1、 引言
張家口市蔚縣鄭溝灣煤礦副井絞車，擔(dān)負(fù)著全礦提人、運(yùn)料的繁重工作，一旦出現(xiàn)故障，就將影響全礦的生產(chǎn)。因此它的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。該井為雙鉤運(yùn)行，坡度為25度，坡長為580m。原采用215kw/380v繞線電機(jī)串電阻調(diào)速，用交流接觸器實(shí)現(xiàn)速度段切換。形成了低速降壓?jiǎn)?dòng)、檔位切換加速、全速運(yùn)行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。
這種運(yùn)行方式存在明顯的缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。
當(dāng)料車空車下放時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒有能量處理環(huán)節(jié)，大量的電能消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，致使電機(jī)能耗增加，不但浪費(fèi)大量的電能，而且使電機(jī)銅損、鐵損增加，增大了電機(jī)的維修費(fèi)用。從現(xiàn)場(chǎng)情況看，下放時(shí)電機(jī)電流與提升時(shí)基本相同，都在400A左右，相當(dāng)于電機(jī)的額定電流，而空載時(shí)電機(jī)電流大約應(yīng)在額定電流的60%左右，從這點(diǎn)看，應(yīng)有30%左右的能量被消耗掉。
(2)原控制系統(tǒng)采用繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方式進(jìn)行調(diào)速，不僅將大量的轉(zhuǎn)差功率消耗在轉(zhuǎn)子電阻上，浪費(fèi)了大量電能，同時(shí)電阻器的安裝需要占用很大的空間，增加了機(jī)房建設(shè)費(fèi)用。
(3)這種切換轉(zhuǎn)子電阻調(diào)速的控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了提升機(jī)的生產(chǎn)效率。
(4)低速和爬行階段需要依靠制動(dòng)閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(5)啟動(dòng)和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)"掉道"現(xiàn)象。
(6)自動(dòng)化程度不高，增加了開采成本，影響了礦山產(chǎn)量。
(7)低電壓和低速段的啟動(dòng)力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。
針對(duì)以上這些問題，煤礦決定對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用技術(shù)含量較高的變頻調(diào)速，替代原來的繞線電機(jī)串電阻調(diào)速，這是較理想的方案。變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車，連續(xù)平滑調(diào)速，特別是帶能量回饋的四象限運(yùn)行變頻器，可以將電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng)，降低電能消耗，可節(jié)約大量的電能。
2、 變頻控制方案
2.1 變頻控制的特點(diǎn)
(1)變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，操作簡(jiǎn)單方便，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度;
(2)實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟起動(dòng)和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小;
(3)啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動(dòng)電流不超過1.3倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級(jí)平滑地升至最高速，沒有大電流出現(xiàn)，大大地減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊;
(4)增加了直流制動(dòng)功能，使重車停車時(shí)更加平穩(wěn);
(5)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償達(dá)到規(guī)范要求，重車啟動(dòng)正常;
(6)節(jié)能效果顯著，據(jù)實(shí)測(cè)，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到20%左右，采用回饋制動(dòng)，節(jié)能效果更明顯;
(7)采用變頻控制后，原繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子短接，在電機(jī)維護(hù)方面，避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護(hù);
