矿井提升机的变频调速改造

一、概况
        矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。山西某煤矿井下采煤，采好的煤通过斜井用提升机将煤车拖到地面上来。这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电机的转速一定规律变化。斜井提升机的机械结构示意如下图所示。斜井提升机的动力由绕线式电机提供，采用转子串电阻调速。   
   
       目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍 采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触 器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电 路所串电阻的上产生相当大的功耗。这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；电阻上消耗的转差功 率大，节能较差；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。
   二、改造方案
        为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造提升机，可以实现全频率（0～50Hz）范围内的恒转矩控制。对再生能量的处理，可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显着的回馈制动方案。为安全性考虑，液压机械制动需要保留，并在设计过程中对液压机械制动和变频器的制动加以整合。 矿井提升机变频调速方下如图所示：
   
        现场使用的是绕线式电动机，在用变频器驱动时需将转子三根引出线短接。   
   三、方案实施
        斜井提升负载是典型的摩檫性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电机的电磁转矩必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩檫力矩，电机处于电动工作状态，且工作于第一象限。在重车减速时，虽然重车在斜井面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车 上行时，电机处于反向电动状态，工作在第三象限和第四象限。另外有占总运行时间10%的时候单独运送工具或器材到井下时，电机纯粹处于第二或第四象限， 此时电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的制动。因此采用能耗制动单元加能耗电阻的制动方案。
       提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量。因此选用伟创高性能AC60-G系列变频器。由于提升机电机绝大部分时间都处于电动状态，仅在少数时间有再生能量产生，变频器接入一制动单元和制动电阻，就可以满足重车下行时的再生制动，实现平稳的下行。井口还有一个液压机械制动器，类似电磁抱闸， 此制动器用于重车静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有液压机械制动器制动。液压机械制动器受原控制系统和变频器共同控制，机械制动是否制动受变频器频率到达端口的控制，起动时当变频器的输出频率达到设定值，例如2Hz，变频器TA、TB、TC端口输出信号，表示电机转矩已足够大，打开液压机械 制动器，重车可上行；减速过程中，当变频器的频率下降到2Hz时，表示电机转矩已较小，液压机械制动器制动停车。紧急情况时，按下紧急停车按钮，变频器自由停机，液压机械制动器马上起作用，使提升机在尽量短的时间内停车。
       提升机传统的操作方式为，操作工人坐在煤矿井口操作台前，手握操纵杆控制电机正﹑反转个三挡速度。为适应操作工人这种操作方式，变频器采用多段速度设置，FWD、REV设为正反转，X1、X2、X3设为低、中、高三挡速度。变频调速原理图如下图所示。
   
       变频器的设置如下：E-01：1；E-02：0；E-13：40；E-14：40；E-18：6；E-23：100；E-28：2.00；E-33：2.00；F-01：5；F-02：6；F-03：7；F-09：10.0；F-10：30.0；F-12：50.0；其它按现场要求设置。以上设置请参见AC60系列说明书。
   四、提升机工作过程
       提升机经过变频调速改造后，系统的工作过程变化不大。操纵杆控制电机正转三挡速度和反转三段速度。不管电机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电机工作在正转和反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动，提升机工作时序图如图4所示。
   
       提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行的时间，与 系统的运行速度，加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。图中各个阶段的工作情况说明如 下：
       （1）第一阶段0～t1：串车车厢在井底工作面装满煤后，发一个联络信号给井口提升机操作工人，操作工人在回复一个信号到井底，然后开机提升。重车从井底开始上行，空车同时在井口车场位置开始下行。
       （2）第二阶段 t1～t2：重车起动后，加速到变频器的频率为f2速度运行，中速运行的时间较短，只是一过渡段，加速时间内设备如果没有问题，立即再加速到正常运行速度。
       （3）第三阶段 t2～t3：再加速段。
       （4）第四阶段 t3～t4：重车以变频器频率为f3的最大速度稳定运行，一般，这段过程最长。
       （5）第五阶段 t4～t5：操作工人看到重车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快跳闸。
       （6）第六阶段 t5～t6：重车减速到低速以变频器频率为f1速度低速爬行，便于在规定的位置停车。
       （7）第七阶段 t6～t7：快到停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，操作工人发一个联络信号到井下，整个提升过程结束。
       以上为人工操作程序，也可按操作台自动操作程序工作。
       图中加速和减速段的时间均在变频器上设置。
   五、结语
        绕线式电机转子串电阻调速，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率越大。使用变频调速，是一种不耗能的高效的调速方式。提升机绝大部分时间 都处在电动状态，节能十分显着，经测算节能30%以上、取得了很好的经济效益。另外，提升机变频调速后，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高，减少了运行故障和停工检修工时，节省了人力和物力，提高了运煤能力，间接的经济效益也很可观。