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    礦井提升機(jī)是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產(chǎn)過(guò)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(guò)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(guò)斜井用提升機(jī)將煤車拖到地面上來(lái)。煤車廂與火車的運(yùn)貨車廂類似，只不過(guò)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(dòng)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(dòng)下將裝滿煤的列車從斜井拖上來(lái)或放下去。這種拖動(dòng)系統(tǒng)要求電機(jī)頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動(dòng)，減速制動(dòng)，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(dòng)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(zhǎng)度為120m。


圖1 提升機(jī)卷筒機(jī)械傳動(dòng)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(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，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(huì)造成停車位置不準(zhǔn)確。提升機(jī)頻繁的起動(dòng)﹑調(diào)速和制動(dòng)，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(jí)調(diào)速，調(diào)速的平滑性差;低速時(shí)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(dòng)過(guò)程和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大;中高速運(yùn)行震動(dòng)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(duì)再生能量的處理，可采用價(jià)格低廉的能耗制動(dòng)方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動(dòng)方案。為安全性考慮，液壓機(jī)械制動(dòng)需要保留，并在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)液壓機(jī)械制動(dòng)和變頻器的制動(dòng)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(dòng)機(jī)比鼠籠式電動(dòng)機(jī)的力矩大，且過(guò)載能力強(qiáng)，所以仍用原來(lái)的4極55kW繞線式電機(jī)，在用變頻器驅(qū)動(dòng)時(shí)需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，井下和井口必須用信號(hào)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，信號(hào)未經(jīng)確認(rèn)，提升機(jī)不能運(yùn)行。為顯示運(yùn)行時(shí)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(gè)脈沖，這樣每?jī)蓚€(gè)脈沖對(duì)應(yīng)車廂走過(guò)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(zhǎng)度為120m，如果兩個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)車廂走過(guò)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(cè)過(guò)程中有一個(gè)脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm～829mm之間，對(duì)于數(shù)十米長(zhǎng)的車廂來(lái)說(shuō)誤差范圍不到1m，精度足夠。因此，用計(jì)數(shù)器實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，則可計(jì)算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個(gè)問(wèn)題是計(jì)數(shù)過(guò)程中有無(wú)累計(jì)誤差存在？實(shí)際檢測(cè)時(shí)，在一個(gè)提升過(guò)程開始前，首先將計(jì)數(shù)器復(fù)位，第一個(gè)重車廂經(jīng)過(guò)某個(gè)位置時(shí)，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(méi)有累計(jì)誤差。在操作臺(tái)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(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)還要克服一定的靜摩檫力矩，電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)，且工作于第一象限。在重車減速時(shí)，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時(shí)間較短，電機(jī)仍會(huì)處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當(dāng)列重車上行時(shí)，電機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，有占總運(yùn)行時(shí)間10%的時(shí)間單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下時(shí)，電機(jī)純粹處于第二或第四象限，此時(shí)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進(jìn)行有效的制動(dòng)。用能耗制動(dòng)方式必將消耗大量的電能;用回饋制動(dòng)方式，可節(jié)省這部分電能。但是，回饋制動(dòng)單元的價(jià)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(shí)間的10%，為此選用價(jià)格低廉的能耗制動(dòng)單元加能耗電阻的制動(dòng)方案。

    提升機(jī)的負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，起動(dòng)力矩較大，選用變頻器時(shí)適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔浚虼?，三?32kW變頻器。由于提升機(jī)電機(jī)絕大部分時(shí)間都處于電動(dòng)狀態(tài)，僅在少數(shù)時(shí)間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入一制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，就可以滿足重車下行時(shí)的再生制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個(gè)液壓機(jī)械制動(dòng)器，類似電磁抱閘，此制動(dòng)器用于重車靜止時(shí)的制動(dòng)，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)。液壓機(jī)械制動(dòng)器受PLC和變頻器共同控制，機(jī)械制動(dòng)是否制動(dòng)受變頻器頻率到達(dá)端口的控制，起動(dòng)時(shí)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(hào)，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機(jī)械制動(dòng)器，重車可上行;減速過(guò)程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到0.2Hz時(shí)，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機(jī)械制動(dòng)器制動(dòng)停車。緊急情況時(shí)，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動(dòng)和液壓機(jī)械制動(dòng)器同時(shí)起作用，使提升機(jī)在盡量短的時(shí)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(tái)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(wú)級(jí)（無(wú)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

節(jié)電率與投資回報(bào)分析　　
    某鐵底礦使用的煤礦提升機(jī),原采用132KW三相異步電動(dòng)機(jī),轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,用交流接觸器進(jìn)行速度切換,由于功率比較大,所以啟動(dòng)換檔時(shí)沖擊電流大,中高速運(yùn)行不平穩(wěn),大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上,告成能源的極大浪費(fèi)。同時(shí)，工人的操作環(huán)境也極惡劣，急需進(jìn)行改造。
　　
    由于變頻器具有軟啟動(dòng)、大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，因此我礦經(jīng)過(guò)多方考察，決定采用廣州三晶電氣有限公司生產(chǎn)的系列變頻器對(duì)絞車系統(tǒng)進(jìn)行變頻改造，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行，證明改造的效果比較理想，主要表現(xiàn)在：
1、實(shí)現(xiàn)了啟動(dòng)時(shí)的軟啟動(dòng)、軟停車，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
2、變頻器的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，使調(diào)速更加方便、可靠，運(yùn)行更平穩(wěn)。
3、使用變頻器后省去原先的換檔接觸器及調(diào)速電阻，即節(jié)省了維修費(fèi)用，又減少了停機(jī)維修時(shí)間，從而提高了產(chǎn)量。同時(shí)改善了惡劣操作環(huán)境，使工人避免在夏季調(diào)速電阻發(fā)熱告成的高溫條件下工作。
4、在低速時(shí)節(jié)能效果十分明顯。礦井深300多米，測(cè)量時(shí)用4/50的電度表，在相同耗電量的情況下，用工頻可拉17勾，而使用變頻可拉26勾，即變頻比工頻多拉9勾。經(jīng)估算節(jié)電率約為20%。由于使用了變頻器，設(shè)備基本上是滿載運(yùn)行。即使我們采用保守算法，把132KW的電機(jī)功率折扣為120KW，每天只使用20小時(shí)，每年工作360天，一年節(jié)電仍高達(dá)30.24萬(wàn)度（120*0.35*20*360=302400度)。若以每度電0.5元計(jì)算(當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.6元),則每年可節(jié)電費(fèi)15萬(wàn)多元(302400*0.5=151200元)。

結(jié)束語(yǔ)
    繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方式。提升機(jī)絕大部分時(shí)間都處在電動(dòng)狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)測(cè)算節(jié)能20%以上，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，提升機(jī)變頻調(diào)速使系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運(yùn)行故障和停工工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了運(yùn)煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。