礦井提升機(jī)是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。本文介紹的是煤礦斜井絞車提升機(jī)采用SAJ-8000Z(132kw)變頻器進(jìn)行改造的實(shí)例及所取得的節(jié)能等效益。
引言
礦井提升機(jī)是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。煤礦井下采煤，采好的煤通過斜井用提升機(jī)將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運(yùn)貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機(jī)，由電機(jī)經(jīng)減速器帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周掛上一列煤車車廂，在電機(jī)的驅(qū)動下將裝滿煤的列車從斜井拖上來或放下去。這種拖動系統(tǒng)要求電機(jī)頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動，減速制動，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化。斜井提升機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。斜井提升機(jī)的動力由繞線式電機(jī)提供，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。提升機(jī)的基本參數(shù)是:電機(jī)功率55kW，卷筒直徑Φ1200mm，減速器減速比24:1，最高運(yùn)行速度2.5m/s，鋼絲繩長度為120m。
圖1 提升機(jī)卷筒機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井提升機(jī)普遍采用交流繞線式電機(jī)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(shè)備運(yùn)行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準(zhǔn)確。提升機(jī)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(dāng)大的功耗。這種交流繞線式電機(jī)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(jī)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(yùn)行震動大，安全性較差。
改造方案
為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全頻率(0～50Hz)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機(jī)械制動需要保留，并在設(shè)計(jì)過程中對液壓機(jī)械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機(jī)變頻調(diào)速方案如圖2所示。
圖2 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速方案
考慮到繞線式電動機(jī)比鼠籠式電動機(jī)的力矩大，且過載能力強(qiáng)，所以仍用原來的4極55kW繞線式電機(jī)，在用變頻器驅(qū)動時需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。提升機(jī)在運(yùn)行過程中，井下和井口必須用信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，信號未經(jīng)確認(rèn)，提升機(jī)不能運(yùn)行。為顯示運(yùn)行時車廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉(zhuǎn)編碼器，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生40個脈沖，這樣每兩個脈沖對應(yīng)車廂走過的距離為1200×π/(24×40)=3.927，約為3.9mm。則與實(shí)際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm，卷筒運(yùn)行一圈誤差為0.027×40×24=25.29mm，已知鋼絲繩長度為120m，如果兩個脈沖對應(yīng)車廂走過的距離用近似值3.9mm計(jì)算，120m全程誤差為25.92×120000/1200π≈825mm。再考慮到實(shí)際檢測過程中有一個脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm～829mm之間，對于數(shù)十米長的車廂來說誤差范圍不到1m，精度足夠。因此，用計(jì)數(shù)器實(shí)時統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，則可計(jì)算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個問題是計(jì)數(shù)過程中有無累計(jì)誤差存在？實(shí)際檢測時，在一個提升過程開始前，首先將計(jì)數(shù)器復(fù)位，第一個重車廂經(jīng)過某個位置時，打開計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，車廂在斜井中的位置以此點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算，沒有累計(jì)誤差。在操作臺上，用8英寸觸摸屏顯示交流電壓和電機(jī)工作電流以及車廂的位置。
方案實(shí)施
斜井提升負(fù)載是典型的摩檫性負(fù)載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。重車上行時，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，起動時還要克服一定的靜摩檫力矩，電機(jī)處于電動工作狀態(tài)，且工作于第一象限。在重車減速時，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電機(jī)仍會處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當(dāng)列重車上行時，電機(jī)處于反向電動狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，有占總運(yùn)行時間10%的時間單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下時，電機(jī)純粹處于第二或第四象限，此時電機(jī)長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進(jìn)行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能;用回饋制動方式，可節(jié)省這部分電能。但是，回饋制動單元的價格較高，考慮到單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下僅占總運(yùn)行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。
提升機(jī)的負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，起動力矩較大，選用變頻器時適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔浚虼耍?32kW變頻器。由于提升機(jī)電機(jī)絕大部分時間都處于電動狀態(tài)，僅在少數(shù)時間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入一制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個液壓機(jī)械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機(jī)械制動器制動。液壓機(jī)械制動器受PLC和變頻器共同控制，機(jī)械制動是否制動受變頻器頻率到達(dá)端口的控制，起動時當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定值，例如0.2Hz，變頻器A、B端口輸出信號，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機(jī)械制動器，重車可上行;減速過程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到0.2Hz時，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機(jī)械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機(jī)械制動器同時起作用，使提升機(jī)在盡量短的時間內(nèi)停車。
提升機(jī)傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機(jī)正、反轉(zhuǎn)共三擋速度。為適應(yīng)操作工人這種操作方式，變頻器采用無級（無檔位）調(diào)速。變頻調(diào)速原理圖如圖3所示。
圖3 變頻調(diào)速原理圖
