一、概況

    礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機的安全、可靠運行，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將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機，由電動機經(jīng)減速器帶動卷筒旋轉(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，在電動機的驅(qū)動下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負(fù)載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現(xiàn)空行程，電動機總是處于電動狀態(tài)。這種拖動系統(tǒng)要求電動機頻繁的正、反轉(zhuǎn)啟動，減速制動，而且電動機的轉(zhuǎn)速按一定規(guī)律變化。斜井提升機的機械結(jié)構(gòu)示意如圖13 -3所示。斜井提升機的動力由繞線式電動機提供，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。提升機的基本參數(shù)是：電動機功率55kW，卷簡直徑1200mm，減速器減速比為24：1，最高運行速度2.5m／s，鋼絲繩長度為120m。

    圖13-3    提升機卷筒機械傳動系統(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)斜井提升機普遍采用交流繞線式電動機串電阻調(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作頻繁，設(shè)備運行的時間較長，交流接觸器主觸點易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準(zhǔn)確。提升機頻繁的啟動、調(diào)速和制動，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機串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時機械特性較軟；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差；啟動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行振動大，安全性較差。

    二、改造方案

    為克服傳統(tǒng)交流繞線式電動機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機，可以實現(xiàn)全頻率(0～50Hz)范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機械制動需要保留，并在設(shè)計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調(diào)速方案如圖13 -4所示。

    考慮到繞線式電動機比籠型電動機的力矩大，且過載能力強，所以仍用原來的4極55kW繞線式電動機，在用變頻器驅(qū)動時需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。提升機在運行過程中，井下和井口必須用信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，信號未經(jīng)確認(rèn)，提升機不運行。

    圖13-4    礦井提升機變頻調(diào)速方案

    三、方案實施

    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，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，啟動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電動機處于電動工作狀態(tài)。在重車減速時，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電動機仍會處于再生狀態(tài)。當(dāng)另一列重車上行時，電動機處于反向電動狀態(tài)。另外，有占總運行時間10%的時候單獨運送工具或器材到井下時，此時電動機長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進(jìn)行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能；用回饋制動方式，可節(jié)省這部分電能。但是，回饋制動單元的價格較高，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。

    提升機的負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，啟動力矩較大，選用變頻器時適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔浚�因此，選用三菱75kW變頻器。由于提升機電動機絕大部分時間都處于電動狀態(tài)，僅在少數(shù)時間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入一制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個液壓機械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC和變頻器共同控制，機械制動是否制動受變頻器頻率到達(dá)端口的控制，啟動時當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定值，如1Hz時，變頻器SU、SE端口輸出信號，表示電動機轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行；減速過程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到1Hz時，表示電動機轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用，使提升機在盡量短的時間內(nèi)停車。

    提升機傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電動機正、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、提升機工作過程

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

    圖13 -6    提升機工作時序圖

    圖13 -6中，提升機無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，其工作過程是相同的，都有啟動、加速、中速運行、穩(wěn)定運行、減速、低速運行、制動停車等7個階段。每提升一次運行的時間，與系統(tǒng)的運行速度，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，運行的時間由操作工人根據(jù)現(xiàn)場的狀況自定。圖中各個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)一個聯(lián)絡(luò)信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復(fù)一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。

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

    (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立即減速，如減速時間設(shè)置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，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，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號到井下，整個提升過程結(jié)束。

    圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設(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

    繞線式電動機轉(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。提升機絕大部分時間都處在電動狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)統(tǒng)計節(jié)能30%以上，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，提升機變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。