機(jī)械制造

一、概況

     礦井提升機(jī)是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。山西某煤礦井下采煤，采好的煤通過斜井用提升機(jī)將煤車拖到地面上來。這種拖動系統(tǒng)要求電機(jī)頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動，減速制動，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)速一定規(guī)律變化。斜井提升機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。斜井提升機(jī)的動力由繞線式電機(jī)提供，采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。

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(jī)普遍 采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器—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(yùn)行的時間較長，交流接觸 器主觸頭易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機(jī)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(jī)頻繁的起動﹑調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電 路所串電阻的上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這種交流繞線式電機(jī)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(jī)械特性較軟，靜差率較大；電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功 率大，節(jié)能較差；起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行震動大，安全性較差。

    二、改造方案

     為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造提升機(jī)，可以實(shí)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(jī)械制動需要保留，并在設(shè)計(jì)過程中對液壓機(jī)械制動和變頻器的制動加以整合。 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速方下如圖所示：

現(xiàn)場使用的是繞線式電動機(jī)，在用變頻器驅(qū)動時需將轉(zhuǎn)子三根引出線短接。   

三、方案實(shí)施

     斜井提升負(fù)載是典型的摩檫性負(fù)載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。重車上行時，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，起動時還要克服一定的靜摩檫力矩，電機(jī)處于電動工作狀態(tài)，且工作于第一象限。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，電機(jī)仍會處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當(dāng)另一列重車 上行時，電機(jī)處于反向電動狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外有占總運(yùn)行時間10%的時候單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下時，電機(jī)純粹處于第二或第四象限， 此時電機(jī)長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進(jìn)行有效的制動。因此采用能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。

    提升機(jī)的負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，起動力矩較大，選用變頻器時適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔俊Ｒ虼诉x用偉創(chuàng)高性能ECF100-G系列變頻器。由于提升機(jī)電機(jī)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(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個液壓機(jī)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(jī)械制動器制動。液壓機(jī)械制動器受原控制系統(tǒng)和變頻器共同控制，機(jī)械制動是否制動受變頻器頻率到達(dá)端口的控制，起動時當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定值，例如2Hz，變頻器TA、TB、TC端口輸出信號，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機(jī)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2Hz時，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機(jī)械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器自由停機(jī)，液壓機(jī)械制動器馬上起作用，使提升機(jī)在盡量短的時間內(nèi)停車。

    提升機(jī)傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機(jī)正﹑反轉(zhuǎn)個三擋速度。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，F(xiàn)WD、REV設(shè)為正反轉(zhuǎn)，X1、X2、X3設(shè)為低、中、高三擋速度。變頻調(diào)速原理圖如下圖所示。

 四、提升機(jī)工作過程

    提升機(jī)經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，系統(tǒng)的工作過程變化不大。操縱桿控制電機(jī)正轉(zhuǎn)三擋速度和反轉(zhuǎn)三段速度。不管電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都是從礦井中將煤拖到地面上來，電機(jī)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(jī)工作時序圖如圖4所示。

提升機(jī)無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速運(yùn)行、制動停車等七個階段。每提升一次運(yùn)行的時間，與 系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)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：串車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(jī)操作工人，操作工人在回復(fù)一個信號到井底，然后開機(jī)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：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運(yùn)行，中速運(yùn)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(yùn)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(yùn)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。

    以上為人工操作程序，也可按操作臺自動操作程序工作。

    圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設(shè)置。

    五、結(jié)語

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