(8)機(jī)內(nèi)采用深圳加能回饋單元，回饋能量可直接輸給電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，適應(yīng)范圍廣，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行;
(9)安全保護(hù)功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護(hù)外，還設(shè)有外圍控制的連鎖保護(hù)，包括制動(dòng)閘信號(hào)與正、反轉(zhuǎn)信號(hào)的連鎖，變頻器故障信號(hào)與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機(jī)內(nèi)備有自動(dòng)減速程序等。
2.2 方案的確定
設(shè)計(jì)時(shí)，因絞車系統(tǒng)一般都滿負(fù)荷運(yùn)行，而且要求起動(dòng)力矩大，因此根據(jù)電機(jī)的容量(380v/215kw)，變頻器一般應(yīng)高出一個(gè)規(guī)格為ABB-ACS800 250KW。
方案一：直接采用進(jìn)口原裝四象限能量回饋?zhàn)冾l器，方案二：采用進(jìn)口原裝二象限變頻器+能量回饋單元。因進(jìn)口原裝四象限能量回饋?zhàn)冾l器供貨周期長（8-12周）且成本極高，出現(xiàn)問題維修周期長，不適合煤礦的當(dāng)前生產(chǎn)狀況；所以我們推薦方案二，變頻器+能量回饋單元，降低前期投入成本，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期，同時(shí)也能降低維修費(fèi)用，也同樣能達(dá)到在礦車下放時(shí)將發(fā)生的電能直接回送電網(wǎng)，節(jié)約大量的能量。
加能(深圳)公司是加拿大IPC的中國公司，主要從事IPC產(chǎn)品在中國的推廣，二次開發(fā)和部分產(chǎn)品生產(chǎn)。加拿大IPC公司位于北美最大的港口城市Vancouver。在國內(nèi)生產(chǎn)的IPC-PFH系列提升機(jī)專用能量回饋單元 ，特別適用于礦山提升機(jī)、起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、拉絲機(jī)、離心機(jī)等有電能再生的適用場(chǎng)合。主要具有以下性能特點(diǎn)：
（一）技術(shù)參數(shù)：
1. 額定電壓：AC380V/220V/660V；
2. 功率范圍：30KW～160KW；
3. 制動(dòng)方式：雙向自動(dòng)電壓跟蹤方式；
4. 反應(yīng)時(shí)間：2ms以下，有多重噪聲過濾算法；
5. 允許電網(wǎng)電壓：300V～460VAC，45～66Hz；
6. 動(dòng)作電壓：620V-680VD可調(diào)，誤差≦2V；
7. 制動(dòng)力矩：150%；
8. 回饋方式：正弦波電流方式；
9. 電流畸變：<5％；
10. 回饋算法：最小諧波PWM算法；
11. 設(shè)計(jì)工作制：長期；
12. 保護(hù)功能：過熱，過電流，短路及故障自診斷及保護(hù)輸出功能；
（二）產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：
1. 使變頻器實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，持續(xù)性回饋，回饋制動(dòng)頻度40%。
2. 把再生能量回饋電網(wǎng)，效率 97% ，增加運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。
3. 熱損耗為耗能制動(dòng)的 3% 以下，改善工作環(huán)境。
4. 有完全故障保護(hù)，使用安全。
5. 全電壓自動(dòng)跟蹤，用戶不必自己調(diào)整或設(shè)定，方便使用。
6. 全程噪聲過濾，不會(huì)污染電網(wǎng)和干擾其他設(shè)備。
7. 高性能回饋式制動(dòng)單元。外置大電抗器，可直接和電網(wǎng)駁接使用。
2.3 系統(tǒng)的組成
2.3.1 雙電源進(jìn)線柜 1臺(tái)
2.3.2 變頻柜 1臺(tái) （ABB-ACS800）
2.3.3 回饋制動(dòng)柜 1臺(tái) （IPC-PFH75-4*3套并聯(lián)）
2.3.4 PLC控制柜 1臺(tái) （雙PLC）
2.3.5 司機(jī)控制臺(tái) 1臺(tái) （含上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）
2.3.6 軸編碼器 2抬
2.3.7 位置傳感器 6套
2.4 控制原理
控制核心為ABB ACS 800系列重載型變頻器，利用與變頻提升機(jī)系統(tǒng)對(duì)接對(duì)絞車進(jìn)行起、停、加減速及機(jī)械抱閘系統(tǒng)的控制，同時(shí)用變頻器調(diào)節(jié)頻率及軸編碼器的信號(hào)采集，通過PLC的計(jì)算，使提升機(jī)的速度得到有效而精確控制，并確保停車位置的準(zhǔn)確性。
其系統(tǒng)組成如圖所示：圖1由左往右依次為 變頻柜 回饋制動(dòng)柜 PLC控制柜 雙電源進(jìn)線柜。
圖2為提升機(jī)控制臺(tái)
圖1 圖2
變頻調(diào)速的原理
(1)主回路圖如圖3所示:
圖3、 提升機(jī)變頻器主電路
