矿井提升机的变频调速改造.pdf

1 矿井提升机的变频调速改造 希望森兰变频器制造公司，四川成都 610225 杜俊明 关键词 提升机变频调速，能耗制动，节能 一、概况 矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行， 直接关系到企业的生产状况和经济效益。 四川某煤矿井下采煤， 采好的煤通过斜井用提升机 将煤车拖到地面上来。煤车厢与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有 一绞车提升机，由电机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周，其两端分别挂上 一列煤车车厢， 在电机的驱动下将装满煤的一列车从斜井拖上来， 同时把一列空车从斜井放 下去，空车起着平衡负载的作用，任何时候总有一列重车上行，不会出现空行程，电机总是 处于电动状态。这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电机的转速一 定规律变化。 斜井提升机的机械结构示意如图 1 所示。 斜井提升机的动力由绕线式电机提供， 采用转子串电阻调速。提升机的基本参数是电机功率 55kW，卷筒直径Φ1200mm，减速 器减速比 24︰1，最高运行速度 2.5m/s，钢丝绳长度为 120m。 目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式 电机串电阻调速系统， 电阻的投切用继电器交流接触器控制。 这种控制系统由于调速过程 中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。 另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机 频繁的起动﹑调速和制动， 在转子外电路所串电阻的上产生相当大的功耗。 这种交流绕线式 电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大； 电阻上消耗的转差功率大，节能较差；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行 震动大，安全性较差。 图 1 提升机卷筒机械传动系统结构示意图 电动机 减速器 制动器 卷筒 圆盘齿轮传动机构 2 二、改造方案 为克服传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造提升机， 可以实现全频率（050Hz）范围内的恒转矩控制。对再生能量的处理，可采用价格低廉的 能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案。为安全性考虑，液压机械制动需要保留，并 在设计过程中对液压机械制动和变频器的制动加以整合。矿井提升机变频调速方案如图 2 所示 AC 380V PLC M 图 2 矿井提升机变频调速方案 考虑到绕线式电动机比鼠笼式电动机的力矩大，且过载能力强，所以仍用原来的 4 极 55kW 绕线式电机，在用变频器驱动时需将转子三根引出线短接。提升机在运行过程中，井 下和井口必须用信号进行联络， 信号未经确认， 提升机不能运行。 为显示运行时车厢的位置， 使用 E6C3-CS5C 40P 旋转编码器，即电机旋转 1 圈旋转编码器产生 40 个脉冲，这样每两个 脉冲对应车厢走过的距离为 1200mm9 . 3927. 34024/≈π。则与实际距离的误差值 为 4-3.90.027mm，卷筒运行一圈误差为 0.027mm92.252440，已知钢丝绳长度为 120m，如果两个脉冲对应车厢走过的距离用近似值 3.9mm 计算，120m 全程误差为 92.25120000mm8251200/≈π。再考虑到实际检测过程中有一个脉冲的误差，则最大 卷筒 变频器 SB61G75KW 控制监视 系统 操作台 减速器 液压站 旋转编码器 3 的误差在 821mm829mm 之间，对于数十米长的车厢来说误差范围不到 1 米，精度足够。 因此， 用计数器实时统计旋转编码器发出的脉冲个数， 则可计算出车厢的位置并用显示器显 示。另外一个问题是计数过程中有无累计误差存在实际检测时，在一个提升过程开始前， 首先将计数器复位，第一个重车厢经过某个位置时，打开计数器计数，车厢在斜井中的位置 以此点为基准计算，没有累计误差。在操作台上，用 SWP-AC 系列智能型交流电压/电流数 字仪表显示交流电压和电机工作电流，用智能型数字仪表显示提升次数和车厢的位置。 三、方案实施 斜井提升负载是典型的摩檫性负载，即恒转矩特性负载。重车上行时，电机的电磁转矩 必须克服负载阻转矩，起动时还要克服一定的静摩檫力矩，电机处于电动工作状态，且工作 于第一象限。 在重车减速时， 虽然重车在斜井面上有一向下的分力， 但重车的减速时间较短， 电机仍会处于再生状态，工作于第二象限。当另一列重车上行时，电机处于反向电动状态， 工作在第三象限和第四象限。另外，有占总运行时间 10的时候单独运送工具或器材到井 下时，电机纯粹处于第二或第四象限，此时电机长时间处于再生发电状态，需要进行有效的 制动。用能耗制动方式必将消耗大量的电能；用回馈制动方式，可节省这部分电能。