樊 兵

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

主井提升機(jī)是承載著礦井原煤提升任務(wù)的重要煤礦提升設(shè)備。我國(guó)傳統(tǒng)的提升系統(tǒng)由于其系統(tǒng)發(fā)熱量大、故障率高等缺點(diǎn)使得礦井開(kāi)采的效率降低，提升礦井提升機(jī)的運(yùn)行效率對(duì)于礦井高效生產(chǎn)意義重大。隨著先進(jìn)的智能控制技術(shù)興起，礦井開(kāi)采逐步向智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展，電動(dòng)機(jī)變頻技術(shù)的出現(xiàn)使開(kāi)采設(shè)備更加節(jié)能、智能。此前眾多學(xué)者對(duì)提升機(jī)變頻控制進(jìn)行過(guò)一定研究。王峰, 劉自學(xué), 張旭隆[1]針對(duì)主井提升機(jī)運(yùn)行效率低、故障率高，設(shè)計(jì)了基于雙三電平變頻器與PLC為核心的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng),實(shí)際運(yùn)行效果良好，為礦井提升機(jī)改造提供參考。筆者以主井提升機(jī)電控系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)變頻控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)達(dá)到雙電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)的目的，從而提升電控系統(tǒng)的智能化、自動(dòng)化及信息化，為礦井主井提升機(jī)運(yùn)行效率的提升提供一定的借鑒參考。

1 主井提升機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.1 存在問(wèn)題

目前礦井的主井提升系統(tǒng)采用SIEMAG4×4型提升機(jī)，采用三個(gè)兩組反向并聯(lián)變流器形成的定子主電路，三相整流為轉(zhuǎn)子主電路，實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，但原有電控系統(tǒng)雖能滿(mǎn)足正常的生產(chǎn)，在運(yùn)行過(guò)程中存在以下主要問(wèn)題：①原有電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)故障后維修難度加大；②變頻系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)熱量過(guò)大情況；③系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，對(duì)周邊設(shè)備的干擾性較強(qiáng)；④系統(tǒng)出現(xiàn)故障后無(wú)法精準(zhǔn)定位故障發(fā)生的位置；⑤設(shè)備老化嚴(yán)重，維修成本較大等。

對(duì)原有電控系統(tǒng)提出新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，選定電動(dòng)機(jī)為電勵(lì)磁同步電機(jī)，電機(jī)的型號(hào)為AMZ2000FF16 MNBM，電動(dòng)機(jī)的參數(shù)如表1所列。

表1 同步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)參照表

1.2 電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

將原有電控系統(tǒng)進(jìn)行撤除，安裝2套同步電機(jī)三電平調(diào)速裝置，每臺(tái)裝置中均安裝有1臺(tái)勵(lì)磁變壓器、8臺(tái)電控箱、7臺(tái)高壓柜、2臺(tái)變壓器、電抗器、切換器及操作臺(tái)等，兩個(gè)裝置系統(tǒng)間采用輔助信號(hào)及主回路轉(zhuǎn)換柜。在每臺(tái)同步電機(jī)三電平調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一套全封閉式Tube閘控系統(tǒng)和卸載控制系統(tǒng)。同時(shí)為了保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在系統(tǒng)中增加輔助變壓器和低壓電源柜。在系統(tǒng)電機(jī)位置增加電機(jī)溫度傳感器，對(duì)電機(jī)的溫度進(jìn)行檢測(cè)。在系統(tǒng)中布置潤(rùn)滑油泵機(jī)、冷卻油泵電機(jī)，將信號(hào)傳感器傳輸?shù)男盘?hào)傳輸至PLC，數(shù)據(jù)的顯示和報(bào)警通過(guò)上位機(jī)組態(tài)界面進(jìn)行展示，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與報(bào)警，主井提升機(jī)控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 主井提升機(jī)系統(tǒng)示意圖

