礦業(yè)企業(yè)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計方案的研究

盛超

（舜華電氣（昆山）有限公司，江蘇 昆山 215300）

目前，礦井提升機(jī)操作人員對該機(jī)械的電控系統(tǒng)的要求逐漸提高。良好的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)能夠保證提升機(jī)的工作性能和保障相關(guān)工作人員的生命安全，在發(fā)生故障前及時預(yù)警并自行制動，避免或減少造成采礦設(shè)備損壞以及操作人員的傷亡，因此提高礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性能是一件迫在眉睫的事情。本文通過對某礦區(qū)礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行全新的設(shè)計，采用直流可逆調(diào)速系統(tǒng)控制提升機(jī)運(yùn)行，取得了較好的實(shí)踐效果。

1 礦井情況

本文研究對象選取某生產(chǎn)能力為380 萬t/年巖礦的礦山，該礦山的采礦工作采用豎井開拓方式，其中有一條主井作為礦區(qū)的主要運(yùn)輸通道，主井深250m，平均爬升速度為6m/s?，F(xiàn)采用主井提升設(shè)備，型號為JKMD 3.5X4，為多繩落地提升設(shè)備，功率為2240kW。工作時，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為每分鐘45r。提升機(jī)在主井距地表123m 處進(jìn)行安裝，其容量為兩個礦用多繩箕斗?，F(xiàn)就該提升機(jī)的硬件條件來選擇相應(yīng)的電控系統(tǒng)設(shè)計方案。

2 礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的方案分析

我國礦井提升機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計，可選用我國目前在技術(shù)較為成熟的直流可逆調(diào)速方法、交流變頻調(diào)速方法。需結(jié)合提升設(shè)備具體狀況選擇適合的方法處理，上述兩種方法均能加強(qiáng)工作人員對礦井提升機(jī)系統(tǒng)的控制，提高礦井提升機(jī)的安全性和穩(wěn)定性。

2.1 直流可逆調(diào)速方法的分析

直流可逆調(diào)速方法，能結(jié)合提升設(shè)備自身的功率，將直流調(diào)速磁場設(shè)置為恒定的狀態(tài)，電樞換向方法分成6 脈動和12 脈動兩種主回路。為滿足不同功率提升機(jī)的不同效率，并降低諧波危害的使用要求，功率小于500kW 的提升機(jī)，建議選擇6 脈動方法處理，針對功率＞500kW 提升設(shè)備來講，可考慮使用12 脈動方法，以便保證設(shè)備工作的效率和安全性。結(jié)合本研究所選提升機(jī)的實(shí)際功率，在此處需要選擇12 脈動方案來對提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。

2.2 交流變頻調(diào)速方案介紹

在功率為600 ～2000kW 的交流電動機(jī)運(yùn)行電控系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計時，一般會通過高壓變頻器，以繞線式異步電動設(shè)備，做好設(shè)備的控制、調(diào)速工作。高壓異步電動設(shè)備變頻調(diào)速方法，可采用高壓變頻調(diào)速柜（由變頻器、變頻單元、電動機(jī)轉(zhuǎn)子等組成）和主控臺（由信號輸出和輸入以及控制單元組成）兩部分控制設(shè)備完成，是一種操作過程和設(shè)備都較為簡潔的提升機(jī)電控系統(tǒng)。交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速N 的公式為：，異步電動設(shè)備中的F 表示頻率，P 代表極對數(shù)，S 表示轉(zhuǎn)差率。

通過轉(zhuǎn)速公式能夠看出，只要改變F 就能改變轉(zhuǎn)速N。由此可得，高壓異步電動機(jī)只需要通過主控臺向高壓變頻調(diào)速柜發(fā)出開關(guān)量和模擬量的信號，使調(diào)速柜中變頻器改變工作電源頻率，即可達(dá)到調(diào)速的目的，變頻器采用背靠背雙三電平交直交變頻技術(shù)。其中，高壓變頻調(diào)速柜使用的是轉(zhuǎn)子串電阻的形式，機(jī)械特性是匯交于理想空載轉(zhuǎn)速的軟特性曲線。高壓變頻調(diào)速柜，在6kV 等級交流電動設(shè)備、10kV 等級交流電動設(shè)備中應(yīng)用效果較好，可充分發(fā)揮出單元串聯(lián)型高壓變頻技術(shù)的最大應(yīng)用價值，能量回饋技術(shù)和矢量控制技術(shù)，其主要控制方法有速度內(nèi)環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，能夠充分滿足礦區(qū)提升機(jī)的電控操作要求。具體負(fù)載如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)的負(fù)載結(jié)構(gòu)