但是， 回馈制动单元的价格较高，考虑到单独运送工具或器材到井下仅占总运行时间的 10，为 此选用价格低廉的能耗制动单元加能耗电阻的制动方案。 提升机的负载特性为恒转矩位能负载，起动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量， 因此，森兰 SB61G75KW 变频器。由于提升机电机绝大部分时间都处于电动状态，仅在少 数时间有再生能量产生， 变频器接入一制动单元和制动电阻， 就可以满足重车下行时的再生 制动，实现平稳的下行。井口还有一个液压机械制动器，类似电磁抱闸，此制动器用于重车 静止时的制动，特别是重车停在斜井的斜坡上，必须有液压机械制动器制动。液压机械制动 器受 PLC 和变频器共同控制，机械制动是否制动受变频器频率到达端口的控制，起动时当 变频器的输出频率达到设定值，例如 0.2Hz，变频器 30B、30C 端口输出信号，表示电机转 矩已足够大， 打开液压机械制动器， 重车可上行； 减速过程中， 当变频器的频率下降到 0.2Hz 时，表示电机转矩已较小，液压机械制动器制动停车。紧急情况时，按下紧急停车按钮，变 频器能耗制动和液压机械制动器同时起作用，使提升机在尽量短的时间内停车。 提升机传统的操作方式为， 操作工人坐在煤矿井口操作台前， 手握操纵杆控制电机正﹑ 反转个三挡速度。为适应操作工人这种操作方式，变频器采用多段速度设置，X1、X2 设为 正反转，X3、X4、X5 可设挡速度。变频调速原理图如图 3 所示。 4 R S T U V W X1 X2 X3 CM M P N 30B 30C DZ FU ZJ1 ZJ2 ZJ3 ZJ4 ZJ5 SB61G90KW X4 X5 图 3 变频调速原理图 变频器的设置如下 F004 1；F007 2；F011 2；F012 85；F013 2；F200 2；F208 130；F500 13； F501 14 ；F502 0；F503 1；F504 2；F507 15；F511 1；F512 0.2；F600 0.2； F602 0.2； F616 8； F617 25； F618 50； 其与按工厂设置。 以上设置的意义请参见 SB61G 系列变频器用户手册。 四、提升机工作过程 提升机经过变频调速改造后， 系统的工作过程阿盛大的变化。 操纵杆控制电机正三挡速 度，反转三段速度。不管电机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电机工作在 正转和反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动，提升机工作时序图 如图 4 所示。 f1 f2 f3 t1t2 t3t4t5t6 t7t f 图 4 提升机工作时序图 制动电阻 制动 单元 去 PLC 5 图 4 中，提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳 定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速 度，加速度及斜井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，运行的时间由操作 工人根据现场的状况自定。图中各个阶段的工作情况说明如下 （1）第一阶段 0～ｔ1串车车厢在井底工作面装满煤后，发一个联络信号给井口提升 机操作工人，操作工人在回复一个信号到井底，然后开机提升。重车从井底开始上行，空车 同时在井口车场位置开始下行。 （2）第二阶段 t1～t2重车起动后，加速到变频器的频率为 f2速度运行，中速运行的 时间较短，只是一过渡段，加速时间内设备如果没有问题，立即再加速到正常运行速度。 （3）第三阶段 t2 ～t3再加速段。 （4）第四阶段 t3 ～t4重车以变频器频率为 f3的最大速度稳定运行，一般，这段过程 最长。 （5）第五阶段 t4 ～t5操作工人看到重车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短 时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快跳闸。 （6）第六阶段 t5～t6重车减速到低速以变频器频率为 f1速度低速爬行，便于在规定 的位置停车。 （7）第七阶段 t6～t7快到停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，操作工人 发一个联络信号到井下，整个提升过程结束。 以上为人工操作程序，也可按 PLC 自动操作程序工作。 图中加速和减速段的时间均在变频器上设置。 五、结语 绕线式电机转子串电阻调速，电阻上消耗大量的转差功率，速度越低，消耗的转差功率 越大。使用变频调速，是一种不耗能的高效的调速方式。提升机绝大部分时间都处在电动状 态，节能十分显著，经测算节能 30以上、取得了很好的经济效益。另外，提升机变频调 速后，系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高，减少了运行故障和停工工时，节省了人 力和物力，提高了运煤能力，间接的经济效益也很可观。 参考文献 1. 森兰变频器制造有限公司，森兰 SB61 用户手册， 2004 2﹑满永奎等 通用变频器及其应用 机械工业出版社