礦井提升機(jī)節(jié)能電氣控制系統(tǒng)的研究

李 劍

（陽煤寺家莊有限責(zé)任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

據(jù)統(tǒng)計表明，我國每年煤炭的生產(chǎn)量及消耗量在全球范圍內(nèi)占據(jù)前列，且在未來很長一段時間內(nèi)，煤炭依然在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，保證綜采工作面煤炭的生產(chǎn)效率對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非凡的意義[1]。提升機(jī)作為煤炭綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其主要功能是實現(xiàn)煤炭、物料、設(shè)備以及人員的運送任務(wù)。經(jīng)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，提升機(jī)每年的耗電量占據(jù)煤礦總耗電量的20%左右。而且，由于提升機(jī)在實際提升過程中存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，即提升機(jī)未能根據(jù)實際提升量對其提升速度進(jìn)行調(diào)整，對電能造成了極大的浪費。因此，當(dāng)前的首要任務(wù)是在確保提升機(jī)完成工作面生產(chǎn)任務(wù)的同時，最大限度地達(dá)到節(jié)能效果。本文從提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)方向著手，旨在解決上述實際生產(chǎn)過程中所面臨的實際問題，實現(xiàn)提升機(jī)的節(jié)能生產(chǎn)。

1 提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)概述

1.1 變頻調(diào)速原理

變頻器通過對電機(jī)電源的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)了對提升機(jī)提升速度的調(diào)整。如式（1）所示：

式中：n為電機(jī)的轉(zhuǎn)速；f為輸入電機(jī)電源頻率；p為電機(jī)的極對數(shù)。由于電機(jī)電源頻率可在0～400 Hz 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，且其調(diào)整精度可控制在0.01 Hz。因此，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)可為提升機(jī)提供非常寬的調(diào)速范圍，主要被應(yīng)用于提升機(jī)的恒加速、恒減速工況下的無級調(diào)速，實現(xiàn)對提升機(jī)的軟啟動和平滑調(diào)速[2]。

1.2 提升機(jī)變頻調(diào)速

對于研究當(dāng)前應(yīng)用于各種領(lǐng)域的節(jié)能生產(chǎn)措施，本文將變頻調(diào)速控制應(yīng)用于提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中。一般情況下，應(yīng)用于提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的組成部分如圖1 所示。

圖1 提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由變頻器、行程控制系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)、抱閘控制系統(tǒng)以及能耗制動系統(tǒng)組成[3]。各分系統(tǒng)的功能描述如下：變頻器是實現(xiàn)對提升機(jī)的變頻調(diào)速；操作控制系統(tǒng)是根據(jù)控制指令實現(xiàn)對提升機(jī)啟動、制動以及復(fù)位等功能；行程控制系統(tǒng)是對提升機(jī)的變速、停車以及制動等操作的行程進(jìn)行控制；能耗制動系統(tǒng)和行程控制系統(tǒng)主要服務(wù)于提升機(jī)的制動操作。

2 提升機(jī)變頻調(diào)速方案的設(shè)計

2.1 總體方案的設(shè)計

以陽煤寺家莊礦XX 工作面斜井提升機(jī)為例，該提升機(jī)采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在實際提升過程耗能較大。該提升機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)如表1 所示。

將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于斜井提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)中，控制框圖如下頁圖2 所示。

表1 提升系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

如圖2 所示，選用SB61G-75kW 的變頻裝置作為提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心裝置，液壓站為提升機(jī)提供制動力，電機(jī)根據(jù)PLC 的控制策略為提升機(jī)提供牽引力，旋轉(zhuǎn)編碼器可實時對電機(jī)的轉(zhuǎn)速及提升容器的位置進(jìn)行監(jiān)測并顯示。鑒于在實際提升過程中電機(jī)所承受的力矩較大且過載能力強(qiáng)。因此，在本方案中采用4 極75 kW 的繞線式電機(jī)。

圖2 提升機(jī)變頻調(diào)速控制框圖

2.2 調(diào)速控制系統(tǒng)電路的設(shè)計

鑒于提升機(jī)在滿載狀態(tài)下運行時慣性較大，即便是電機(jī)頻率降低至零，提升機(jī)在慣性作用下依然會繼續(xù)爬行，容易導(dǎo)致事故的發(fā)生[4]。因此，為提升機(jī)配置了能耗制動系統(tǒng)和抱閘控制系統(tǒng)的雙保險。其中，抱閘制動系統(tǒng)基于電氣控制系統(tǒng)的PLC 控制指令進(jìn)行控制的。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主電路及其PLC 電路如圖3 所示。

如圖3 所示，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可實現(xiàn)提升電機(jī)的電動、復(fù)位、反轉(zhuǎn)以及正轉(zhuǎn)等操作。此外，當(dāng)提升機(jī)運行出現(xiàn)故障時系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警?；赑LC控制系統(tǒng)實現(xiàn)對提升機(jī)的上升、下降、復(fù)位、變頻以及制動等操作。

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)關(guān)鍵電路圖

3 行程控制的設(shè)計

所謂形成控制指的是對提升機(jī)正轉(zhuǎn)提升行程的控制和對提升機(jī)反轉(zhuǎn)下放行程的控制。將提升機(jī)在實際運行工況下的行程區(qū)間進(jìn)行劃分，針對不同的行程區(qū)間采用不同變頻調(diào)速控制，實現(xiàn)對提升機(jī)上升、下放速度的控制[5]?；谛谐炭刂?，系統(tǒng)能夠有效預(yù)防提升機(jī)在實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)過卷、過放、脫軌等事故。行程控制主要應(yīng)用于斜井的提升任務(wù)中。根據(jù)某工作面的提升任務(wù)，特對提升機(jī)上升或下放過程的行程進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如圖4 所示。

圖4 行程劃分結(jié)果

4 節(jié)能效果

將上述改造完成后提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，并對應(yīng)用后續(xù)兩個月提升機(jī)的提升煤炭量和消耗電量與改造前相鄰兩個月的情況進(jìn)行對比分析，對比結(jié)果如下頁表2 所示。

根據(jù)表1 所示數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，改造前兩個月平均每度電的提升量=（0.328+0.31）/2=0.319 萬t，改造后兩個月平均每度電的提升量=（0.40+0.39）/2=0.395 萬t。即，改造后每度電多提升0.076 萬t 煤。改造前兩個月每萬t 煤平均耗電量=（3.24+3.04）/2=3.14 kWh，改造后兩個月每萬t 煤平均耗電量=（2.5+2.5）/2=2.5 kWh。即，改造完成后提升1 萬t 煤可節(jié)電0.64 kWh。

采用改造后的電控系統(tǒng)后，提升機(jī)出現(xiàn)故障的概率明顯降低，如表3 所示。

根據(jù)以往維修次數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)一次故障時維修一次需花費1.5 萬元。因此，就維修成本而言共節(jié)約4.5 萬元。

表2 相鄰四個月耗電量和提升量對比

5 結(jié)語

提升機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸，在實際生產(chǎn)中其耗能占煤礦總耗能的20%。為實現(xiàn)提升機(jī)的節(jié)能生產(chǎn)，將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于其中。為確保提升機(jī)運行的安全性，為其電氣控制系統(tǒng)配置行程控制系統(tǒng)，對提升容易的位置進(jìn)行監(jiān)測，為其配置能耗制動和抱閘制動系統(tǒng)，避免其由于慣性而出現(xiàn)過卷、過放的事故發(fā)生。變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)后，提升每噸煤可節(jié)約0.6 kWh 的電能，故障次數(shù)的降低間接節(jié)約了成本4.5 萬元。

表3 改造前后兩個月故障情況對比