劉寶謀

（福建永安煤業(yè)公司半羅山煤礦，福建 永安 366000）

在煤礦企業(yè)的生產(chǎn)中，礦井提升絞車擔負著提煤、運料、運送人員等繁重任務，在整個生產(chǎn)中占據(jù)著十分重要的位置，一旦出現(xiàn)故障，就將影響全礦的運輸和生產(chǎn)，因此它的正常運行起著至關重要的作用，特別是每年也消耗掉大量的電能，用在提升絞車上使用的電費也是非?？捎^的一筆經(jīng)濟賬，如何可以減少使用在提升絞車上生產(chǎn)成本，也是一個非常重要和需要解決的問題。本文以豐海煤礦310 矸場提升絞車為例，該礦井坡度為25 度，坡長為250 米，每年擔負著180000 部矸石的提升任務, 采用藍海華騰V5-H 系列高性能矢量控制型變頻器，取得較好的安全性能及節(jié)能效果。

1 絞車串電阻存在的問題

豐海煤礦310 提升絞車原采用130KW/380V 繞線式電機串電阻調(diào)速，用交流真空接觸器實現(xiàn)五段速度切換；形成了低速降壓啟動、檔位切換加速、全速運行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。這種運行方式存在明顯的缺點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:

（1）大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，造成了嚴重的能源浪費。當料車空車下放時，電機的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，電機處于發(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，致使電機能耗增加，不但浪費大量的電能，而且使電機銅損、鐵損增加，增大了電機的維修費用。從現(xiàn)場情況看，下放時電機電流與提升時基本相同，都在200A 左右，相當于電機的額定電流，而空載時電機電流大約應在額定電流的60%左右，從這點看，應有30%左右的能量被消耗掉。

（2）原控制系統(tǒng)采用繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻的方式進行調(diào)速，串電阻調(diào)速屬于有極調(diào)速，啟動沖擊大，并且在速度的切換中存在速度的躍變，容易掉道，危險度高，嚴重影響生產(chǎn)效率以及人的生命財產(chǎn)安全，特別當運輸人的時候。使用串電阻調(diào)速嚴重的浪費電能在電阻上，速度越低浪費越嚴重；當下放物體過程中，電機處于發(fā)電狀態(tài)，更加嚴重的浪費了能量。

（3）由于使用接觸器串電阻調(diào)速，調(diào)速的過程中頻繁投切導致接觸器經(jīng)常損壞，導致調(diào)速失靈，存在安全隱患，這種切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速的控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了提升機的生產(chǎn)效率。

（4）穩(wěn)定性差，速度隨著負載的變化而變化，低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。

（5）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機、高低速軸器連接裝置的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)"掉道"現(xiàn)象。

（6）低電壓和低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。

2 能量反饋型變頻調(diào)速的工作原理

控制電路采用PLC 精確控制，用變頻調(diào)速系統(tǒng)替代原工頻調(diào)速系統(tǒng)，同時保留工頻調(diào)速系統(tǒng)，使兩套系統(tǒng)互為備用，增加系統(tǒng)運行的可靠性。改造時需要增加工、變頻轉(zhuǎn)換功能。系統(tǒng)運行前，將主回路和控制回路各轉(zhuǎn)換開關切換至相應的變頻或工頻位置。具體接法如下。

圖1 變頻器主回路和控制回路接線原理圖

在變頻器直流回路加回饋裝置，將電動機發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的電能，通過提升機專用能量回饋單元，采用電壓自適應控制，即無論電網(wǎng)電壓如何波動，當提升機機械能轉(zhuǎn)換成電能送入直流回路電容中時，能量回饋單元及時將電容中的儲能回送電網(wǎng)，有效解決了能量回饋。

圖2 變頻器加能量回饋單元

2.1 控制回路

該絞車電氣控制系統(tǒng)原為繼電器控制回路，運行時間長，各電器均開始老化，未重新整理線路，設備安裝零亂，給檢修帶來了很大的困難。新柜內(nèi)采用進口或合資可靠性好的電器產(chǎn)品；并采用新型小型擴展功能強的PLC。PLC 配有計算機編程接口，采用最新WINDOWS 版本編程軟件進行編程。并對檢修人員進行編程軟件操作培訓，確保可以應用軟件進行基本的指今修改和系統(tǒng)故障維護。

變頻器提供完善的接口電路，內(nèi)設PLC，既可以與新裝系統(tǒng)實現(xiàn)配套使用，也可以對老系統(tǒng)進行改造，可以接受DC 0-5V、DC 0-10V 和4-20 mA 工業(yè)標準信號。用于系統(tǒng)改造時，增加遠控裝置就可以實現(xiàn)工頻與變頻的相互轉(zhuǎn)換，監(jiān)視系統(tǒng)的操作和運行狀況等功能。

