李曉瑞

(山西省陽(yáng)煤集團(tuán)機(jī)電動(dòng)力部，山西 陽(yáng)泉 045000)

0 引言

天花池主扇是陽(yáng)泉五礦主要通風(fēng)機(jī)之一，擔(dān)負(fù)著井下西北翼采區(qū)的通風(fēng)任務(wù)，共有兩臺(tái)同型號(hào)對(duì)旋風(fēng)機(jī)。通風(fēng)機(jī)型號(hào)：BDK-8-No.30，風(fēng)量：5 280～20 280 m3/min，靜壓：2 550～6 810 Pa，轉(zhuǎn)速：740 r/min。電動(dòng)機(jī)型號(hào)：YBF710S1-8，功率 800 kW，電壓 6 000 V，電流 97 A，轉(zhuǎn)速740 r/min，功率因素 cosφ0.84，生產(chǎn)日期2006.6。

天花池主扇投運(yùn)不久，在設(shè)備選型、各配套廠家的技術(shù)協(xié)調(diào)、系統(tǒng)的優(yōu)化方面存在不同程度的問(wèn)題。根據(jù)木桶原理，這些問(wèn)題將構(gòu)成短板，對(duì)主扇的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。只有消除這些短板，才能使主扇安全運(yùn)轉(zhuǎn)，確保井下的供風(fēng)安全，減少杜絕瓦斯超限。

1 主扇穩(wěn)定運(yùn)行的影響因素

1.1 風(fēng)門(mén)絞車

主扇風(fēng)門(mén)絞車設(shè)計(jì)上存在嚴(yán)重缺陷。風(fēng)門(mén)操作系統(tǒng)的減速器減速比大，懸吊風(fēng)門(mén)的滑輪組滑輪多。特別是手搖風(fēng)門(mén)速度太慢，大約需30 min，這樣在風(fēng)門(mén)絞車電氣系統(tǒng)故障的情況下，根本就無(wú)法按規(guī)定在10 min內(nèi)完成倒機(jī)任務(wù)。

1.2 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)

風(fēng)機(jī)采用水電阻啟動(dòng)不可靠。啟動(dòng)柜設(shè)備復(fù)雜，極板屬動(dòng)態(tài)設(shè)備，機(jī)械和電氣部分容易出問(wèn)題。作為工作介質(zhì)的水維護(hù)工作量大，除了須補(bǔ)水防漏，冬季還需用兩臺(tái)重型空調(diào)對(duì)水進(jìn)行保溫，耗能高。水電阻的啟動(dòng)特性不穩(wěn)定，有時(shí)啟動(dòng)會(huì)因?yàn)檫^(guò)流跳閘。極板的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有電機(jī)、皮帶、絲杠、軸承等，故障點(diǎn)多。極板的電氣控制部分繼電器、行程開(kāi)關(guān)等也是多發(fā)的故障點(diǎn)[1]。啟動(dòng)時(shí)，電能以熱量形式消耗在水電阻上，浪費(fèi)資源。

1.3 操作電源

天花池主扇高壓柜操作電源的UPS操作繁瑣，事故率高。由進(jìn)線互感器提供充電交流電源，UPS的容量小，會(huì)造成無(wú)操作電源，延誤風(fēng)機(jī)倒機(jī)。

2 技術(shù)改造

2.1 風(fēng)門(mén)絞車雙電機(jī)冗余驅(qū)動(dòng)

風(fēng)門(mén)升降速度慢問(wèn)題的癥結(jié)在于手動(dòng)不能滿足要求，而電動(dòng)升降的速度可以滿足要求，所以改造方案必須在電動(dòng)上面作文章。通過(guò)反復(fù)討論，決定引入冗余設(shè)計(jì)的理念，運(yùn)用創(chuàng)造性的發(fā)散思維，把帶輪和對(duì)輪集成在一起，采用雙開(kāi)關(guān)、雙電源、雙控制、雙電機(jī)、雙動(dòng)力來(lái)增加可靠性，如圖1所示。

