提升機(jī)電控系統(tǒng)改造方法研究

潘一偉

（西山煤電集團(tuán)有限公司馬蘭礦，山西 太原 030200）

馬蘭礦原提升機(jī)電控系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)全速全載，根據(jù)現(xiàn)在礦井產(chǎn)能，要求最大提升速度由4 m/s 增加到6 m/s，原電動(dòng)機(jī)不能滿足提升要求；同時(shí)，原礦井提升機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載突然發(fā)生變化，難以實(shí)現(xiàn)恒減速控制，造成控速性能差、調(diào)速不連續(xù)的現(xiàn)象，增加了設(shè)備的能耗；現(xiàn)用的控制系統(tǒng)元器件老化嚴(yán)重，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中功能元器件損壞率及設(shè)備故障率較高。以上這些問(wèn)題已經(jīng)嚴(yán)重影響到了該礦提升機(jī)的安全運(yùn)行，需對(duì)提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行全面升級(jí)改造。

1 電控系統(tǒng)改造方案

根據(jù)該礦礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)改造需求，本次電控系統(tǒng)改造主要包括交流高壓電動(dòng)機(jī)、主控系統(tǒng)PLC 與變頻調(diào)速系統(tǒng)選擇以及安全回路的改造。

1.1 電動(dòng)機(jī)選型

交流電動(dòng)機(jī)分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)更為簡(jiǎn)單，可靠性更好，而且成本低廉，被廣泛使用。同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速精度高，低速特性好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，一般用于調(diào)速精度要求高、特大功率的場(chǎng)合。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本次改造中電動(dòng)機(jī)選擇異步電動(dòng)機(jī)。

（1）確定電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速

式中：n為電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速，r/min；D為滾筒直徑，m；Vm為最大運(yùn)行速度，m/s；i為傳動(dòng)比。

根據(jù)礦井提升機(jī)實(shí)際情況，滾筒直徑為3.5 m，最大運(yùn)行速度Vm為6.0 m/s，傳動(dòng)比為20，則電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n為655 r/min。

（2）電機(jī)功率確定

式中：K為阻力系數(shù)，礦井提升機(jī)運(yùn)行時(shí)，K=1.15；Q為礦井提升機(jī)最大載荷，取60×106N；η為減速器傳動(dòng)效率，0.95；ρ為動(dòng)力系數(shù)，取1.15。

將以上參數(shù)帶入公式（2），Pe=501 kW，考慮到120%的安全系數(shù)，Pe=601 kW，確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要求為655 r/min，電機(jī)功率601 kW。

因此，電動(dòng)機(jī)選擇Y700-8/1180 交流高壓異步電動(dòng)機(jī)，功率700 kW，額定電壓10 kV，轉(zhuǎn)速為655 r/min，額定電流57 A。

（3）電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力校核

對(duì)于初選的電動(dòng)機(jī)需進(jìn)行過(guò)載能力校驗(yàn)。

電動(dòng)機(jī)額定輸出力：

電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力校核：

式中：Fe'為電動(dòng)機(jī)額定輸出力，kN；F'max為電動(dòng)機(jī)最大提升力，取184.9 kN；λ為電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力，取2。

由公式（4）得出，采用Y700-8/1180 交流高壓異步電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力完全滿足礦井提升機(jī)運(yùn)行要求。

1.2 主控系統(tǒng)（PLC）選擇

西門子的S7 系列PLC 具有數(shù)字量、模擬量、高速計(jì)數(shù)等數(shù)據(jù)采集及處理功能。研究選用S7-1500 PLC 作為電控系統(tǒng)的核心器件，它主要由電源模塊、CPU、高速計(jì)數(shù)、模擬量I/O、開(kāi)關(guān)量I/O 等模塊組成。兩套PLC 系統(tǒng)配置相同，PLC 硬件配置如圖1。

圖1 PLC 硬件配置圖

1.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)改造

（1）變頻器選擇

變頻器作為電控系統(tǒng)升級(jí)改造中的重要部分，要求精度高，調(diào)速性能好。根據(jù)該礦系統(tǒng)升級(jí)改造方案，綜合設(shè)備穩(wěn)定性、實(shí)用性、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等因素，最終選擇中信重工CHIC1000 系列變頻器。

變頻器容量計(jì)算如下：

式中：P0為變頻器容量，kW；Pm為電動(dòng)機(jī)額定功率，kW；η為電動(dòng)機(jī)效率；k為電動(dòng)機(jī)過(guò)載系數(shù)，取1.05；cosφ為電動(dòng)機(jī)功率系數(shù)。

