格日樂 卜桂玲

(呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008;內(nèi)蒙古自治區(qū)高校礦產(chǎn)資源安全開采與綜合利用工程研究中心 內(nèi)蒙古 海拉爾 021008)

在“中國制造2025”戰(zhàn)略背景下，智能開采和智慧礦山，將是我國煤炭行業(yè)綠色、安全和高效發(fā)展的必然之路，是煤炭企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)。[1][2]煤炭是我國主要能源之一，呼倫貝爾地區(qū)大部分煤礦企業(yè)屬于井工礦。近年來，隨著淺層煤炭資源的減少，深層開采成為主要的開采模式，隨著智能化礦山建設(shè)的開展，促進煤礦企業(yè)的良好發(fā)展態(tài)勢。礦山運輸與提升機械是典型的低速重載設(shè)備，是礦井中的重要設(shè)備之一，工作機械安裝于地面，通過鋼絲繩、提升容器、電動機等，將井下和地面聯(lián)系在一起，用于運輸?shù)V物、設(shè)備和工作人員。作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，針對工作環(huán)境復(fù)雜、工作任務(wù)繁重、并涉及井下工作人員、設(shè)施的安全運輸問題，提升機是否平穩(wěn)運行與煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)密切相關(guān)。以目前使用的JK-2/20型主提升機為例，提升機的整個電控系統(tǒng)容易因水沙充填而廢。因此，改善提升機的控制系統(tǒng)，提高其工作可靠性的工作迫在眉睫。

近年來，變頻調(diào)速由于具有節(jié)能、低噪、無級調(diào)速、運行平穩(wěn)、延長機器的使用壽命等特點，被廣泛應(yīng)用。研究將緊緊圍繞地區(qū)礦井生產(chǎn)發(fā)展需要，本著安全、合理、經(jīng)濟、可靠的原則，立足于現(xiàn)有設(shè)備，借助智慧礦山建設(shè)契機，依托科技進步，吸收、消化、國內(nèi)外先進技術(shù)，實踐研究在礦井不停產(chǎn)的情況下，結(jié)合生產(chǎn)實踐，對提升機的主要環(huán)節(jié)是進行技術(shù)改造工作，使井下提升機械做到優(yōu)化配置和合理匹配的目的，滿足礦井各個生產(chǎn)時期的提升需要，促進高產(chǎn)高效智慧礦井的發(fā)展需求。[3][4][5]通過對扎賚諾爾煤業(yè)公司靈北煤礦的提升系統(tǒng)引進變頻調(diào)速技術(shù)情況進行實踐研究，并對技術(shù)的可行性、實踐性及使用后所得效果進行分析研究。

1 傳統(tǒng)提升機械問題分析

隨著煤礦企業(yè)的快速發(fā)展，對機械采煤、運煤的要求也逐步提高，運輸與提升系統(tǒng)是井工礦企業(yè)采煤過程中的重要機械部分，發(fā)達國家尤其重視煤礦井下采用直流式交流變頻裝置的采用及更新。計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以及時診斷提升機的工作情況、安全情況，并提升系統(tǒng)的自我保護功能。據(jù)扎賚諾爾煤業(yè)公司靈北煤礦的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，傳統(tǒng)TKD系列電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、環(huán)節(jié)多、能耗高、維護量大的缺點。針對以上的情況，選用優(yōu)質(zhì)的變頻器來控制提升機工作運行，大大提高了設(shè)備的動作的安全性與可靠性，有利于煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益的提高。

傳統(tǒng)的扎賚諾爾煤業(yè)公司靈北煤礦十二號主井提升機為JK-2/20型，拖動電動機為高壓6000 V、220 KW繞線式異步電動機，電控部分采用TKD系列電控系統(tǒng)，礦井提升總斜長810 m，巷道傾角16°。曾因故障停止運行，造成較大的經(jīng)濟損失。由于，礦井生產(chǎn)的需要，急需恢復(fù)提升機的正常運行狀態(tài)。因此，提出對該提升機進行變頻運行改造的建議，同時從可行性、安全性等方面進行論證，開展具體的改造設(shè)計，并投入使用，并對其改造實效進行評估分析。

