礦井提升有豎井提升和斜井提升，礦井提升機是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，被喻為礦山的“咽喉”。
一、概述
礦井提升有豎井提升和斜井提升，礦井提升機是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，被喻為礦山的“咽喉”。它擔(dān)負著礦山的礦石、廢石、設(shè)備、材料、人員等的提升、下放任務(wù)。在礦山生產(chǎn)中占有非常重要的地位。
某集團公司3-2礦體的斜井提升機，采用轉(zhuǎn)子繞組串電阻的傳統(tǒng)交流調(diào)速方式。該調(diào)速方式存在以下問題：第一，采用電磁式繼電器較多，故障判斷排除時間長。經(jīng)過長期運行后故障率高，不僅修理成本高，而且影響出礦量；第二，提升控制自動化程度低，運行時噪聲大，提升機房溫度高，提升機司機容易疲勞，勞動強度大；第三，在連續(xù)低速提升重物時，電阻發(fā)熱嚴(yán)重，經(jīng)常燒壞電阻連線，能耗大；第四，調(diào)速為有級調(diào)速，對鋼絲繩、減速機等的機械沖擊大。
二、改造方案和系統(tǒng)組成
1改造方案
采用變頻調(diào)速裝置、可編程序控制器、能量反饋單元、觸摸屏等組成交流調(diào)速系統(tǒng)，代替原有的串電阻調(diào)速系統(tǒng)。
2系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成原理框圖如圖1
變頻回路包括：刀開關(guān)、斷路器、變頻器、變頻器下端的接觸器、能量反饋單元。其中能量反饋單元組成一個柜。
控制回路:主要由主PLC控制、輔PLC控制、觸摸屏、繼電器輔助控制、操作臺構(gòu)成。其中主PLC控制和輔PLC控制互為主備，繼電器輔助控制、主、輔PLC控制安裝在同一個控制柜里，觸摸屏作為上位機安裝在操作臺上。編碼器作為位置和速度反饋信號，安裝在電機和卷筒上。其中安裝在電機上的測速編碼器信號反饋給變頻器，形成PG矢量控制。另一編碼器信號反饋給PLC作出速度和位置運算。測速電機信號、油溫油壓信號及其它開關(guān)量信號進入PLC系統(tǒng)
三、工作原理
1系統(tǒng)停止、手動、自動、下滑四種狀態(tài)下的功能
停止：在該狀態(tài)下系統(tǒng)停止工作，所有操作均不能進行，絞車處于閘瓦制動狀態(tài);
手動：在該狀態(tài)下，當(dāng)系統(tǒng)滿足安全操作的前提下，根據(jù)儀表及觸摸屏顯示的參數(shù)，通過主令控制器對絞車進行上行、下行正常手動操作。
自動：在該狀態(tài)下，由上行、下行按鈕自動完成上行、下行的全部過程，當(dāng)行至中途時，可通過停止按鈕人工干預(yù)停止，通過上行、下行按鈕可再次啟動。
下滑：在系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障不能正常進行上行、下行操作時，應(yīng)將功能開關(guān)轉(zhuǎn)換到該位置，通過主令控制器將絞車下滑到所確定的位置。
通過雙PLC數(shù)字控制技術(shù)，實現(xiàn)了《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的絞車雙線制保護及控制。絞車雙線制保護及控制具有以下特點:
(1)調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度不低于0.05%.
(2)雙線制保護：采用一條硬件安全電路和2條軟件安全電路相互冗余，使得系統(tǒng)更加安全可靠。
(3)雙線制控制：正常工作時，由于采用雙PLC系統(tǒng)相互監(jiān)視，相互冗余。當(dāng)其中一個PLC系統(tǒng)發(fā)生故障時，另一個PLC系統(tǒng)仍可投入進行應(yīng)急開車，提高了絞車系統(tǒng)的運行可靠性。
2保護及連鎖功能
2.1安全制動時，配合液壓站安全閥使提升機實現(xiàn)一級或二級制動，同時變頻器進入回饋制動狀態(tài)。
2.2任何情況下，只有司機接到開車信號后才能使提升機運行。
2.3當(dāng)提升過程中發(fā)生潤滑油壓力過高、過低、潤滑油濾油器或液壓站濾油器堵塞或油溫高時，觸摸屏上有相應(yīng)的故障信息顯示，點亮相應(yīng)信息燈，告知司機可以完成本次提升工作，當(dāng)故障解除后才允許司機進行下一次提升工作。
2.4當(dāng)提升機因發(fā)生故障在中途停車，而且提升容器位于減速段行程內(nèi)時，排除故障后允許司機按上次開車方向選擇開車，并且只能低速開車：若提升容器不在減速行程內(nèi)，由井口發(fā)出開車信號，允許司機高速開車。
2.5全礦停電時，由PLC系統(tǒng)保證提升機能實現(xiàn)二級制動，并做好提升機的后備保護。
2.6盤式制動器的工作制動力矩可調(diào).緊急制動(安全制動)能產(chǎn)生二級制動，避免機械沖擊。
3行程控制功能
