副井提升機直流調速系統(tǒng)的設計

來 春

（山煤國際能源股份有限公司煤業(yè)分公司， 山西 太原 030006）

引言

提升機為煤礦生產(chǎn)的主要運輸設備，主要應用于立井的生產(chǎn)中。提升機以多繩摩擦式提升機為主，傳統(tǒng)提升機通過對主發(fā)電機電壓的調節(jié)進行控制，存在故障率高、線路老化嚴重、耗電量大、維護成本和工作量大等問題，無法與當前礦井高效、安全、現(xiàn)代化、數(shù)字化發(fā)展的需求相適應。本著高可靠性、高運輸能力、高節(jié)能效果的原則，將提升機傳統(tǒng)調速系統(tǒng)改造為直流電控調速系統(tǒng)[1]。本文重點對副井提升機的直流調速系統(tǒng)進行設計。

1 提升機電氣控制系統(tǒng)的要求

礦井提升機電氣控制系統(tǒng)主要包括深度指示器、直流調速系統(tǒng)、控制系統(tǒng)回路和監(jiān)控系統(tǒng)等部分。提升機電氣控制系統(tǒng)的設計總體上必須遵循高可靠性、高控制精度的需求，這樣才能夠適應數(shù)字化、自動化、現(xiàn)代化礦井的生產(chǎn)需求。

提升機電氣控制系統(tǒng)需滿足最基礎也是最根本的四象限運行要求和調速要求。

1.1 四象限運行要求

提升機運行需依據(jù)的給定速度運行，如圖1 所示，速度的正負值分別代表提升的下放和上升的兩種狀態(tài)。通常情況下，提升機有四種運行工況，分別為：重物上提，靜載量較大；重物上提，靜載量減??；重物下放，靜載量較??；重物下放，靜載量較大。也就是說，提升機電機需根據(jù)運行需求分別處于電動狀態(tài)和制動狀態(tài)。

圖1 提升機速度給定圖

1.2 調速要求

在實際生產(chǎn)中，提升機除了運行工況不同外，針對不同的運輸對象也需對提升機速度進行平滑控制。比如，當提升機運行物料時一般以額定速度運行。當提升機運輸作業(yè)人員時速度一般小于額定速度。檢查運行工況時，提升機速度一般控制在0.3～1 m/s。當處于低速爬行階段時，提升機速度一般控制在0.1～0.5 m/s。

平滑調速的量化指標為保證提升機在不同負載狀態(tài)切換時，距離小于提升高度的1%。

根據(jù)提升機調速要求和四象限運行要求，采用復合控制方案，實現(xiàn)對提升機速度的控制。所謂復合控制方案，就是指在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)的基礎上，增加前饋校正環(huán)節(jié)。從理論上講，采用復合控制方案對提升機的速度進行調整控制，能夠保證調速控制系統(tǒng)的跟隨性，以及更高的抗干擾能力，能夠在很大程度上消除速度誤差。同時，基于復合控制方案還能夠解決提升容器下墜的問題，保證了提升系統(tǒng)的安全性[2]。

2 副井提升機直流調速系統(tǒng)的設計

2.1 直流調速系統(tǒng)概述

基于全數(shù)控晶閘管整流裝置的直流調速系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點：

1）基于DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置，可獨立完成各類參數(shù)的設定。

2）針對控制系統(tǒng)的輸入量和輸出量既可采用數(shù)字量，也可采用模擬量。

3）具備對參數(shù)的實時監(jiān)控和顯示，對故障進行報警、診斷和定位。

4）采用適當?shù)耐ㄐ叛b置，可實現(xiàn)調速裝置與DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置之間的通信，即可以實現(xiàn)上位機與PLC 可編程邏輯控制器之間的實時通信[3]。