接口電路實現(xiàn)了變頻器與控制系統(tǒng)的連接，包括正、反轉(zhuǎn)控制，速度調(diào)節(jié)(可以采用檔位調(diào)節(jié)方式，也可以采用模擬量輸入方式)，與外部電路的連鎖功能(“松閘”、“急?！毙盘栍糜谂c制動閘及制動油泵連鎖，“安全回路”及故障輸出信號用于與系統(tǒng)安全回路實現(xiàn)連鎖)，各種狀態(tài)指示等各種功能。

2.2 絞車控制系統(tǒng)與變頻器連鎖安全抱閘回路

礦山是個非常講究安全的地方，一定需要機械抱閘的配合，要確保在任何異常狀態(tài)下，機械剎車能夠完全的剎住車，比如出現(xiàn)緊急情況、變頻器出現(xiàn)故障、忽然停電等等，都必須確保機械剎車能夠完全的進行抱閘。

變頻器具有的各項保護功能，比如過流過壓過載欠壓保護等，當出現(xiàn)故障的時候，變頻器是馬上對電機停止輸出的，所以此時也是需要機械進行抱閘保護。

由上可知，整套系統(tǒng)必須要以上的安全保護功能。當安全回路出現(xiàn)問題的時候，馬上進行機械抱閘并且馬上輸出開關信號禁止變頻器運行。

2.3 手動機械剎車與變頻器的配合

如果當前狀態(tài)為停止狀態(tài)，此時絞車的抱閘在抱緊，此時啟動變頻器，慢慢松開抱閘，當松開還沒有到一半的時候，設置為閉合狀態(tài)，變頻器雖然運行，但是處于封鎖輸出狀態(tài)，輸出頻率為零；當松開到一半的時候，設置為斷開狀態(tài)，此時旋動電位器給一點速度，變頻器開始運行，當聽到電機有響聲的時候，說明此時變頻器的力矩已經(jīng)充分建立起來，然后繼續(xù)慢慢松開，此時旋動電位器，電機速度可以慢慢上升。

圖3 速度- 力矩- 電流曲線

圖3 中，下放啟動時輸出一個很大的力矩，控制絞車平穩(wěn)下放；上拉啟動時輸出一個很大的力矩拉住絞車，平穩(wěn)上拉。從圖4 的提升速圖和力圖可以看出。采用交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)，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，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，靠人為的手剎控制，經(jīng)常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當大的功耗。這種交流繞線式電機串電阻調(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，節(jié)能較差；起動過程和調(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。

3 改造后的效果分析

通過2010年5月改造后現(xiàn)場使用至今，運行正常，并具有以下優(yōu)點：

（1）機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到電網(wǎng)再利用，能有效的將電容中儲存的電能回送給交流電網(wǎng)供周邊其它用電設備使用，節(jié)電效果明顯，一般節(jié)電率可達30%～40%。

（2）減少電阻調(diào)速時的部件損耗特別是帶能量回饋的四象限運行變頻器，可以將電機在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng)，降低電能消耗，可節(jié)約大量的電能。

（3）啟動電流小，調(diào)速范圍廣，速度不隨負載的變化而有變化。加減速過程中電機控制平穩(wěn)，啟動速度平穩(wěn)無沖擊，大大的減少了掉道現(xiàn)象；

（4）沒有和傳統(tǒng)方式一樣經(jīng)常更換接觸器，大大降低維護成本。

（5）沒有串電阻的發(fā)熱，大大改善了操作人員的工作環(huán)境。

（6）能夠和機械剎車以及安全回路完美配合使用，當使用機械剎車時候變頻器不會出現(xiàn)過載過流等現(xiàn)象，而且當出現(xiàn)緊急情況或者停電的狀態(tài)下，能夠自動實現(xiàn)機械剎車，最大限度的保障了安全；可以消除溜鉤現(xiàn)象，即使在上升過程中中途進行了機械剎車，不需要把重物放到平地上重新啟動，在中途就可以把重物拉起來而不下溜。

（7）絞車司機操作容易、簡單，輕松方便，電機設備的振動噪聲大大的降低、維護工作量大大的降低，很受操作員的喜歡。

（8）節(jié)能效果分析

豐海煤礦310 矸場要擔負全礦一年的180000部矸石的提升，每天以最少8 小時運轉(zhuǎn)工作計算，每天500 部左右的矸石。改造前每小時所要用電為：105.3 度，改造后一般節(jié)電率可達：

根據(jù)電表及現(xiàn)場測定，節(jié)電比例為30%～40%。

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本變頻調(diào)速方案公司總投入資金為138 000 元，改造后一年可以節(jié)電費69 076 元，按測算2～3年后就可以回收投入成本。

4 結(jié)束語

豐海礦+310 排矸場提升絞車經(jīng)變頻改造后的，操作簡單方便，維護量少，控制系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，節(jié)能效果明顯。由此可見，變頻器在絞車上的應用具有較好效果，值得進一步推廣。