行程控制是由PLC系統(tǒng)完成，主要將提升機的升降過程劃分成不同提升速度要求的行程區(qū)間。根據(jù)每一行程區(qū)間的實際情況和不同速度要求變換變頻器的速度給定值，并形成閉環(huán)平滑地調(diào)節(jié)提升機的升降速度:行程控制不僅控制提升機整個升降行程過程的速度，而且控制提升機的停車和制動過程。行程控制可以很好地防止提升機過卷、過放、脫軌和翻車等事故發(fā)生，特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。
4制動控制功能
提升機的正常制動有回饋制動、抱閘制動等方式、回饋制動的實現(xiàn)是在交一直一交電壓型變頻器的直流環(huán)節(jié)引入逆變環(huán)節(jié)。當(dāng)提升機的實際運行速度高于給定運轉(zhuǎn)速度時，電動機相當(dāng)于一臺發(fā)電機，直流環(huán)節(jié)電壓升高，給逆變器提供能量并回饋電網(wǎng)，電動機自動運行在制動狀
態(tài)。以達到變頻器準(zhǔn)確停車的目的，很好地防止機械沖擊和快速下滑。抱閘制動一般在停車時使用，當(dāng)運行到停車位時，行程控制器對變頻器發(fā)出停車信號，同時，對抱閘制動器發(fā)出抱閘控制信號，實施抱閘制動。當(dāng)發(fā)生脫軌等事故時，操作控制實行緊急抱閘制動。
本系統(tǒng)采用的回饋制動方式，在制動過程中，提升機運行平穩(wěn)，并且將制動能量回饋到網(wǎng)，有一定的節(jié)能效果。6920V制動時序如下圖
5主要器件功能
5.1可編程序控制器功能
系統(tǒng)除緊急保護功能外的所有控制均由可編程序控制器((PLC完成。系統(tǒng)配置的可編程序控制器，采用能適應(yīng)惡劣工業(yè)環(huán)境、抗干擾能力強；具備兩個可同時使用的通訊端口(編程器端口和通用端口)，通過與液晶觸摸屏的通訊，可直觀方便地顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、運
行參數(shù)、可顯示全部開關(guān)元件的狀態(tài)及各種故障、報警信息；接收系統(tǒng)配置的電壓變送器、電流變送器、編碼器等傳來的信號，經(jīng)過運算、處理后，對絞車進行控制、監(jiān)視、保護。在緊急制動時(安全制動)，由可編程序控制器控制盤形閘產(chǎn)生二級制動，避免機械沖擊。簡化系統(tǒng)可編程序控制器控制流程圖，如圖2。
5.2變頻器功能
變頻器接收旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的速度反饋信號，形成PG矢量控制，實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。本系統(tǒng)配置6920V系列變頻器及能量回饋單元,
■一體化方案：采用電動機驅(qū)動與起重邏輯控制有機結(jié)合的方式，省去了原系統(tǒng)中的PLC，減少潛在故障點，簡化系統(tǒng)接線、調(diào)試簡單靈活，代表未來起重機控制的發(fā)展方向；
■寬電壓設(shè)計更能滿足惡劣的電源環(huán)境
■起重機專業(yè)邏輯設(shè)計：集多年起重機行業(yè)設(shè)計的經(jīng)驗，設(shè)計了專家級、廣泛應(yīng)用的起升機構(gòu)的控制和安全邏輯，包括時序配合、防溜鉤、等功能，為配套客戶提供完美的解決方案；
■在采礦、冶金、筑路行業(yè)的上料系統(tǒng)有專門的定長設(shè)計，使控制更安全可靠。精確的力矩控制:失速防止功能、故障復(fù)位再試功能;加裝應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器6900可實現(xiàn)全頻域磁通電流矢量控制，在0.5Hz使電機保持150%輸出轉(zhuǎn)矩。
變頻裝置主要技術(shù)參數(shù)
(1)輸入電源電壓AC304-456V，頻率50HZ；電壓允許波動范圍+/-20％；頻率允許波動范圍48-65HZ；
(2)輸出頻率范圍0～50Hz連續(xù)可調(diào)；
(3)額定重載輸出功率：160kW。
(4)過載能力150%，1分鐘；180%，20s
(5)有較高的功率因數(shù)cosφ＞0．98；
(6)低頻運轉(zhuǎn)時，有自動轉(zhuǎn)矩提升功能及轉(zhuǎn)差補償功能能，保證150％ 的額定轉(zhuǎn)矩；
(7)變頻器設(shè)有過壓、欠壓、過流、過載，功率元件過熱和電機缺相等保護，設(shè)有故障記憶功能，能保留最近5次故障的功能號碼和最后一次故障的參數(shù)；
(8)總諧波含量THD<5％。
主要技術(shù)原理
(1)采用全數(shù)字速度傳感器閉環(huán)矢量控制，使系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高。變頻器在低頻運行時，也保證有150％以上額定力矩輸出。最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，矢量控制實現(xiàn)的基本原理是通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉(zhuǎn)矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量(勵磁電流)和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量(轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制，并同時控制兩分量問的幅值和相位，即控制定子電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制方式。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。