如圖1所示可以看出，主井提升機(jī)電控系統(tǒng)內(nèi)安裝7臺(tái)高壓開(kāi)關(guān)，分別為2臺(tái)進(jìn)線柜，4臺(tái)高壓饋電柜和1臺(tái)PT柜，其中高壓柜的開(kāi)關(guān)選用滿(mǎn)足安全生產(chǎn)要求的KYN28A-12型。KYN28A-12型開(kāi)關(guān)具有完善的電氣閉鎖和機(jī)械必選，采用VSP-12型斷路器和綜合保護(hù)器。變壓器的選用節(jié)能變壓器，定子變壓器1臺(tái)，勵(lì)磁電壓器2臺(tái)，輔助變壓器1臺(tái)，分別的接法為：D/D-0、D/Y-11兩種，初級(jí)與次級(jí)的繞組間分別設(shè)置電屏層，附加冷卻設(shè)備，在開(kāi)關(guān)柜設(shè)置溫度傳感器，傳感器將溫度顯示于上機(jī)位[2]。

在系統(tǒng)中安裝同步變頻器，變頻器采用性能較好的矢量控制軟件，對(duì)速度、轉(zhuǎn)矩、電流、功率因素等進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的功率因素不應(yīng)低于0.98。變頻器的主要功率元件為IGBT、防爆型直流濾波電容器等。變頻系統(tǒng)的母線選用塑封，數(shù)字矢量控制器為DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，數(shù)字矢量控制器能夠?qū)崿F(xiàn)定子變頻控制，單位功率因素控制，速度閉環(huán)控制，故障報(bào)警診斷等功能，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會(huì)立即進(jìn)行診斷，對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行分析通過(guò)上位機(jī)及時(shí)定位。系統(tǒng)安裝PLC柜，PLC柜內(nèi)布置行程PLC和保護(hù)PLLC，兩臺(tái)PLC通過(guò)MPI網(wǎng)進(jìn)行信息交換，對(duì)提升機(jī)的超速、過(guò)卷、行程等進(jìn)行監(jiān)控。安裝井筒檢測(cè)開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)共12個(gè)，每個(gè)箕斗位置布置6個(gè)，每側(cè)開(kāi)關(guān)依次為過(guò)卷、卸載、2 m/s、提人、減速點(diǎn)、同步開(kāi)關(guān)。

雙繞組變頻器主要是由調(diào)節(jié)柜、勵(lì)磁柜和交流柜組合而成，其中調(diào)節(jié)柜的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬高600 mm×2200 mm×1200 mm，在調(diào)節(jié)柜的柜門(mén)位置布置急停按鍵，方便及時(shí)控制，在柜內(nèi)設(shè)置機(jī)籠、勵(lì)磁變壓器、UPS電源、觸屏等。勵(lì)磁的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬高800 mm×2200 mm×1200 mm，在勵(lì)磁柜的柜門(mén)位置布置電壓、電流的顯示儀器[3-4]。交流柜的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)寬高1200 mm×2200 mm×1200 mm，交流柜柜體內(nèi)部放置電流、電壓傳感器、支撐電容模組等，變頻器柜如圖2所示。

圖2 變頻器柜示意圖

2 系統(tǒng)切換分析

在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，此時(shí)雙電機(jī)運(yùn)行會(huì)增大能耗，所以需要轉(zhuǎn)換為單電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，此時(shí)需要切換成雙電機(jī)運(yùn)行，所以電機(jī)間的切換對(duì)于節(jié)能十分重要。

對(duì)主井提升機(jī)的雙系統(tǒng)進(jìn)行分析，在兩套系統(tǒng)連接之間安裝一套轉(zhuǎn)換柜，轉(zhuǎn)換柜內(nèi)部的接線刀閘K1和K2與交流柜直接相連，定子繞組供電需求額定電壓、額定電流分別為1500V和1000A，雙繞組同步電機(jī)有兩種運(yùn)行形式，第一種為雙繞組全橋全速全載運(yùn)行模型，此時(shí)的變電柜1號(hào)和2號(hào)能夠同時(shí)運(yùn)行。第二種運(yùn)行模式為單橋雙繞組全載半速模式，此時(shí)僅單獨(dú)1號(hào)變流柜投入使用，系統(tǒng)定子繞組切換流程示意圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)定子繞組切換流程示意圖