2.3 方案的選擇

根據(jù)本礦區(qū)的實(shí)際情況和礦井升降機(jī)的型號功率，選用直流調(diào)速方案會使提升機(jī)的系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定。雖然直流調(diào)速方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比交流變頻調(diào)速方案要復(fù)雜很多，在使用過程中直流電機(jī)的維護(hù)量也大于交流電機(jī)的維護(hù)量，但是直流電機(jī)的系統(tǒng)技術(shù)要更加成熟，調(diào)速性能也更加穩(wěn)定。通過對系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性兩方面的衡量，本研究所選提升機(jī)最終選擇直流可逆調(diào)速方法處理。

圖2 提升機(jī)的具體結(jié)構(gòu)情況

3 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)情況的相關(guān)研究

礦井提升設(shè)備電控系統(tǒng)，主要通過高、低壓供電和整流調(diào)速、控制系統(tǒng)，以及上位機(jī)監(jiān)控等構(gòu)成，其對礦井提升機(jī)的控制需要通過各個系統(tǒng)之間的信號、數(shù)據(jù)交換來完成。其具體組成情況由圖2 可知。

其中，礦井調(diào)速系統(tǒng)選擇西門子6RA70 系列數(shù)字直流調(diào)速設(shè)備，配置大功率晶閘管整流柜，主要的目的：保持磁場為恒定狀態(tài)，做好電樞轉(zhuǎn)向串聯(lián)12 脈動的控制工作。提升設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化操作系統(tǒng)，可采用西門子S7 300 型號設(shè)備，雙PLC、雙線控控制，以網(wǎng)絡(luò)化虛擬操作來實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)的控制。然后，還可在Windows CC系統(tǒng)基礎(chǔ)下，通過人機(jī)接口的方式，對提升設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)行監(jiān)控處理。這一系統(tǒng)高壓供電部分，使用KYN28 12 型中置高壓真空開關(guān)柜，以此實(shí)現(xiàn)在10kV 進(jìn)線電壓下配電、保護(hù)系統(tǒng)的效果。配置進(jìn)線柜、電樞回路整流變壓器饋電柜，以及測量保護(hù)柜分別為：1 臺、1 臺、2 臺。繼電保護(hù)，可運(yùn)用微機(jī)綜保設(shè)備，選擇真空斷路器、計量儀表。系統(tǒng)低壓供電，為手動切換雙回路進(jìn)線，可對提升設(shè)備、輔助設(shè)備供電，為系統(tǒng)附屬設(shè)備提供抵押負(fù)荷，并提供井筒信號電源，保持不中斷，可能在主電源線路故障的情況下為提升機(jī)提供安全的制動，保證其運(yùn)行的安全性和可靠性。采用環(huán)氧樹脂澆筑整流變壓設(shè)備主干，于鐵心位置對傳感器進(jìn)行溫度測定，通過對每一線圈的溫度檢測及鐵心溫度的檢查，來對裝置起到一個保護(hù)作用。對系統(tǒng)中的整流進(jìn)行調(diào)速，選用西門子的S7 300 可編程控制器來對系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行控制，通過雙PLC 來提高提升機(jī)的安全性，及時進(jìn)行監(jiān)控并采取安全保護(hù)措施。

4 設(shè)計后系統(tǒng)的特點(diǎn)與功能

經(jīng)過設(shè)計和改進(jìn)后的系統(tǒng)，可結(jié)合主井提升設(shè)備主要特點(diǎn)，借助電樞轉(zhuǎn)向串聯(lián)12 脈動的作用，達(dá)到保持磁場恒定狀態(tài)的目的。實(shí)際運(yùn)行過程，整流裝置如果發(fā)生緊急/意外狀況，應(yīng)立即將12 脈動手動調(diào)整為6 脈動，將提升設(shè)備采用全載慢速模式，無需改變單次運(yùn)輸?shù)暮奢d量。這種6 脈動和12 脈動系統(tǒng)的互相切換模式，電網(wǎng)的沖擊較小，功率較高。該系統(tǒng)在設(shè)計以及實(shí)踐過程中經(jīng)數(shù)字速度、電流、傳播等方式，確保提升設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行情況，并不影響其運(yùn)行效率。另外，PLC 控制系統(tǒng)能夠滿足提升機(jī)在手動、半自動以及自學(xué)習(xí)情況下的各種控制要求，使其具備智能化的特性，便于工作人員的操作。

5 結(jié)語

直流可逆調(diào)速系統(tǒng)目前是一個綜合技術(shù)較為成熟、可靠的操作系統(tǒng)，電控系統(tǒng)操作具有高強(qiáng)度、安全系數(shù)高的特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于不同類型的升降設(shè)備中。因此，需做好礦業(yè)企業(yè)礦井提升設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計工作，以便充分發(fā)揮出礦井提升設(shè)備電控系統(tǒng)的最大作用，保證設(shè)備的運(yùn)行狀況。