礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產(chǎn)過(guò)程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。本文介紹的是煤礦斜井絞車(chē)提升機采用SAJ-8000Z(132kw)變頻器進(jìn)行改造的實(shí)例及所取得的節能等效益。

引言

    礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產(chǎn)過(guò)程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。煤礦井下采煤，采好的煤通過(guò)斜井用提升機將煤車(chē)拖到地面上來(lái)。煤車(chē)廂與火車(chē)的運貨車(chē)廂類(lèi)似，只不過(guò)高度和體積小一些。在井口有一絞車(chē)提升機，由電機經(jīng)減速器帶動(dòng)卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周掛上一列煤車(chē)車(chē)廂，在電機的驅動(dòng)下將裝滿(mǎn)煤的列車(chē)從斜井拖上來(lái)或放下去。這種拖動(dòng)系統要求電機頻繁的正、反轉起動(dòng)，減速制動(dòng)，而且電機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的機械結構示意圖如圖1所示。斜井提升機的動(dòng)力由繞線(xiàn)式電機提供，采用轉子串電阻調速。提升機的基本參數是:電機功率55kW，卷筒直徑Φ1200mm，減速器減速比24:1，最高運行速度2.5m/s，鋼絲繩長(cháng)度為120m。

    目前，大多數中、小型礦井采用斜井絞車(chē)提升，傳統斜井提升機普遍采用交流繞線(xiàn)式電機串電阻調速系統，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設備運行的時(shí)間較長(cháng)，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會(huì )造成停車(chē)位置不準確。提升機頻繁的起動(dòng)﹑調速和制動(dòng)，在轉子外電路所串電阻的上產(chǎn)生相當大的功耗。這種交流繞線(xiàn)式電機串電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差;低速時(shí)機械特性較軟，靜差率較大;電阻上消耗的轉差功率大，節能較差;起動(dòng)過(guò)程和調速換擋過(guò)程中電流沖擊大;中高速運行震動(dòng)大，安全性較差。

改造方案

    為克服傳統交流繞線(xiàn)式電機串電阻調速系統的缺點(diǎn)，采用變頻調速技術(shù)改造提升機，可以實(shí)現全頻率(0～50Hz)范圍內的恒轉矩控制。對再生能量的處理，可采用價(jià)格低廉的能耗制動(dòng)方案或節能更加顯著(zhù)的回饋制動(dòng)方案。為安全性考慮，液壓機械制動(dòng)需要保留，并在設計過(guò)程中對液壓機械制動(dòng)和變頻器的制動(dòng)加以整合。礦井提升機變頻調速方案如圖2所示。

    考慮到繞線(xiàn)式電動(dòng)機比鼠籠式電動(dòng)機的力矩大，且過(guò)載能力強，所以仍用原來(lái)的4極55kW繞線(xiàn)式電機，在用變頻器驅動(dòng)時(shí)需將轉子三根引出線(xiàn)短接。提升機在運行過(guò)程中，井下和井口必須用信號進(jìn)行聯(lián)絡(luò )，信號未經(jīng)確認，提升機不能運行。為顯示運行時(shí)車(chē)廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉編碼器，即電機旋轉1圈旋轉編碼器產(chǎn)生40個(gè)脈沖，這樣每?jì)蓚€(gè)脈沖對應車(chē)廂走過(guò)的距離為1200×π/(24×40)=3.927，約為3.9mm。則與實(shí)際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm，卷筒運行一圈誤差為0.027×40×24=25.29mm，已知鋼絲繩長(cháng)度為120m，如果兩個(gè)脈沖對應車(chē)廂走過(guò)的距離用近似值3.9mm計算，120m全程誤差為25.92×120000/1200π≈825mm。再考慮到實(shí)際檢測過(guò)程中有一個(gè)脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm～829mm之間，對于數十米長(cháng)的車(chē)廂來(lái)說(shuō)誤差范圍不到1m，精度足夠。因此，用計數器實(shí)時(shí)統計旋轉編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數，則可計算出車(chē)廂的位置并用顯示器顯示。另外一個(gè)問(wèn)題是計數過(guò)程中有無(wú)累計誤差存在？實(shí)際檢測時(shí)，在一個(gè)提升過(guò)程開(kāi)始前，首先將計數器復位，第一個(gè)重車(chē)廂經(jīng)過(guò)某個(gè)位置時(shí)，打開(kāi)計數器計數，車(chē)廂在斜井中的位置以此點(diǎn)為基準計算，沒(méi)有累計誤差。在操作臺上，用8英寸觸摸屏顯示交流電壓和電機工作電流以及車(chē)廂的位置。