主回路工作過程:三相交流電經(jīng)整流濾波變成直流電，為逆變提供電源，逆變的功能是將整流后的直流電轉(zhuǎn)化為調(diào)頻調(diào)壓的交流電去驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)提升作業(yè);當(dāng)電機(jī)由高速運(yùn)行減速或單鉤絞車下放時(shí)，負(fù)載由于存在慣性，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速會(huì)超過它的同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)變成發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出的交流電經(jīng)逆變部分的續(xù)流二極管整流成直流，使母線電壓升高，直接危及功率器件，必須把這部分能量釋放掉，于是我們做了回饋單元，對(duì)這部分能量進(jìn)行處理，反送回電網(wǎng)，從而保證變頻器的安全工作，并進(jìn)而節(jié)約了電能。
(2)控制回路
采用cpu統(tǒng)一控制和 變頻器自身的plc 外端接口相結(jié)合，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性，同時(shí)利用 plc 強(qiáng)大的控制能力實(shí)現(xiàn)靈活的控制方式和電氣隔離。
(3)接口電路
plc接口電路如圖3所示。
圖3、 plc接口電路
輸入:故障輸入、編碼器信號(hào)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、松閘信號(hào)、母線過壓1、內(nèi)部保護(hù)、母線過壓2、五個(gè)檔位、急停、模擬輸入+a、+b等。
輸出:去主板的信號(hào)(1):公共點(diǎn)、正/反、松閘、運(yùn)行、急停、外控電壓輸入。
指示信號(hào)(2):故障指示、上升指示、下降指示、減速指示、檔位指示。
(3)變頻器為典型的交-直-交電壓源型變頻器，其功率模塊為進(jìn)口的西門子新型IGBT器件，采用32位全數(shù)字單片機(jī)控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)大范圍內(nèi)的無級(jí)平滑調(diào)速，在運(yùn)行過程中能隨時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，自動(dòng)調(diào)整功率輸出，使電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)，節(jié)能效果明顯。
(4)系統(tǒng)的控制框圖如圖 4所示。
圖4、 控制系統(tǒng)原理
3、 改造后的效果計(jì)算
3.1 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)
（1）提升機(jī)規(guī)格: GKT—2×2×1—20
（2）卷筒名義直徑 2000㎜
（3）卷筒寬度 1000㎜
（4）卷筒個(gè)數(shù) 2個(gè)
（5）鋼絲繩最大靜張力 6000Kｇ
（6）鋼絲繩最大靜張力差 4000Kｇ
（7）鋼絲繩直徑 32㎜
（8）減速器名義速比 20
（9）最大提升高度（斜長） 580ｍ
（10）最大提升速度 3.8ｍ／ｓ
（11）坡度 25°
我們按照加、減速度為0.5m/s2,爬行速度0.5m/s，爬行時(shí)間5 s來計(jì)算，單勾運(yùn)行情況見下表
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單位/秒 |
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單位/米 |
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加速時(shí)（t1) |
7.60 |
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加速距（s1） |
14.44 |
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減速時(shí)（t2) |
6.60 |
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減速距（s2） |
14.19 |
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爬行時(shí)（t3) |
5.00 |
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爬行距（s3） |
2.50 |
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勻速時(shí)（t4） |
144.44 |
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勻速距（s4） |
548.87 |
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單勾運(yùn)行時(shí)間 |
163.64 |
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井筒深度 |
580.00 |
3.2 功耗計(jì)算
提升機(jī)為雙勾提升，我們按每一半負(fù)力提升計(jì)算。
單勾提升時(shí)間：≈164s；