2 變頻調(diào)速在礦井提升機中運用的可行性分析

變頻器是實現(xiàn)提升機變頻調(diào)速的關(guān)鍵設(shè)施，其工作原理是：將輸入的正常電壓，根據(jù)設(shè)備實際使用需要，輸出不同值的電壓，提供給電動機使用，實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)整與控制。提升在工作過程中的速度呈現(xiàn)：加速階段-勻速運行階段-減速階段-停止四個階段，每個階段的速度要求不一，與其他機械設(shè)備相比，對變頻器的性能要求及安全要求更高。提升的運動情況又分為以下四種情況：(1)隨著運行速度的降低，運行時間也隨之縮短；(2)兩臺提升機向相反方向運行，此時，因改變運行方向，也就改變了電動機的運動形式；(3)提升機在不同的運動形式的改變，將產(chǎn)生一定的能源消耗，這類情況在提升機的上升和下降過程中尤為明顯。提升機在長升的過程中所產(chǎn)生的能耗是最大的，主要消耗于克服重力與摩擦力，相對而言，下降時能耗會有所減少，這是因為無需克服重力，只克服摩擦力的影響；(4)動態(tài)性的變化。應(yīng)用變頻技術(shù)的目的，是以原有提升機的運行狀態(tài)為基礎(chǔ)狀態(tài)，結(jié)合提升機的運行狀態(tài)向其輸送能源，以達到提高提升機運行的平穩(wěn)性、安全性和經(jīng)濟性。[6]因此，選擇合適的變頻器對于提升機的安全、穩(wěn)定工作尤為重要。

2.1 技術(shù)可行性分析

提升機對驅(qū)動設(shè)備的要求是：勻加、減速，低速時就具有較高的轉(zhuǎn)矩。目前，變頻器的種類很多，但適用于礦井提升機這種工況環(huán)境復(fù)雜、變頻能力要求高的變頻器，應(yīng)該具有全頻域磁通電流矢量控制的特點。這種變頻器是根據(jù)現(xiàn)代控制理論，采用磁通檢測和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，直接控制電動機轉(zhuǎn)矩所得。在低速運行狀態(tài)下可提供高啟動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)增加PG控制時，可實現(xiàn)零速高轉(zhuǎn)矩控制，而且更容易實現(xiàn)勻加、減速等問題。[7]因此，改造提升機控制系統(tǒng)，選擇變頻器控制，變頻器的選擇依據(jù)是提升機的負載情況，提升機工作時要求恒轉(zhuǎn)矩負載，所以欲使提升機按工作指令能夠升降，變頻器需要低頻轉(zhuǎn)矩提升功能才能驅(qū)動電動機輸出充足的力矩。常規(guī)生產(chǎn)工作情況下，提升機所需要承載的物品和人員都比較多。因此，在提升機工作過程中，電動機需要輸出較大的作用力才能驅(qū)動提升機的正常運行。此時，電動機所承受的負載就會很大，容易對電動機造成過載損壞。通過分析，選用CIMR-G5A4220型變頻器，采用矢量控制技術(shù)，將轉(zhuǎn)矩和定子磁通作為控制變量，對于負載出現(xiàn)的瞬時掉電和負載變化情況等，能夠快速做出響應(yīng)，為整個控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及控制精度等提供良好的保障。同時通過磁通制動，對其提升機進行緊急制動指令，保障提升設(shè)備的運行安全。

2.2 經(jīng)濟性分析

提升機在工作過程中，需要持續(xù)的能源輸入，而恒定的能源輸入狀態(tài)會造成較高的能源消耗，如靈北煤礦十二號井目前采用的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的主電動機功率為400 KW左右的提升機電控設(shè)備，而且此設(shè)備僅用于控制屏、動力制動屏、接觸器屏三部分，設(shè)備價值高達60萬元。采用變頻調(diào)速控制方案，所需設(shè)備費用僅需30萬元，且每年可節(jié)約的電費隨著工作量的不同逐年增加，可達到幾十萬元。采用可向電源反饋電能的變頻系統(tǒng)，其節(jié)電效果將更加顯著。

傳統(tǒng)提升機的功率因數(shù)為0.7-0.8，應(yīng)用變頻技術(shù)后，功率因數(shù)可提升至0.9。功率因數(shù)的提高，可用同等的能源，實現(xiàn)更多次的運行工作，實現(xiàn)節(jié)約能源的目的，逐步實現(xiàn)智能化、節(jié)約化的智慧礦山建設(shè)目標(biāo)。