圖1 風(fēng)門(mén)絞車改造示意圖

系統(tǒng)保留原系統(tǒng)的手搖風(fēng)門(mén)的功能，保留原有電機(jī)，再新加一臺(tái)同型號(hào)、相等功率的電機(jī)；將小帶輪加工成特制的半聯(lián)軸器，兩臺(tái)電機(jī)通過(guò)集成帶輪聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)同軸聯(lián)接，再和減速器通過(guò)帶傳動(dòng)聯(lián)接。當(dāng)任一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，減速器帶動(dòng)鋼絲繩卷筒，通過(guò)滑輪組從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)門(mén)的升降啟閉，這樣就構(gòu)成一個(gè)雙動(dòng)力、操作簡(jiǎn)便、高可靠性的冗余傳動(dòng)系統(tǒng)。

當(dāng)一臺(tái)電機(jī)工作時(shí)，另一臺(tái)電機(jī)作為負(fù)載，同時(shí)又作為備用電機(jī)，在工作電機(jī)發(fā)生故障不能提供動(dòng)力時(shí)，可非常便利的投入運(yùn)行，此時(shí)故障電機(jī)切斷電源又成為負(fù)載。

由于兩臺(tái)電機(jī)分別取用不同的電源，有其獨(dú)立的開(kāi)關(guān)和控制系統(tǒng)，大大提升了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)柜取代水電阻柜

啟動(dòng)原理：電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)屬降壓?jiǎn)?dòng)。啟動(dòng)時(shí)，如圖2所示將一電抗型變壓器(調(diào)壓器)高壓側(cè)與被啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)串聯(lián)后接入電源，電源的大部分電壓被電抗型變壓器承擔(dān)，電動(dòng)機(jī)初始電壓很低，利用現(xiàn)代電力電子器件逐步調(diào)低電抗型變壓器低壓側(cè)電壓，可逐步調(diào)低電抗型變壓器高壓側(cè)電壓，這時(shí)，被啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的端電壓逐步上升，達(dá)到電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的目的。整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程由電腦智能控制器控制，啟動(dòng)模式可根據(jù)負(fù)載情況選取，有脈沖模式、電壓斜坡模式、電流恒定模式。該裝置的電力電子器件用在調(diào)壓變壓器的低壓側(cè)，提高了器件使用的可靠性[2]。

圖2 電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)

“一拖二型”軟啟動(dòng)：一拖二型高壓系統(tǒng)接線如圖2所示。啟動(dòng)順序是先啟動(dòng)二級(jí)電機(jī)，后啟動(dòng)一級(jí)電機(jī)。①合啟動(dòng)開(kāi)關(guān)柜QF0；②合起切換柜QS2、KM2，2級(jí)電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)；③電流降下來(lái)以后，自動(dòng)切換，2#運(yùn)行開(kāi)關(guān)柜QF2吸合；④QF0斷開(kāi)，2級(jí)電機(jī)切換到高壓運(yùn)行；⑤合啟動(dòng)開(kāi)關(guān)柜QF0；⑥合啟切換柜QS1、KM1，1級(jí)電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)；⑦電流降下來(lái)以后，自動(dòng)切換，1#運(yùn)行開(kāi)關(guān)柜QF1吸合；⑧QF0斷開(kāi)，1級(jí)電機(jī)切換到高壓運(yùn)行。