每次提升的間歇時(shí)間：設(shè)定為30s；
每小時(shí)提升時(shí)間：3600/（164+30）*164≈3043s
每天按20小時(shí)計(jì)算提升時(shí)間：3043×20＝47160/3600＝16.9h
其中有一半的時(shí)間為負(fù)力運(yùn)行：16.9/2=8.45h
提升過程中每勾低于工頻運(yùn)行的時(shí)間：19.2s；占單勾運(yùn)行時(shí)間的11.7％，則共頻運(yùn)行占單勾運(yùn)行時(shí)間的88.3％
上提階段工頻每天能量消耗 (E_hoist1) ：
設(shè)定負(fù)載率為0.8；
凈效率（實(shí)際效率）=機(jī)械效率 x 電機(jī)效率 x 驅(qū)動(dòng)控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83
E_hoist1 [kWh]={(負(fù)載率 x 額定功率) x 凈效率} x小時(shí)（每天工作時(shí)上提占用時(shí)間）x 88.3％
= {(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45 x 88.3％
≈ 1065kWh
上提階段低頻每天能量消耗 (E_hoist2) ：
凈效率（實(shí)際效率）=機(jī)械效率 x 電機(jī)效率 x 驅(qū)動(dòng)控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83
E_hoist2 [kWh]={(負(fù)載率 x 額定功率) x 凈效率} x小時(shí)（每天工作時(shí)上提占用時(shí)間）x11.7％x50％
= {(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45 x 11.7％x50％
≈ 71kWh
上提階段低頻每天能量消耗 (E_hoist) ：
E_hoist =E_hoist1+ E_hoist2=1065kWh+71kWh=1136kWh
下放階段工頻每天再生回饋能量(E_lowering1)
實(shí)際效率 = 機(jī)械效率 x 電機(jī)效率 x 驅(qū)動(dòng)控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負(fù)載率 x 額 定功率) x 凈效率} x 小時(shí)（每天工作時(shí)下放占用時(shí)間）x40％（按動(dòng)能發(fā)電的40％計(jì)算）
＝-{(0.8 x215kW) x 0.83} x 8.45 x40％x 88.3％
≈ -426kWh
下放階段低頻每天再生回饋能量(E_lowering2)
實(shí)際效率 = 機(jī)械效率 x 電機(jī)效率 x 驅(qū)動(dòng)控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負(fù)載率 x 額定功率) x 凈效率} x 小時(shí)（每天工作時(shí)下放占用時(shí)間）x20％（按動(dòng)能發(fā)電的20％計(jì)算）
＝-{(0.8 x215kW) x 0.83} x 8.45 x20％x 11.7％x50％
≈ -14kWh
下放階段每天再生回饋能量(E_lowering)
E_lowering= E_lowering1+ E_lowering2=426+14=440
提升下放運(yùn)轉(zhuǎn)的每天凈能量消耗（E_net_hoist）
E_net_hoist =1136kWh -440kWh =696kWh
不安裝回饋制動(dòng)變頻器的功耗
上提階段的每天能量消耗 (E_hoist) ＝{(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45≈1206 kWh
下放階段的每天能量消耗 (E_lowering) ＝上提階段的每天能量消耗 (E_hoist1)*40%
（下放時(shí)消耗能量按上提時(shí)的40％計(jì)算）＝1206*50%=482 kWh
E_max_hoist=上提階段的每天能量消耗 (E_hoist)+ 下放階段的每天能量消耗(E_lowering) ＝1206+482＝1688kWh
實(shí)際節(jié)約電能：
1688kWh－696kWh＝992kWh
每年節(jié)約電費(fèi)：
992kWh x [25days/month]（月工作天數(shù)） x 12 month x [0.7/ kWh]（平均電費(fèi)）＝297600 x [0.7/ kWh]（平均電費(fèi)）＝208320元
4、 結(jié)束語
煤礦提升機(jī)專用能量回饋單元，是加能公司為提升行業(yè)創(chuàng)造的又一綠色產(chǎn)品，其產(chǎn)品已在山東、山西、河南、河北、四川、貴州、云南、寧夏、內(nèi)蒙等全國的很多省份的煤礦得到了廣泛的應(yīng)用。在操作方便、運(yùn)行可靠、改善工人的勞動(dòng)環(huán)境、節(jié)電顯著等方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。特別是近幾年產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí)，使其可靠性應(yīng)用得到極大的提高。提升機(jī)變頻器實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行、電能的回饋等新技術(shù)，其應(yīng)用前景將會(huì)是很廣闊的。
（轉(zhuǎn)載）
