矿井提升机应用

 
一、矿井提升概述： 
    矿井提升机是煤矿、铁矿、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。煤矿井下采好的煤通过斜井用提升机将矿车拖至地面。安装在地面绞车房的绞车(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挂上一列矿车，在电机的驱动下将矿车从地面放至井下或把矿车从井下拖至地面。这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动，减速制动，而且电机的转速按一定规律变化。斜井提升机的机械结构示意图如图1所示。斜井提升机驱动电机一般是绕线式异步电机，采用转子串电阻方式调速。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，钢丝绳最高运行速度2.5m/s，钢丝绳长度为120m。

二、现有大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，存在问题： 
    1、目前，大多数中、小型矿井采用斜井串车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式异步电机转子串电阻调速，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，设备运行时间较长后，交流接触器主触头易氧化发热熔焊或接触不良，引发设备故障。
    2、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。提升机频繁的启动﹑调速和制动，在转子电路所串的电阻上会产生相当大的功耗。
    3、传统斜井提升机采用交流绕线式电机串电阻调速，这种交流绕线式异步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，能耗大；启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。

三、变频节电改造原理
    为克服传统交流绕线式异步电机转子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(0～50Hz)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原理如图2所示。

    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。为显示运行时矿车的位置，使用E6B2-CW6Z 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1200×π/(24×40)=3.927，约为3.9mm。如果采用6位计算器，设定单个脉计量值为3.9，冲则与实际距离的误差值为4-3.9=0.027mm，卷筒运行一圈误差为0.027×40×24=25.29mm，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25.92×120000/1200π≈825mm。再考虑到实际检测过程中有一个脉冲的误差，则最大的误差在821mm～829mm之间，对于数十米长的车厢来说误差范围不到1m，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8英寸触摸屏显示交流电压和电机工作电流以及车厢的位置。

四、方案实施
    斜井提升负载是典型的摩擦性负载，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转矩，启动时还要克服一定的静摩擦力矩，电机处于电动工作状态位于第一象限；在重车减速时，虽然重车在斜井轨面上有一向下的分力，但重车的减速时间较短，电机仍会处于再生工作状态位于第二象限；当空车下行时，电机处于反向电动状态位于第三象限；当重车下行时，电机工作在发电状态位于第四象限。另外，有占总运行时间10%的时间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，但回馈制动单元价格较高，投资较大，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，启动力矩较大，选用变频器时适当地留有余量，因此选用ACI V11-90kW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。地面绞车房还有一个液压机械(盘式)制动器，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，机械制动是否打开，受变频器控制，启动时当变频器的输出转矩达到设定值时，变频器TA、TB端口输出开关信号，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：操作工人坐在地面绞车房操作台前，手握操纵杆控制电机正、反转共三挡速度。为适应操作工人这种操作方式，变频器采用（无档位）多段速调速方式。变频调速原理图如图3所示。

五、节电率与投资回报分析
    某煤矿使用的矿井提升机，原采用132KW三相异步电动机转子串电阻调速，用交流接触器进行速度切换，由于功率比较大，所以启动换档时冲击电流大，中高速运行不平稳，大量的电能消耗在转子电阻上，造成能源的极大浪费。同时，由于接触器电磁噪音大，工人的操作环境也极恶劣，急需进行改造。
 由于变频器具有软启动、大范围内平滑调速、节能效果显著等优点，因此该矿经过多方考察，决定采用广州ACI电气有限公司生产的V11系列185KW变频器对绞车系统进行变频改造，经过几个月的运行，证明改造的效果比较理想，主要表现在：
1.实现了启动时的软启动、软停车，减轻了对电网的冲击。
2.变频器的频率连续可调，使调速更加方便、可靠，运行更平稳。
3.使用变频器后省去原先的换档接触器及调速电阻，即节省了维修费用，又减少了停机维修时间，从而提高了产量。同时消除了接触器电磁噪音，改善了操作环境，使工人避免在夏季调速电阻发热造成的高温条件下工作。
4.在低速时节能效果十分明显。矿井深300多米，测量时用4/50A的电度表，在相同耗电量的情况下，用工频可拉17勾，而使用变频可拉26勾，即变频比工频多拉9勾。经估算节电率约为20%。由于使用了变频器，设备基本上是满载运行。即使我们采用保守算法，按132KW的电机负载率为90%，实际功率为118.8KW，每天只使用20小时，每年工作360天，一年节电仍高达17.1万度（118.8KW*20%*20h*360天=302400度)。若以每度电0.5元计算，则每年可节电费8万多元(17.1*0.5=8.55万元)。

六、结束语
     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。使用变频调速一种低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20%以上，取得了很好的经济效益。另外，提升机变频调速使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时间，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。