力矩可達(dá)200%，使加、減速平滑、無撞擊感，絞車運(yùn)行更安全、可靠。

4 節(jié)能效果與綜合效益分析

4.1 提升絞車節(jié)能效果明顯

繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗轉(zhuǎn)差功率越大。使用變頻調(diào)速，是一種不耗能高效調(diào)速方式，且能夠帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。鉛坑礦+750水平提升絞車變頻調(diào)速于2009年8月份正式投入使用，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，使用串電阻調(diào)速提升一部礦車平均電耗1.7kWh，使用變頻調(diào)速后平均電耗1.28kWh，節(jié)能率在25%左右。鉛坑礦每月平均提升車數(shù)14000部，每月可節(jié)約用電5880kWh，每年可節(jié)約7萬多kWh，三年就可收回投資成本。

4.2 負(fù)力下放方便易行

用電力制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)負(fù)力下放，不再通過施閘手段來實(shí)現(xiàn)，負(fù)力下放更加安全、易操作。

4.3 功率因數(shù)顯著增加

功率因數(shù)將從轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的0.9提高到0.95以上，大大提高了設(shè)備對(duì)電網(wǎng)容量資源的利用率，減少了因無功電流引起的線路損耗。

4.4 電機(jī)發(fā)熱大幅減輕

采用變頻調(diào)速，電機(jī)在加速、減速階段電流較低，因此電機(jī)發(fā)熱也降低了。與轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速相比電機(jī)定子溫度平均下降了10°C，轉(zhuǎn)子溫度平均下降了15°C，電機(jī)運(yùn)行的故障率大幅度減少。

4.5 系統(tǒng)維修量大幅度減少

4.5.1由于實(shí)現(xiàn)了提升全過程的電力牽引與電力制動(dòng)，機(jī)械閘只有在停車和安全回路保護(hù)動(dòng)作時(shí)才起作用，因此閘瓦的磨耗大幅度減少。

4.5.2由于電壓和頻率均連續(xù)可調(diào)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流可得到有效控制，轉(zhuǎn)矩沖擊不再存在，明顯地減少了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速出現(xiàn)的齒輪箱和鋼絲繩等設(shè)備的機(jī)械故障，減少了設(shè)備的維修量和維修費(fèi)用。

4.5.3由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的繞組可全部短接，因此拆除了原來的碳刷，轉(zhuǎn)子電阻也無需使用，減少了碳刷、電阻的維修量和維修費(fèi)用

4.6 工作條件得到改善

4.6.1由于拆除了轉(zhuǎn)子碳刷，解決了碳刷與滑環(huán)摩擦產(chǎn)生的發(fā)熱，也消除了碳刷磨損造成的碳粉。

4.6.2由于變頻調(diào)速電阻無需使用，徹底解決了工作現(xiàn)場環(huán)境溫度過高的問題。鉛坑礦絞車房的溫度由原來最高3７度下降到28度。

5 結(jié)束語

繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在礦井提升絞車上使用較多，轉(zhuǎn)子所串電阻消耗了大量的電能。實(shí)踐證明，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升絞車，節(jié)能效果非常明顯，既提高了功率因數(shù)，又實(shí)現(xiàn)了絞車的軟啟動(dòng)、軟停車、無沖擊、平滑調(diào)速等功能，延長了設(shè)備的使用壽命，大大降低了系統(tǒng)的能耗及設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

[1] 成都佳靈電氣制造有限公司. JP6C-T9 變頻器使用手冊(cè).

[2] 中(高)壓大功率變頻器應(yīng)用手冊(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.