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1引言

提升機(jī)是礦井的關(guān)鍵和重大安全設(shè)備之一，用作提升礦物和物料及設(shè)備等，是礦井系統(tǒng)設(shè)備的咽喉。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，占有非常重要的地位，它不僅關(guān)系到礦井的正常安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率，而且直接影響上、下井人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，它的電氣傳動(dòng)及控制裝置一直是各國(guó)傳動(dòng)界的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)大多數(shù)礦井提升機(jī)采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，這種系統(tǒng)屬于落后技術(shù)，而采用DSP全數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)代表礦井提升機(jī)技術(shù)的先進(jìn)水平。礦用提升機(jī)的技術(shù)更新改造要求迫在眉睫。

2原礦山提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)介

河北某煤礦礦井主斜井有一臺(tái)絞車，采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，電機(jī)采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速，該調(diào)速方式存在以下缺點(diǎn)：

(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

(2)控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。

(3)低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。

(4)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。

(5)自動(dòng)化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。

(6)低速段的啟動(dòng)力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差。

針對(duì)以上這些問(wèn)題，煤礦決定對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)當(dāng)今科技的發(fā)展，采用技術(shù)含量較高的變頻調(diào)速，替代原來(lái)的繞線電機(jī)串電阻調(diào)速，是較理想的方案。經(jīng)礦方多方考察，選用了新風(fēng)光電子科技股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-450T型高壓提升機(jī)變頻系統(tǒng)。

該煤礦絞車現(xiàn)場(chǎng)為單滾筒絞車，絞車設(shè)備配置如表1、表2所示。

 3 新風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器系統(tǒng)的特點(diǎn)

新風(fēng)光公司是國(guó)內(nèi)較早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家，新風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器被列入國(guó)家火炬計(jì)劃，產(chǎn)品榮獲國(guó)家重點(diǎn)新產(chǎn)品、山東省科技進(jìn)步獎(jiǎng)，產(chǎn)品被列入國(guó)家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄第一批名單。

新風(fēng)光JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，以高速DSP（TMS320F2812）為控制核心，采用矢量控制技術(shù)，融合了能量回饋技術(shù)，以及IGBT大電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運(yùn)行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動(dòng)。矢量控制技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 矢量控制技術(shù)原理框圖

 此次變頻改造選用1臺(tái)JD-BP37-450T型高壓提升機(jī)變頻器，額定電壓6kV，額定電流54A，額定功率450kW。高壓提升機(jī)變頻器技術(shù)參數(shù)如表3所示。 

JD-BP37-450T型高壓提升變頻調(diào)速器采用進(jìn)口IGBT為主控器件，采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，以DSP為控制核心，精心巧妙科學(xué)的程序邏輯，以彩色液晶觸摸屏為人機(jī)對(duì)話界面，科學(xué)人性化的界面語(yǔ)言，全中文的語(yǔ)言顯示，便于操作及查詢。風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器，即可用于鼠籠式電機(jī)也可用于繞線式電機(jī)，即可用于新礦井配套安裝，也可用于老礦井改造。風(fēng)光6kV高壓提升變頻器，采用若干個(gè)低壓逆變器功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，所用的6kV高壓提升變頻器，變壓器有15組付邊繞組，每相分為5個(gè)功率單元，三相共15個(gè)單元，采用30脈沖整流，輸入端的諧波成分遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定。高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。功率單元電路如圖3所示。

圖2高壓提升變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 

圖3功率單元電路結(jié)構(gòu)

控制器核心由高速32位芯片運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到較優(yōu)的運(yùn)行性能。人機(jī)界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。內(nèi)置PLC用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性?？刂破骷案骺刂茊卧逯胁捎孟冗M(jìn)的大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

另外，控制器與功率單元之間采用多通道光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，具有很好的抗電磁干擾性能，并且各個(gè)功率單元的控制電源采用一個(gè)獨(dú)立于高壓系統(tǒng)的統(tǒng)一控制器，方便調(diào)試、維修、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。