2.2 DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置在調速系統(tǒng)中的應用設計

DCS600 全數(shù)控晶閘管整流裝置的性能，可保證調速系統(tǒng)可控制提升機滿足四象限運行的要求。

根據(jù)提升機不同工況下的速度、電流以及力矩的曲線圖，在最嚴峻的工況下確定提升機整流與變壓器的參數(shù)，且提升機在下放工況下對應的負載、力矩值最大。結合副井提升機的運輸需求，其下放工況對應的速度及其相匹配的電流、力矩的曲線圖，如圖2 所示。

圖2 提升機下放工況對應的速度、電流以及力矩曲線圖

結合圖2 給出的電流曲線，計算得出提升機變壓器一次側額定電流為812 A，經(jīng)換算得出變壓器的額定容量如下：SB= 3√ ×812A×0.4 kV=562 kVA。

結合變壓器的額定容量，完成電樞整流裝置和勵磁整流裝置的選型，配套整流裝置選型型號及參數(shù)如表1 所示。

表1 配套整流裝置的選型

2.3 直流調速系統(tǒng)的速度給定和反饋

速度給定指的是按照提前設定的速度運行，速度給定曲線如圖1 所示。反饋指的是對提升機的運輸對象、運行工況等參數(shù)進行采集。根據(jù)采集到的參數(shù)和提前給定的速度值對提升機的提升或下放速度進行實時精準控制[4]。直流調速系統(tǒng)主要是對勵磁電流、電樞電流和速度進行實時精準控制。

2.3.1 勵磁電流的閉環(huán)控制

勵磁電流采用閉環(huán)控制的PI 控制理論實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)給定的電流階躍信號和系統(tǒng)的響應狀態(tài)，為保證勵磁電流的平滑性和響應速度，該項環(huán)節(jié)中PI控制器中對應的Kp值為300，Ki值為200。

2.3.2 電樞電流的閉環(huán)控制

同樣，電樞電流采用閉環(huán)控制的PI 控制理論完成，結合電流響應曲線對其中的Kp和Ki值進行調整，在保證超調量和換向速度的要求下，最終確定的Kp值為388，Ki值為1000。

2.3.3 提升或下放速度的閉環(huán)控制

為保證提升機提升或下放速度的響應特性，降低調速系統(tǒng)的超調量，在對各種工況長時間監(jiān)測的基礎上，確保系統(tǒng)電流和速度均穩(wěn)定，最終確定速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的Kp值為13.8，Ki值為3800。

3 直流調速系統(tǒng)的應用效果

結合提升機的實際生產(chǎn)需求，提升機每天的提升時間為14 h，其余10 h 處于空載運行狀態(tài)。在直流調速系統(tǒng)的作用下，在空載運行狀態(tài)可控制提升機以空載電流運行，其空載電流為額定電流的20%。提升機電機的額定功率為550 kW，每年按照350 d 計算，則可得出在空載運行工況下，可節(jié)約的電能為：550 kW×10 h×20%×350 d=385000 kW·h。

本直流調速系統(tǒng)中可去除傳統(tǒng)調速系統(tǒng)的勵磁組件，勵磁組件的額定功率為185.5 kW，該項可節(jié)約的電能為：185.5 kW×24 h×350 d=155400 kW·h。

采用直流調速系統(tǒng)每年可節(jié)約電量為385000 kW·h+155400kW·h=540400kW·h。按照0.5 元/kW·h計算，則每年可節(jié)約電費270200 元，約27 萬元。

此外，采用直流調速系統(tǒng)后，很多設備均可拆除，同時減少了相應的維修費用。經(jīng)核算，每年可節(jié)約維修費用約30 萬元。

綜上，采用直流調速系統(tǒng)后，每年可節(jié)約費用約57 萬元。

4 結語

1）勵磁電流閉環(huán)控制的Kp值為300，Ki值為200。電樞電流閉環(huán)控制的Kp值為388，Ki值為1000。速度閉環(huán)控制的Kp值為13.8，Ki值為3800。

2）直流調速系統(tǒng)應用于實際生產(chǎn)后，每年可節(jié)約成本約57 萬元。而且，直流調速系統(tǒng)的應用減輕了勞動人員的勞動強度，提升了提升機的運行的可靠性和安全性。