本次設(shè)計(jì)中異步電機(jī)效率為0.95，功率系數(shù)為0.94，將電動(dòng)機(jī)參數(shù)代入公式（5），得到變頻器容量為：

通過(guò)計(jì)算，變頻器應(yīng)選擇1000 kW 容量的機(jī)型，為此選擇CHIC1000-10/10-1000AH 型變頻器。

（2）變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)

高壓變頻調(diào)速柜是該系統(tǒng)的調(diào)速設(shè)備，由移相整流變壓器、功率單元和控制單元組成，選用中信重工生產(chǎn)的CHIC1000 系列變頻器，高壓變頻器容量為1000 kW。高壓變頻器輸入電壓為10 kV，輸出電壓為10 kV，采用交-直-交變頻傳動(dòng)電控系統(tǒng)。變頻柜結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 變頻柜結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于10 kV 變頻器，每相9 個(gè)功率單元串聯(lián)，三相共有27 個(gè)功率單元。功率單元采用模塊化、通用化的設(shè)計(jì)理念，每個(gè)功率單元可以從機(jī)架上非常方便的抽出、移動(dòng)和更換。單元與控制機(jī)之間為光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力。

1.4 安全回路改造

根據(jù)相關(guān)安全規(guī)程及礦井提升機(jī)安全運(yùn)行要求，礦井提升機(jī)安全回路使用雙回路設(shè)計(jì)，即一路由PLC 程序構(gòu)成軟安全回路，另一路為電氣原件構(gòu)成電氣安全回路。礦井提升機(jī)電氣安全回路是指在礦井提升機(jī)各關(guān)鍵部件中都裝一個(gè)電氣安全保護(hù)裝置，并把所有的電氣安全保護(hù)裝置串聯(lián)起來(lái)共同控制一個(gè)安全繼電器，只有所有電氣安全保護(hù)裝置都在接通的情況下，安全繼電器吸合，礦井提升機(jī)才能得到允許運(yùn)行信號(hào)。安全回路如圖3。

圖3 安全回路圖

通過(guò)將上過(guò)卷、下過(guò)卷、正向開(kāi)車、反向開(kāi)車、復(fù)位、閘零位、急停、運(yùn)行方式、變頻器故障、速度閘柄零位及主副PLC 程序等串聯(lián)在一起，共同構(gòu)成礦井提升機(jī)安全回路，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2.1 運(yùn)行速度分析

改造后提升系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的速度曲線如圖4。礦井提升機(jī)整個(gè)運(yùn)行過(guò)程共計(jì)持續(xù)83 s，整個(gè)加速過(guò)程持續(xù)17 s 左右，便達(dá)到了礦井提升機(jī)最大速度6 m/s，且能保持該速度平穩(wěn)運(yùn)行30 s，減速過(guò)程持續(xù)20 s，爬行階段持續(xù)15 s，運(yùn)行速度為0.4 m/s。改造后的速度圖各階段運(yùn)行特性與設(shè)計(jì)相近，各階段運(yùn)行速度滿足系統(tǒng)要求，且運(yùn)行平穩(wěn)，加減速曲線過(guò)渡平滑，符合生產(chǎn)安全的要求。

圖4 提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中速度曲線

2.2 能耗分析

礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)改造前后電流變化對(duì)比情況如圖5。礦井提升機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中電流發(fā)生了明顯的改變，在電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)電流明顯降低，減小了對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各元件的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，降低了設(shè)備故障率，節(jié)約了設(shè)備損耗和用電成本。改造前礦井提升機(jī)啟動(dòng)一次平均能耗為142.8 kW·h，改造后啟動(dòng)一次平均能耗為128.6 kW·h，改造后僅礦井提升機(jī)啟動(dòng)一次能耗就降低了9.9%。

圖5 電控系統(tǒng)改造前后電流變化情況

3 結(jié)論

針對(duì)馬蘭礦提升機(jī)電控系統(tǒng)改造需要，對(duì)電控系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)備進(jìn)行改造研究。系統(tǒng)改造后，電動(dòng)機(jī)確定為Y700-8/1180 交流高壓異步電動(dòng)機(jī)，主控系統(tǒng)選取西門子S7-1500 系列PLC，變頻器選擇CHIC1000-10/10-1000AH 變頻器，安全回路采用PLC 程序與電氣原件共同構(gòu)成。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，各階段運(yùn)行速度平穩(wěn)，曲線過(guò)渡平滑，提升機(jī)啟動(dòng)一次能耗降低達(dá)9.9%，有效解決了馬蘭礦提升機(jī)電控系統(tǒng)存在的問(wèn)題。