4變頻改造方案

4.1改造主回路情況

改造提升機(jī)用變頻器是在原提升機(jī)電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝變頻調(diào)速系統(tǒng)，高壓變頻器為新風(fēng)光公司生產(chǎn)的JD-BP37-450T型高壓提升機(jī)變頻器。高壓提升變頻器是整個(gè)電控系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。它接受操作臺(tái)電控系統(tǒng)的操作命令，同時(shí)它又將運(yùn)行狀態(tài)，包括工作頻率、電機(jī)電流、電源電壓、電流及故障信息隨時(shí)送給電控系統(tǒng)。變頻器本身又將工作信號(hào)及工作狀態(tài)自動(dòng)記錄以備查閱，依據(jù)用戶要求連接打印設(shè)備，每班數(shù)據(jù)打印，形成設(shè)備報(bào)表。變頻器的所有輸入、輸出接口均進(jìn)行了隔離，避免對(duì)變頻器引入干擾。新風(fēng)光高壓提升變頻器滿足煤礦現(xiàn)有的各種電器閉鎖要求，符合《煤礦安全規(guī)程》要求。

改造中將原繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行短接處理，利用原繞線電機(jī)，節(jié)約了投資。為不大面積影響煤礦生產(chǎn)，把輔料預(yù)先下放到位，根據(jù)生產(chǎn)情況間歇性停機(jī)改造。改造主回路示意圖如圖4所示。

圖4  改造主回路示意圖

4.2變頻控制與操作臺(tái)接口

變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖如圖5所示。

（1）速度控制信號(hào)輸入

電控系統(tǒng)給一路4～20mA模擬量速度信號(hào)。

（2）模擬量輸出

系統(tǒng)提供兩路模擬輸出，模擬量輸出設(shè)定為4～20mA輸出電流和4～20mA輸出頻率。

（3）與操作臺(tái)遠(yuǎn)程控制

上提、下放、抱閘（松閘）、安全回路輸入、安全回路輸出、變頻就緒、故障輸出。

圖5 變頻器與電控系統(tǒng)連接框圖

5 變頻運(yùn)行情況

2015年8月，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場(chǎng)開始安裝、調(diào)試變頻器。調(diào)試人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況情況：電動(dòng)機(jī)沒(méi)有裝旋轉(zhuǎn)編碼器，把變頻器工作方式設(shè)置為無(wú)旋轉(zhuǎn)編碼器矢量控制工作方式，同時(shí)把電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，然后帶空電動(dòng)機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，查看變頻器的工作情況與理論工作曲線進(jìn)行比較后再次調(diào)整電機(jī)設(shè)置參數(shù)，使實(shí)際運(yùn)行曲線與理論曲線達(dá)到一致，最后帶滾筒對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。該礦領(lǐng)導(dǎo)為了驗(yàn)證變頻器的輸出力矩，在現(xiàn)場(chǎng)把罐籠裝滿最重的沙石料（超過(guò)額定負(fù)載量）然后把罐籠放在水中，根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，這種情況如果采用串電阻絞車通常會(huì)出現(xiàn)拉不動(dòng)跳高壓情況?，F(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備就緒后開始啟動(dòng)，變頻器運(yùn)行在2.0Hz，輸入電流在9A，輸出電流達(dá)到72A（電動(dòng)機(jī)額定電流47A）的情況下罐籠平穩(wěn)地從水中被提上來(lái)，沒(méi)有出現(xiàn)罐籠晃動(dòng)現(xiàn)象。

為了驗(yàn)證下放回饋能力，現(xiàn)場(chǎng)把正常工作使用的傘鉆作為重物進(jìn)行試驗(yàn)（傘鉆的重量為5.3噸，是由主提絞車負(fù)責(zé)提升和下放），下放運(yùn)行頻率1.5Hz，輸出電流68A，輸入電流8A，變頻器回饋工作正常。通過(guò)試驗(yàn)，變頻器啟動(dòng)、停止以及調(diào)速過(guò)程中電動(dòng)機(jī)聲音正常，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)。主井副提絞車通過(guò)改造后，實(shí)現(xiàn)了絞車的軟啟動(dòng)、軟停止，由于變頻器運(yùn)行穩(wěn)定使現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效率得到了提高。特別是變頻器采用回饋制動(dòng)工作方式，在提升量基本相同的情況下，通過(guò)與主提絞車相比較變頻運(yùn)行時(shí)節(jié)電量達(dá)20%以上。

6結(jié)束語(yǔ)

新風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器在主井提升機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻電控系統(tǒng)改造中，不僅提高了提升系統(tǒng)的安全性和可靠性，而且大大減低了維護(hù)費(fèi)用，節(jié)能效果明顯，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩、高精度、寬調(diào)速范圍驅(qū)動(dòng)，是交流提升機(jī)電控系統(tǒng)發(fā)展的方向，應(yīng)用前景廣闊。