主井提升機(jī)系統(tǒng)的倒換：系統(tǒng)II倒換至系統(tǒng)I，首先停用II號(hào)系統(tǒng)，將系統(tǒng)的制動(dòng)手柄和主令手柄全部調(diào)制零位，同時(shí)按下停車(chē)旋鈕，系統(tǒng)回路的指示燈滅，回路斷開(kāi)，在操作臺(tái)分別對(duì)II號(hào)操作系統(tǒng)的交流柜1號(hào)和2號(hào)、高壓送電指示燈進(jìn)行關(guān)閉，對(duì)風(fēng)機(jī)旋鈕依次進(jìn)行調(diào)零，將控制方式調(diào)制零位。倒換至I系統(tǒng)，在完成II號(hào)系統(tǒng)的停止操作后，將液壓站的三通轉(zhuǎn)換裝置調(diào)制關(guān)閉，將I號(hào)系統(tǒng)的三通轉(zhuǎn)換裝置調(diào)至開(kāi)通，將I號(hào)系統(tǒng)內(nèi)的1號(hào)轉(zhuǎn)接柜K1和K2刀閘進(jìn)行閉合，此時(shí)JD2和JD4繼電器指示燈亮。此時(shí)需要1號(hào)電控室的控制方式調(diào)制就地位置，分合閘處于閉合狀態(tài)。在操作臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)全部調(diào)至啟動(dòng)狀態(tài)，指示燈亮，油泵開(kāi)關(guān)處于開(kāi)始狀態(tài)。此時(shí)安全回路的指示燈亮起，回路閉合，I號(hào)系統(tǒng)正常開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

3 應(yīng)用效果

所設(shè)計(jì)的提升機(jī)雙獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，定子側(cè)的電壓電流運(yùn)行波形圖如圖4所示。

圖4 定子側(cè)電壓電流運(yùn)行波形圖

從圖中可以看出，設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)功率變化器輸出電壓有著很好的對(duì)稱(chēng)性，輸出電流呈現(xiàn)正弦分布，諧波較少，此時(shí)電機(jī)的發(fā)熱現(xiàn)象得到了大幅度的改善，同時(shí)運(yùn)行具有規(guī)律性，使得噪聲減小，對(duì)提升機(jī)的沖擊減小。

同時(shí)新設(shè)計(jì)的雙系統(tǒng)提升機(jī)通過(guò)應(yīng)用具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 有效提高了系統(tǒng)的可靠性，電控系統(tǒng)相互冗余、發(fā)生故障后在可在5 min內(nèi)完成切換，減少了故障影響時(shí)間。

(2) 新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)的信息管理，有效提高升了主井提升機(jī)的信息化水平，便于檢查故障和報(bào)警，方便于系統(tǒng)的正常維修。實(shí)現(xiàn)了安全、高效運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)雙獨(dú)立電控主回路進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出了雙獨(dú)立電控系統(tǒng)的整體布置方案，對(duì)兩套雙三電平變頻系統(tǒng)、兩套信號(hào)系統(tǒng)、兩套閘控系統(tǒng)的進(jìn)行研究，并給出了上系統(tǒng)倒換的操作流程，通過(guò)應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，輸出電流呈現(xiàn)正弦分布，諧波較少，電機(jī)的發(fā)熱現(xiàn)象得到了大幅度的改善，對(duì)提升機(jī)的沖擊減小，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了故障短時(shí)間切換，降低了運(yùn)行成本，為礦井降本增效提供依據(jù)。