方案實(shí)施

    斜井提升負載是典型的摩檫性負載，即恒轉矩特性負載。重車(chē)上行時(shí)，電機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，起動(dòng)時(shí)還要克服一定的靜摩檫力矩，電機處于電動(dòng)工作狀態(tài)，且工作于第一象限。在重車(chē)減速時(shí)，雖然重車(chē)在斜井面上有一向下的分力，但重車(chē)的減速時(shí)間較短，電機仍會(huì )處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當列重車(chē)上行時(shí)，電機處于反向電動(dòng)狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，有占總運行時(shí)間10%的時(shí)間單獨運送工具或器材到井下時(shí)，電機純粹處于第二或第四象限，此時(shí)電機長(cháng)時(shí)間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進(jìn)行有效的制動(dòng)。用能耗制動(dòng)方式必將消耗大量的電能;用回饋制動(dòng)方式，可節省這部分電能。但是，回饋制動(dòng)單元的價(jià)格較高，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時(shí)間的10%，為此選用價(jià)格低廉的能耗制動(dòng)單元加能耗電阻的制動(dòng)方案。

    提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動(dòng)力矩較大，選用變頻器時(shí)適當地留有余量，因此，三晶132kW變頻器。由于提升機電機絕大部分時(shí)間都處于電動(dòng)狀態(tài)，僅在少數時(shí)間有再生能量產(chǎn)生，變頻器接入一制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，就可以滿(mǎn)足重車(chē)下行時(shí)的再生制動(dòng)，實(shí)現平穩的下行。井口還有一個(gè)液壓機械制動(dòng)器，類(lèi)似電磁抱閘，此制動(dòng)器用于重車(chē)靜止時(shí)的制動(dòng)，特別是重車(chē)停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動(dòng)器制動(dòng)。液壓機械制動(dòng)器受PLC和變頻器共同控制，機械制動(dòng)是否制動(dòng)受變頻器頻率到達端口的控制，起動(dòng)時(shí)當變頻器的輸出頻率達到設定值，例如0.2Hz，變頻器A、B端口輸出信號，表示電機轉矩已足夠大，打開(kāi)液壓機械制動(dòng)器，重車(chē)可上行;減速過(guò)程中，當變頻器的頻率下降到0.2Hz時(shí)，表示電機轉矩已較小，液壓機械制動(dòng)器制動(dòng)停車(chē)。緊急情況時(shí)，按下緊急停車(chē)按鈕，變頻器能耗制動(dòng)和液壓機械制動(dòng)器同時(shí)起作用，使提升機在盡量短的時(shí)間內停車(chē)。

    提升機傳統的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機正、反轉共三擋速度。為適應操作工人這種操作方式，變頻器采用無(wú)級（無(wú)檔位）調速。變頻調速原理圖如圖3所示。


節電率與投資回報分析　　

    某鐵底礦使用的煤礦提升機,原采用132KW三相異步電動(dòng)機,轉子串電阻調速,用交流接觸器進(jìn)行速度切換,由于功率比較大,所以啟動(dòng)換檔時(shí)沖擊電流大,中高速運行不平穩,大量的電能消耗在轉子電阻上,告成能源的極大浪費。同時(shí)，工人的操作環(huán)境也極惡劣，急需進(jìn)行改造。

    由于變頻器具有軟啟動(dòng)、大范圍內平滑調速、節能效果顯著(zhù)等優(yōu)點(diǎn)，因此我礦經(jīng)過(guò)多方考察，決定采用廣州三晶電氣有限公司生產(chǎn)的系列變頻器對絞車(chē)系統進(jìn)行變頻改造，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運行，證明改造的效果比較理想，主要表現在：

    1、實(shí)現了啟動(dòng)時(shí)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)，減輕了對電網(wǎng)的沖擊。

    2、變頻器的頻率連續調節，使調速更加方便、可靠，運行更平穩。

    3、使用變頻器后省去原先的換檔接觸器及調速電阻，即節省了維修費用，又減少了停機維修時(shí)間，從而提高了產(chǎn)量。同時(shí)改善了惡劣操作環(huán)境，使工人避免在夏季調速電阻發(fā)熱告成的高溫條件下工作。

    4、在低速時(shí)節能效果十分明顯。礦井深300多米，測量時(shí)用4/50的電度表，在相同耗電量的情況下，用工頻可拉17勾，而使用變頻可拉26勾，即變頻比工頻多拉9勾。經(jīng)估算節電率約為20%。由于使用了變頻器，設備基本上是滿(mǎn)載運行。即使我們采用保守算法，把132KW的電機功率折扣為120KW，每天只使用20小時(shí)，每年工作360天，一年節電仍高達30.24萬(wàn)度（120*0.35*20*360=302400度)。若以每度電0.5元計算(當地電價(jià)0.6元),則每年可節電費15萬(wàn)多元(302400*0.5=151200元)。

結束語(yǔ)

    繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。提升機絕大部分時(shí)間都處在電動(dòng)狀態(tài)，節能十分顯著(zhù)，經(jīng)測算節能20%以上，取得了很好的經(jīng)濟效益。另外，提升機變頻調速使系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時(shí)，節省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟效益也很可觀(guān)。