圖3 一拖二型電氣接線

電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：①具備電流自動(dòng)閉環(huán)控制功能，能預(yù)設(shè)啟動(dòng)電流，PLC可將檢測(cè)到的啟動(dòng)電流與預(yù)設(shè)啟動(dòng)電流值比較，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證恒電流啟動(dòng)；②電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)柜通過(guò)設(shè)定啟動(dòng)電流大小隨阻抗值改變，使阻抗值自動(dòng)無(wú)級(jí)、平滑減小，被啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的端電壓逐步上升，達(dá)到電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的目的；③可重復(fù)性?？勺詣?dòng)檢測(cè)、校正初始阻抗，保證多次啟動(dòng)性能的穩(wěn)定性和可重復(fù)性；④可調(diào)整性。啟動(dòng)時(shí)間、啟動(dòng)電流、阻抗值等參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況及負(fù)載情況可調(diào)整；⑤控制性。阻抗值可按最佳電磁轉(zhuǎn)矩、最小啟動(dòng)電流改變，啟動(dòng)過(guò)程完全受控，同時(shí)電網(wǎng)啟動(dòng)壓降也得到有效控制；⑥可預(yù)測(cè)性。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，在計(jì)算機(jī)輸入用戶提供的電動(dòng)機(jī)、電網(wǎng)、負(fù)載3大參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)啟動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置，獲得電機(jī)動(dòng)啟動(dòng)過(guò)程如啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)速及電網(wǎng)壓降等最佳變化曲線，達(dá)到對(duì)啟動(dòng)過(guò)程的事先預(yù)測(cè)，使在滿足所需最小啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下，最大限度地限制啟動(dòng)電流，保證一次啟動(dòng)成功；⑦電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)柜不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載變動(dòng)影響，啟動(dòng)平穩(wěn)，能確保啟動(dòng)一次成功并大大減少啟動(dòng)運(yùn)行切換時(shí)對(duì)電器和機(jī)械設(shè)備的二次沖擊，設(shè)備的使用壽命長(zhǎng)；⑧啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)電流控制在2.0～3.51 e以內(nèi)；啟動(dòng)時(shí)間最大調(diào)節(jié)范圍控制在5～120 s以內(nèi)；常溫下可1 h允許連續(xù)啟動(dòng)3～6次。

2.3 操作電源

用大型UPS電源替代原來(lái)的操作電源。UPS電源的容量15 kVA，平時(shí)由所用變供220 V交流電，UPS處于旁路工作狀態(tài)，為電池組充電，當(dāng)有緊急情況，主扇配電室全站失電時(shí)，UPS立即切換到逆變輸出狀態(tài)，為高壓柜手車真空開(kāi)關(guān)提供操作電源。這一改造方案可有效克服原系統(tǒng)由進(jìn)線互感器提供充電交流電源，小型UPS提供操作電源帶來(lái)的容量小、可靠性差等弊端，任何情況下系統(tǒng)都有可靠的不間斷電源。

2.4 具體實(shí)施

首先著手對(duì)風(fēng)門(mén)絞車的改造，認(rèn)真測(cè)繪各主要零件圖，委托機(jī)械廠加工定制了機(jī)械配件，然后又制作了底座，最后完成了機(jī)械、電氣安裝，經(jīng)過(guò)調(diào)試，一次試車成功。

其次著手對(duì)高壓操作電源的改造，將原來(lái)的UPS回收復(fù)用。新安一臺(tái)15 kVA的大型UPS，交流電源取自所用變，將進(jìn)線電壓互感器棄用，留作備用電源。新的UPS額定電流17.5 A，可在失去外供電源后提供可靠的操作電源，達(dá)到了預(yù)期效果。

最后分期更換啟動(dòng)柜。工程第一階段的任務(wù)是拆除水電阻柜，然后在其基礎(chǔ)上安裝電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)柜，利用原有的高壓電纜與系統(tǒng)連接，二次接線重新配線、增加部分控制電纜。安裝完畢后，對(duì)系統(tǒng)和調(diào)壓器進(jìn)行耐壓測(cè)試，測(cè)試合格后，再設(shè)定各種保護(hù)；進(jìn)入啟動(dòng)調(diào)試階段，經(jīng)反復(fù)不斷優(yōu)化參數(shù)，調(diào)試取得成功，兩級(jí)電機(jī)順利實(shí)現(xiàn)電磁調(diào)壓軟啟動(dòng)[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)技術(shù)改造，解決了天花池主扇風(fēng)門(mén)絞車手搖速度太慢、操作電源不可靠、啟動(dòng)柜不可靠、影響及時(shí)倒機(jī)的問(wèn)題。通過(guò)一年多的實(shí)踐證明，經(jīng)歷多次倒機(jī)再也沒(méi)有發(fā)生延誤倒機(jī)的情況，而且成功完成一次反風(fēng)演習(xí)，有力地保證了井下的安全生產(chǎn)和風(fēng)流需求。技術(shù)改造的經(jīng)濟(jì)效益顯著，節(jié)約電費(fèi)10 000元/a，減少停風(fēng)損失70萬(wàn)元/a。