PLC控制流程如圖2示。
5.3能量回饅單元
主要作用是提高變頻器的制動能力，并將絞車下放重物的制動能量回饋電網(wǎng)，達到節(jié)能的目的
5.4操作臺的主要功能
操作臺裝有手動操作的主令控制器.可手動調(diào)整制動力和絞車運行速度.并配有手動和腳踏緊急制動開關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時快速制動
5.5液晶觸摸屏的功能
通過與可編程序控制器的通訊直觀顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)、故障狀態(tài)、運行參數(shù)‘如顯示絞車運行速度、提升容器位置、電動機電流和電壓等)，可顯示全部開關(guān)元件的狀態(tài)及各種故障、報警倍息;可修改可編程序控制器改內(nèi)部參數(shù)設(shè)置(需有相應(yīng)權(quán)陽:具有密碼保護功能可根據(jù)權(quán)限設(shè)置、修改操作員密碼.不同安全等級的操作員具有不同的操作權(quán)限
四、系統(tǒng)配置
1變頻器選擇
變頻器驅(qū)動的電動機為:JR 127- 8 115k W
額定電壓:380V
碩定電流:227A
根據(jù):變頻器額定輸出電流≥電動機數(shù)定電流×1.1的原則
227×1.1=249.7A
查6920V系列變頻器樣本:
容量132kVA的額定輸出電流為:255A
容量160k VA的額定輸出電流為:302A
綜合考慮坑下環(huán)境和運輸條件，最終選擇變頻器容量為I60kVA
型號：6920V-3160G
2可編程序控制器選擇
綜合考慮上過卷、下過卷、手動上行、手動下行、自動上行、自動下行、正常停車、緊急停車、安全回路、液壓站控制、盤形閘控制、各工作指示燈、報份指示燈等.以及各工況之間的互相連鎖控制.并考慮一定的冗余。最終選擇可編程序控制器為三菱品牌,點數(shù)為48點。
型號: FX2N-48M-001
3能量回饅單元選擇
3.1制動電壓選擇
制動電壓選擇過低.當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時，會造成制動單元誤動作。而制動電壓選擇過高，對設(shè)備的安全運行構(gòu)成威脅對380V系統(tǒng)，制動電壓一般選700V。
3.2制動電流選擇
制動電流是指制動時流過制動電阻和制動單元的直流電流。
選擇依據(jù)：制動必須完全吸收電機的再生電能
制動吸收功率(U×I)=電機再生電能(瓦)=1000×P×η
P____電機額定功率(kW)
U____制動單元直流工作點，通常取700V
I____ 制動電流(A)
η____回饋時機械能的轉(zhuǎn)換效率，通常取η=0.7
計算得:I=115
3.3功率選擇
電機再生電能必須被吸收并回饋電網(wǎng)
PR=P×Kf×η×ε
PR————回饋單元功率(Kw)
η____回饋時機械能的轉(zhuǎn)換效率，通常取η=0.7
ε____制動功耗安全系數(shù).取ε =1.4
Kf____制動頻率，指再生過程占整個電機工作的時間比例
查相關(guān)資料Kf取60%
計算得PR =67.62 kW
選取回饋單元功率70 kW
五、改造收益
1運行效果
系統(tǒng)投入運行后，絞車操作方便、運行平穩(wěn)，絞車控制室的環(huán)境溫度、噪音得到極大改善。為操作工提供了良好的工作環(huán)境
2節(jié)能效果
2008年1-5月份提升單耗為2.92度/t.，2009年1-5月份提升單耗為1.66度/t，單耗降低1.26 度/t，單耗下降率43.15%, 2008年提升礦石132334噸，節(jié)電16.67萬度，綜合電價按0.528元/度計算，年少支出電費8.804萬元。
總之，變頻調(diào)速系統(tǒng)在井下提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以很好地解決調(diào)速和啟動等問題，實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊使運行更加平穩(wěn)可靠；起動及加速換擋時沖擊電流很小，減輕了對電網(wǎng)的沖擊，簡化了操作、降低了工人的勞動強度;運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感；安全保護功能齊全.除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設(shè)有聯(lián)鎖保護、自動限速保護等，在坑下斜并絞車推廣用變頻調(diào)速系統(tǒng)代替串電阻調(diào)速系統(tǒng)，是提高礦山坑下斜井絞車技術(shù)含量，并且開辟節(jié)能挖潛的一條新途徑。