一、概況

    礦井提升機(jī)是煤礦、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。某煤礦井下采煤，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)，由電動(dòng)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，其兩端分別掛上一列煤車車廂，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時(shí)把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負(fù)載的作用，任何時(shí)候總有一列重車上行，不會(huì)出現(xiàn)空行程，電動(dòng)機(jī)總是處于電動(dòng)狀態(tài)。這種拖動(dòng)系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)頻繁的正、反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，減速制動(dòng)，而且電動(dòng)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)示意如圖13 -3所示。斜井提升機(jī)的動(dòng)力由繞線式電動(dòng)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：電動(dòng)機(jī)功率55kW，卷簡直徑1200mm，減速器減速比為24：1，最高運(yùn)行速度2.5m／s，鋼絲繩長度為120m。

    圖13-3    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動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器一交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長，交流接觸器主觸點(diǎn)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)頻繁的啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這種交流繞線式電動(dòng)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；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差；啟動(dòng)過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行振動(dòng)大，安全性較差。

    二、改造方案

    為克服傳統(tǒng)交流繞線式電動(dòng)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13 -4所示。

    考慮到繞線式電動(dòng)機(jī)比籠型電動(dòng)機(jī)的力矩大，且過載能力強(qiáng)，所以仍用原來的4極55kW繞線式電動(dòng)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)不運(yùn)行。

    圖13-4    礦井提升機(jī)變頻調(diào)速方案

    三、方案實(shí)施

    斜井提升負(fù)載是典型的摩擦性負(fù)載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。重車上行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)還要克服一定的靜摩擦力矩，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)。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，電動(dòng)機(jī)仍會(huì)處于再生狀態(tài)。當(dāng)另一列重車上行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)。另外，有占總運(yùn)行時(shí)間10%的時(shí)候單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下時(shí)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)長時(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，啟動(dòng)力矩較大，選用變頻器時(shí)適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔浚�因此，選用三菱75kW變頻器。由于提升機(jī)電動(dòng)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，啟動(dòng)時(shí)當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定值，如1Hz時(shí)，變頻器SU、SE端口輸出信號(hào)，表示電動(dòng)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；減速過程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到1Hz時(shí)，表示電動(dòng)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，手握操縱桿控制電動(dòng)機(jī)正、反轉(zhuǎn)和三擋速度。為適應(yīng)操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設(shè)置，STF、STR控制正反轉(zhuǎn)，RH、RM、RL為三段速度。變頻調(diào)速接線圖如圖13 -5所示。

    圖13-5    PLC、變頻調(diào)速接線圖

    四、提升機(jī)工作過程

    提升機(jī)經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，操縱桿控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)三段速度。不管電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都是從礦井中將煤拖到地面上來，電動(dòng)機(jī)工作在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時(shí)，需要減速并制動(dòng)，提升機(jī)工作時(shí)序圖如圖13-6所示。

    圖13 -6    提升機(jī)工作時(shí)序圖

    圖13 -6中，提升機(jī)無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，其工作過程是相同的，都有啟動(dòng)、加速、中速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速運(yùn)行、制動(dòng)停車等7個(gè)階段。每提升一次運(yùn)行的時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)行速度，加速度及斜井的深度有關(guān)，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運(yùn)行的時(shí)間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的狀況自定。圖中各個(gè)階段的工作情況說明如下：

    (1)第一階段0～t1：車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)給井口提升機(jī)操作工人，操作工人再回復(fù)一個(gè)信號(hào)到井底，然后開機(jī)提升。重車從井底開始上行，空車同時(shí)在井口車場位置開始下行。

    (2)第二階段t1～t2：重車啟動(dòng)后，加速到變頻器的頻率為f2速度運(yùn)行，中速運(yùn)行的時(shí)間較短，只是一過渡段，加速時(shí)間內(nèi)設(shè)備如果沒有問題，立即再加速到正常運(yùn)行速度。

    (3)第三階段t2～t3：再加速段。

    (4)第四階段t3～t4：重車以變頻器頻率為f3的最大速度穩(wěn)定運(yùn)行，一般這段過程最長。

    (5)第五階段t4～t5：操作工人看到重車快到井口時(shí)立即減速，如減速時(shí)間設(shè)置較短時(shí)，變頻器制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

    (6)第六階段t5～t6：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。

    (7)第七階段t6～t7：快到停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)到井下，整個(gè)提升過程結(jié)束。

    圖中加速和減速段的時(shí)間均在變頻器上設(shè)置。以上為人工控制方式，也可由PLC來進(jìn)行過程的自動(dòng)控制。

    五、PLC控制程序

    PLC控制程序如圖13 -7所示。

    圖13-7    PLC控制程序

    繞線式電動(dòng)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)統(tǒng)計(jì)節(jié)能30%以上，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，提升機(jī)變頻調(diào)速后，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。