提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與驗證

趙轉(zhuǎn)梅

（山西焦煤西山煤電杜兒坪煤礦機電科外維一隊， 山西 太原 030022）

引言

鑒于煤炭是我國國民經(jīng)濟增長的核心動力，在未來很長一段時間內(nèi)其仍然在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位。為提升綜采工作面的產(chǎn)煤效率，除了從根本上改善采煤工藝，提升采煤技術(shù)，還需提升工作面綜采設(shè)備的自動化水平和可靠性、穩(wěn)定性。提升機作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，其主要任務(wù)是實現(xiàn)物料、設(shè)備以及人員在工作面和地面之間的運輸[1]。為了確保提升機與其他綜采設(shè)備的生產(chǎn)效率相匹配，需從提升其穩(wěn)定性和安全性對提升機進行改造。變頻調(diào)速系統(tǒng)是提升提升機運行穩(wěn)定性和可靠性的主要措施，本文基于PLC 和變頻器設(shè)計一款適用于工作面的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 提升機系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 提升機系統(tǒng)的組成

為確保提升機滿足實際生產(chǎn)的需求，提升機系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 提升機系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖1 所示，提升機系統(tǒng)主要由主軸裝置、減速器、電動機、電控系統(tǒng)、液壓制動系統(tǒng)以及深度指示器等組成[2]。本文所設(shè)計提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的載體為JKMD 型號提升機，該型提升機的關(guān)鍵參數(shù)如

表1 JKMD 提升機關(guān)鍵參數(shù)

1.2 提升機系統(tǒng)設(shè)計要求

要求所設(shè)計的提升機系統(tǒng)滿足如下要求：

1）提升機系統(tǒng)滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求；

2）要求系統(tǒng)具有完備的保護功能，實現(xiàn)對提升系統(tǒng)運行的保護；

3）要求系統(tǒng)具有自檢功能，且對自檢數(shù)據(jù)保存時間至少為3 天；

4）當(dāng)系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障時，要求系統(tǒng)具有欠壓、過流、短路以及松繩等保護功能[3]。

1.3 提升機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

提升機系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 提升機系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

如圖2 所示，提升機系統(tǒng)包括主控系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)以及交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。本文著重對其中的變頻調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計。

2 提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用旨在確保當(dāng)提升機系統(tǒng)在載荷突變的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對提升機的無級調(diào)速，從而避免對系統(tǒng)造成沖擊，提升提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[4]。針對提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計，本文著重對變頻器的選型、控制方案進行闡述。

2.1 變頻器工作原理

所謂提升機變頻調(diào)速指的是系統(tǒng)通過調(diào)整電機的頻率達到對提升機提升速度的無級控制。其控制原理如式（1）所示：

式中：n為電機轉(zhuǎn)速，f為三相異步電動機的運行頻率，s為三相異步電動機的轉(zhuǎn)差率，p為三相異步電動機的極對數(shù)。

分析式（1）可知：提升機的提升速度與其三相異步電機的運行頻率成正比。我國電網(wǎng)頻率范圍為0～50 Hz。因此，基于變頻調(diào)速可實現(xiàn)提升速度的平滑調(diào)速。

2.2 變頻器的選型

變頻器的選型需主要考慮兩方面的因素：其一，其功率范圍需符合提升機電控系統(tǒng)中三相異步電動機的額定功率的要求；其二，要求變頻器能夠確保提升機在載荷突變的工況下具備低頻轉(zhuǎn)矩的提升能力[5]。

綜合考慮上述兩方面的因素，所選變頻器的型號為西門子公司的5HK62-5B 變頻器。

3 提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計主要針對提升機的行程控制、制動控制以及操作控制三部分。

3.1 行程控制

基于變頻調(diào)速系統(tǒng)，對提升機的行程控制主要包括提升過程的控制和下降過程的控制。

對于提升過程而言，包括有抱閘—啟動恒加速運行（中速啟動運行）—恒減速運行（低速運行）—恒加速運行（高速運行）—恒減速運行（停車減速）- 抱閘。對于下放過程而言，為提升過程的逆過程。

基于行程控制實現(xiàn)了變頻調(diào)速系統(tǒng)對不同階段提升機速度的控制，對避免提升機過卷、過放、脫軌等事故的發(fā)生具有顯著意義。

3.2 制動控制和操作控制

基于變頻調(diào)速系統(tǒng)，使用能耗單元可實現(xiàn)對提升機的制動?；谏鲜鲋苿臃绞侥軌虮苊馓嵘龣C在制動過程中出現(xiàn)機械沖擊和快速下滑的現(xiàn)象。此外，通過控制變頻器的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對提升機的提升和下降操作，即基于變頻調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)對提升機的操作控制。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用效果

提升機系統(tǒng)中應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要目的是實現(xiàn)對提升機速度的平滑控制、達到節(jié)能的效果。因此，將從對提升機速度的控制效果和節(jié)能效果兩方面驗證變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

4.1 平滑調(diào)速功能的驗證

將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于我礦提升機的控制系統(tǒng)中。該提升機的主要任務(wù)是運輸煤矸石，其在一次往返運動過程中對提升速度控制曲線如圖3 所示。

圖3 變頻調(diào)速系統(tǒng)對提升速度的控制效果

如圖3 所示，提升機初加速距離為7 m，整體加速距離為73 m，帶起達到8.38 m/s 時，系統(tǒng)以恒定速度運行370 m，而后開始減速。在整個行程過程中，提升容器的速度變化曲線均是平滑過渡的，也就是說提升機速度在相鄰兩個運行階段中速度的切換相對平穩(wěn)，滿足平滑調(diào)速的要求。

4.2 節(jié)能效果的驗證

變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于提升機的實際生產(chǎn)過程中，提升機在低速區(qū)運行的時間明顯較以往調(diào)速系統(tǒng)的時間長。經(jīng)統(tǒng)計結(jié)果表明，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)，提升機在低速區(qū)運行的時長約占一個周期的30%。此外，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)的制動控制，實現(xiàn)了采用能耗單元對提升機的制動，此舉不僅避免了提升機在制動過程中的機械沖擊，而且還具備一定的節(jié)能效果?？傊?，基于變頻調(diào)速系統(tǒng)可直接節(jié)能為20%。

此外，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用減少了液壓元器件的應(yīng)用，從而減少了對液壓元器件的損耗，直接降低了損耗件的更換費用。

綜上所述，自變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于杜兒坪礦提升機的控制系統(tǒng)一年后，直接節(jié)約電能和設(shè)備維護費用約為9 萬元。

5 結(jié)語

提升機作為綜采工作面的關(guān)鍵運輸設(shè)備，是煤礦生產(chǎn)的咽喉部位。在實際生產(chǎn)中，由于載荷突變且頻繁啟停對提升機造成一定的沖擊，進而降低了提升機的壽命，直接影響了綜采工作面生產(chǎn)的效率和安全性。為此，將變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于提升機的控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對提升機的行程、制動以及操作等方面的控制，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對提升容器速度的平穩(wěn)、無級控制，而且還能夠降低提升機的能耗，達到節(jié)能的效果。