淺談礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)改造方案

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[摘要] 提升機是礦井的關(guān)鍵和重大安全設備之一，用于礦山的豎井、斜井的提升系統(tǒng)，用作提升礦物和物料及設備等，是礦井系統(tǒng)設備的咽喉。在整個生產(chǎn)過程中，占有非常重要的地位，它不僅關(guān)系到礦井的正常安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效率，而且直接影響上下井人員的生命財產(chǎn)安全。礦用生產(chǎn)是24小時連續(xù)作業(yè)，即使短時間的停機維修也會給生產(chǎn)帶來很大損失。因此，設備的安全可靠運行就顯的特別重要。目前的電控系統(tǒng)存在著很多的不足，礦用提升機的技術(shù)改造要求迫在眉睫。下面以彩霞山礦井提升機系統(tǒng)為改造對象試做探討。

[關(guān)鍵字]提升機、提升機變頻、變頻、提升機變頻調(diào)速
一、原控制系統(tǒng)與改造后系統(tǒng)對比
目前盛寶礦業(yè)彩霞山礦井提升機采用交流繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方案，用交流接觸器進行速度段切換。
目前提升機電控系統(tǒng)存在的不足：
（1）擋位調(diào)節(jié)，調(diào)速不連續(xù)，運行中機械振動大，礦車沖擊大，制動不安全；
（2）啟動及換擋時沖擊電流大，啟動電流一般是額定電流的2-3倍，有時會更大，如果加速快，甚至會引起總開關(guān)跳閘；
（3）調(diào)速時大量的電能消耗在電阻上，不但浪費嚴重，也造成工作環(huán)境的惡劣，空間噪聲大；
（4）維修量大，不方便。由于操作時交流接觸器頻繁動作，易造成觸點及線圈的燒壞，轉(zhuǎn)子更換碳刷頻繁；
（5）耽誤生產(chǎn)。礦井是連續(xù)24小時工作，生產(chǎn)量大，任務繁重，由于電控系統(tǒng)設計落后，制造工藝落后，即使是短時間的維修，也會給生產(chǎn)帶來損失。
隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展和成熟，變頻調(diào)速性能的優(yōu)越性日益顯現(xiàn)。以變頻器為核心的調(diào)速系統(tǒng)，在交流礦井提升機上也越來越多的被采用，徹底改變了沿襲幾十年的交流絞車轉(zhuǎn)子串電阻分級調(diào)速的模式，使提升機獲得平穩(wěn)、安全、可靠的運行狀態(tài)。避免嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機械的使用壽命。采用變頻控制的提升機，基本上可以獲得與直流電機相同的調(diào)速和制動性能。
控制系統(tǒng)、提升機數(shù)字行程控制等系統(tǒng)采用PLC和觸摸屏實現(xiàn)控制、監(jiān)視及人機通訊。確保提升機電控系統(tǒng)具備先進性、可靠性、經(jīng)濟性、精確性、兼容性、高效性等功能特點。
為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換。
二、系統(tǒng)改造總體思路
1）改造必要性
提升機以繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻（金屬或液體電阻）調(diào)速為主。這種串電阻調(diào)速方式，利用控制器或磁力站對串入轉(zhuǎn)子回路中不同阻值的電阻進行組合，達到調(diào)速目的。但缺陷明顯，主要反映效率非常低，它以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低。轉(zhuǎn)速越慢，效率越低，大部分功率被轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。采用變頻調(diào)速方案就能很好地解決這個問題。變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達到電機調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機械特性基本上與自然機械特性平行，所消耗的轉(zhuǎn)差功率都基本不變，因此效率很高，有著明顯的節(jié)電效果，且調(diào)速的平穩(wěn)性大大提高。在節(jié)能、減少維修、提高產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量等方面都取得了明顯的經(jīng)濟效益，是電機調(diào)速的發(fā)展方向。
2）改造方案
為滿足安全生產(chǎn)，系統(tǒng)改造保留了原有的工頻系統(tǒng)，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時可以切換。如圖1所示：
 

 
圖1 工、變頻系統(tǒng)切換控制
高壓提升機系統(tǒng)主回為工頻電源經(jīng)過原工頻操作的換相器接到變頻旁路開關(guān)柜的工頻輸入端子。K1、K2、K3為三臺高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動機構(gòu)，實現(xiàn)電氣互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān)，變頻運行時，K4切換到變頻側(cè)，繞線電機轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài)；工頻運行時，K4切換到工頻側(cè)，繞線電機轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置。當K1、K3閉合，K2斷開，K4切換到變頻側(cè)，電機變頻運行；當K1、K3斷開，K2閉合，K4切換到工頻側(cè)，電機工頻運行，此時變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調(diào)試。如圖2所示：
 

圖 2 高壓提升機系統(tǒng)改造主回路接線圖
另外，為了保證安全，變頻器高壓聯(lián)跳信號和上一級的高壓斷路器也實現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時，上一級的高壓斷路器斷開，實現(xiàn)高壓故障連跳功能。
（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。具有30個功率單元，每10個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相，圖3中給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示例。

圖3 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
（2）功率單元電路
每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換。其主電路結(jié)構(gòu)為圖4。三相電通過整流橋進行三相全橋方式整流，整流后給儲能電容充電，確定母線電壓。 通過對逆變塊B中的IGBT逆變橋進行正弦PWM控制實現(xiàn)單相逆變。當電機進入發(fā)電狀態(tài)后，逆變塊B中的二極管完成續(xù)流外，又起全波整流作用，使能量能夠轉(zhuǎn)移到濾波電容中，結(jié)果母線電壓升高，達到一定程度后，啟動逆變塊A，進行SPWM逆變，通過輸入電感，返回到移相變壓器的次極，通過變壓器將能量回饋到電網(wǎng)。

圖4功率單元電路結(jié)構(gòu)