2.3 安全性分析

一般變頻器都有一個較突出的弱點，就是一旦遇到外部沖擊(如電壓、電流、負荷等發(fā)生突變狀況)即出現(xiàn)逆變失敗現(xiàn)象(失電)。這是礦井提升機運行時最忌諱的問題。研究采用向電源反饋電能的變頻系統(tǒng)，可有效避免此類問題。而且，在控制系統(tǒng)中再采取一些變頻調(diào)速系統(tǒng)等工作制動、安全制動設(shè)施，實現(xiàn)適時聯(lián)動等有效的控制措施，安全問題將會得到很好的解決。

綜上所述，變頻調(diào)速在礦井提升機中不但可以運用，而且其優(yōu)點非常突出。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，變頻調(diào)速系統(tǒng)，具有運行平穩(wěn)、改善運行狀態(tài)、提高設(shè)備的使用壽命、系統(tǒng)趨于無維修、低噪，節(jié)能效果顯著。因此，建議在提升機的設(shè)計過程和舊設(shè)備改造工作(維修)時優(yōu)先采用變頻調(diào)整運行控制系統(tǒng)。

2.4 采用變頻器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

充分考慮煤礦企業(yè)生產(chǎn)特點及地區(qū)位置因素等，在改造傳統(tǒng)的提升機控制系統(tǒng)過程中，選用安川電機株式會社的CIMR-G5A4220型變頻器，該變頻器具有良好的性能，完全能夠滿足提升機控制系統(tǒng)的改造需求，變頻器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1：

表1 CIMR-G5A4220型變頻器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

CIMR-G5A4220型變頻器制動力矩約為20%，并具有瞬停再啟動、PID控制、下垂控制、速度搜索、過力矩限制、多段速度運行、加/減速時間選擇等功能。過負載、過電壓、低電壓保護，瞬時停電補償及熱繼電器保護裝置，既保證了控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，也可保障提升機械的安全運行。

3 主井提升機變頻運行改造設(shè)計

此次礦井提升機電控部分改造，基于智慧礦山建設(shè)理念，改變傳統(tǒng)的提升機驅(qū)動電機的加減速，電氣制動控制模式，利用先進的電機矢量控制技術(shù)，實現(xiàn)電動機的變頻控制，使提升機的運行性能更加穩(wěn)定、安全，同時為礦井提升機的節(jié)能改造提供一條新的途徑。需進行改造的電氣線路包括主電路系統(tǒng)、輔助電路系統(tǒng)和控制電路系統(tǒng)三大部分組成。

3.1 主電路

主電路系統(tǒng)由高壓開關(guān)、變壓器、線路接觸器、變頻器、隔離開關(guān)、電動機組成。高壓開關(guān)為BGP3-6型，作為線路總控制開關(guān)，具有過載、短路、失壓等保護。KSJ-320型變壓器為變頻器提供低壓電源。開關(guān)為600A交流接觸器作為變壓器輸出的電源開關(guān)，主要起隔離開關(guān)的作用，出現(xiàn)緊急情況時也可以切斷低壓線路電源。變頻器的輸出側(cè)設(shè)置一組手動隔離開關(guān)，其作用是在調(diào)試變頻器、檢修控制線路時斷開電動機電源，即在提升機不運行的情況下調(diào)試控制電路時使用，防止出現(xiàn)誤操作使提升機運行，造成事故。改造實踐證明，這種設(shè)計非常實用。

3.2 輔助電路

輔助電路由主、備制動油泵電機及相關(guān)交流接觸器組成，低壓電源由50KVA變壓器提供。

3.3 控制電路

根據(jù)提升機的運行要求，結(jié)合變頻器的外部端子功能，同時考慮控制回路盡可能簡單、可靠的要求，設(shè)計了控制電路，控制電路包括以下八個部分。

3.3.1 安全回路

提升機控制系統(tǒng)的安全回路，可實現(xiàn)對提升機故障的監(jiān)測，并對產(chǎn)生的故障進行分析，對發(fā)生故障的部位進行處理等工作。通過變頻控制的安全回路，會實時監(jiān)控提升機的運行過程，一旦發(fā)生過卷、超速、運行方向錯誤等問題，系統(tǒng)將立即發(fā)出報警提示。

本設(shè)計中，安全回路由主令控制器零位，制動手柄零位，等速過速繼電器接點、制動油壓繼電器接點，過卷開關(guān)，閘瓦磨損開關(guān)，變頻器故障中間繼電器接點，松繩保護器及接觸器組成。安全回路的設(shè)計完全按照《煤礦安全規(guī)程》的要求進行。當(dāng)上述任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障時，安全閥電磁鐵動作實現(xiàn)緊急安全制動，同時斷開變頻器運行接觸器回路，變頻器減速運行，使提升機在減停車的狀態(tài)下制動，保證制動的可靠性。

3.3.2 信號回路

信號回路由減速信號鈴、提升信號繼電器組成。提升信號繼電器的一個接點接在變頻器運行接觸器回路，只有當(dāng)把鉤工發(fā)出運行信號時才允許變頻器運行。另外，當(dāng)制動油過熱時的常閉接點斷開，不允許變頻器運行(即提升機運行)提升機司機也接不到運行信號。

3.3.3 線路主接觸器、變頻器運行接觸器回路

線路接觸器是變頻器電源的控制開關(guān)吸合時變頻器接通電源，出現(xiàn)緊急情況時也可以斷開(作為斷路器)電源。接點分別接于變頻器的兩端連接口，控制提升機的運行方向即上提或下放，并相互閉鎖，提升動作由主令控制器控制。

3.3.4 頻率給定控制回路

頻率指令輸出接變頻器的兩個端子。主令控制器接點分別控制中間繼電器的動作，從而分段控制端子的輸入電壓值，使提升機在不同頻率段以不同的速度運行。深度指示器上的自動減速接點，自動減速時斷開，短接減速端子，使提升機按爬行速度運行，達到自動減速的目的。

3.3.5 制動單元、制動電路回路

制動單元、制動電阻是變頻器自帶附件，為電動機的發(fā)電制動運行及減速時提供能量泄放通道。接于變頻器不同的兩個端子，制動電阻為4.4Ω。

3.3.6 腳踏緊急制動回路

制動繼電器、故障復(fù)位繼電器分別接于變頻器的不同端子。緊急制動時，優(yōu)先端子吸合，變頻器故障輸出至不同兩個端子，斷開中間繼電器，使安全回路制動。排除故障后開關(guān)閉合，使變頻器故障復(fù)位，復(fù)位后繼續(xù)運行。

3.3.7 可調(diào)閘回路與原控制系統(tǒng)相同

測速發(fā)電機回路只保留等速過速繼電器，在提升機出現(xiàn)等速過速時實現(xiàn)安全制動。

3.3.8 相關(guān)儀表及指示燈

司機操縱臺設(shè)變頻器電源電壓、電流，輸出頻率、電壓、電流、油泵工作指示，油過熱，過壓，變頻器工作指示等相關(guān)儀表及指示燈。

4 實施效果

實踐證明，應(yīng)用CIMR-G5A系列變頻器對礦井提升機的傳統(tǒng)TKD系列電控系統(tǒng)進行改造是完全可行。(1)改造后的提升機電控系統(tǒng)簡單可靠，操作人員更便于操作；(2)提升機的起動、制動、調(diào)速性能均優(yōu)于原系統(tǒng)，且運行噪音低，環(huán)境污染減?。?3)實現(xiàn)節(jié)約能源的目的：經(jīng)測試，現(xiàn)提升機上提物料(8臺重車)的平均運行功率由原來的140 KW降低至86 KW，節(jié)約電能三分之一以上。下放重物時(8臺重車)220 KW電動機的運行電流平均只有1A；(4)克服原來礦井提升機采用的TDK系列電控系統(tǒng)存在的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)多，日常維護工作量大、耗能高、運行性能不穩(wěn)定等缺點，實現(xiàn)節(jié)能減排、運行平穩(wěn)、便于維護和維修等建設(shè)目標(biāo)。通過變頻改造完全可以實現(xiàn)礦用提升機的自主升級換代，為礦井提升機的節(jié)能、升級改造提供一條新的有效途徑。

5 結(jié)語

綜上所述，對煤礦提升機的控制系統(tǒng)進行變頻運行改造，使設(shè)備做到了合理匹配，提高了設(shè)備的技術(shù)含量和裝備水平，顯著提高提升機的運行穩(wěn)定性，保證設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟運行，使提升機的工作效率得到提升。因此，積極研究變頻技術(shù)改造，并將此項技術(shù)應(yīng)用于煤礦提升機中，提高煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率，為高產(chǎn)高效礦井建設(shè)提供了可靠保證，為智慧礦山建設(shè)打下了良好的基礎(chǔ)。