樊 兵

(西山煤電集團有限責(zé)任公司，山西 太原 030053)

0 引 言

主井提升機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、故障率高等缺點使得礦井開采的效率降低，提升礦井提升機的運行效率對于礦井高效生產(chǎn)意義重大。隨著先進的智能控制技術(shù)興起，礦井開采逐步向智能化、自動化方向發(fā)展，電動機變頻技術(shù)的出現(xiàn)使開采設(shè)備更加節(jié)能、智能。此前眾多學(xué)者對提升機變頻控制進行過一定研究。王峰, 劉自學(xué), 張旭隆[1]針對主井提升機運行效率低、故障率高，設(shè)計了基于雙三電平變頻器與PLC為核心的礦井提升機電控系統(tǒng),實際運行效果良好，為礦井提升機改造提供參考。筆者以主井提升機電控系統(tǒng)為研究對象，通過對變頻控制系統(tǒng)進行設(shè)計達到雙電機變頻驅(qū)動的目的，從而提升電控系統(tǒng)的智能化、自動化及信息化，為礦井主井提升機運行效率的提升提供一定的借鑒參考。

1 主井提升機控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.1 存在問題

目前礦井的主井提升系統(tǒng)采用SIEMAG4×4型提升機，采用三個兩組反向并聯(lián)變流器形成的定子主電路，三相整流為轉(zhuǎn)子主電路，實現(xiàn)變頻調(diào)速，但原有電控系統(tǒng)雖能滿足正常的生產(chǎn)，在運行過程中存在以下主要問題：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)熱量過大情況；③系統(tǒng)對電網(wǎng)沖擊較大，對周邊設(shè)備的干擾性較強；④系統(tǒng)出現(xiàn)故障后無法精準(zhǔn)定位故障發(fā)生的位置；⑤設(shè)備老化嚴重，維修成本較大等。

對原有電控系統(tǒng)提出新的優(yōu)化設(shè)計方案，選定電動機為電勵磁同步電機，電機的型號為AMZ2000FF16 MNBM，電動機的參數(shù)如表1所列。

表1 同步電動機的參數(shù)參照表

1.2 電機系統(tǒng)設(shè)計

將原有電控系統(tǒng)進行撤除，安裝2套同步電機三電平調(diào)速裝置，每臺裝置中均安裝有1臺勵磁變壓器、8臺電控箱、7臺高壓柜、2臺變壓器、電抗器、切換器及操作臺等，兩個裝置系統(tǒng)間采用輔助信號及主回路轉(zhuǎn)換柜。在每臺同步電機三電平調(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)電機位置增加電機溫度傳感器，對電機的溫度進行檢測。在系統(tǒng)中布置潤滑油泵機、冷卻油泵電機，將信號傳感器傳輸?shù)男盘杺鬏斨罰LC，數(shù)據(jù)的顯示和報警通過上位機組態(tài)界面進行展示，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控與報警，主井提升機控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 主井提升機系統(tǒng)示意圖

如圖1所示可以看出，主井提升機電控系統(tǒng)內(nèi)安裝7臺高壓開關(guān)，分別為2臺進線柜，4臺高壓饋電柜和1臺PT柜，其中高壓柜的開關(guān)選用滿足安全生產(chǎn)要求的KYN28A-12型。KYN28A-12型開關(guān)具有完善的電氣閉鎖和機械必選，采用VSP-12型斷路器和綜合保護器。變壓器的選用節(jié)能變壓器，定子變壓器1臺，勵磁電壓器2臺，輔助變壓器1臺，分別的接法為：D/D-0、D/Y-11兩種，初級與次級的繞組間分別設(shè)置電屏層，附加冷卻設(shè)備，在開關(guān)柜設(shè)置溫度傳感器，傳感器將溫度顯示于上機位[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，對速度、轉(zhuǎn)矩、電流、功率因素等進行控制調(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，故障報警診斷等功能，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障后會立即進行診斷，對診斷結(jié)果進行分析通過上位機及時定位。系統(tǒng)安裝PLC柜，PLC柜內(nèi)布置行程PLC和保護PLLC，兩臺PLC通過MPI網(wǎng)進行信息交換，對提升機的超速、過卷、行程等進行監(jiān)控。安裝井筒檢測開關(guān)，開關(guān)共12個，每個箕斗位置布置6個，每側(cè)開關(guān)依次為過卷、卸載、2 m/s、提人、減速點、同步開關(guān)。

雙繞組變頻器主要是由調(diào)節(jié)柜、勵磁柜和交流柜組合而成，其中調(diào)節(jié)柜的尺寸設(shè)計為長寬高600 mm×2200 mm×1200 mm，在調(diào)節(jié)柜的柜門位置布置急停按鍵，方便及時控制，在柜內(nèi)設(shè)置機籠、勵磁變壓器、UPS電源、觸屏等。勵磁的尺寸設(shè)計為長寬高800 mm×2200 mm×1200 mm，在勵磁柜的柜門位置布置電壓、電流的顯示儀器[3-4]。交流柜的尺寸設(shè)計為長寬高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

在電機運行過程中，當(dāng)負載較輕時，此時雙電機運行會增大能耗，所以需要轉(zhuǎn)換為單電機運行，當(dāng)負載較大時，此時需要切換成雙電機運行，所以電機間的切換對于節(jié)能十分重要。

對主井提升機的雙系統(tǒng)進行分析，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，雙繞組同步電機有兩種運行形式，第一種為雙繞組全橋全速全載運行模型，此時的變電柜1號和2號能夠同時運行。第二種運行模式為單橋雙繞組全載半速模式，此時僅單獨1號變流柜投入使用，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

主井提升機系統(tǒng)的倒換：系統(tǒng)II倒換至系統(tǒng)I，首先停用II號系統(tǒng)，將系統(tǒng)的制動手柄和主令手柄全部調(diào)制零位，同時按下停車旋鈕，系統(tǒng)回路的指示燈滅，回路斷開，在操作臺分別對II號操作系統(tǒng)的交流柜1號和2號、高壓送電指示燈進行關(guān)閉，對風(fēng)機旋鈕依次進行調(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號系統(tǒng)的三通轉(zhuǎn)換裝置調(diào)至開通，將I號系統(tǒng)內(nèi)的1號轉(zhuǎn)接柜K1和K2刀閘進行閉合，此時JD2和JD4繼電器指示燈亮。此時需要1號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)。在操作臺對系統(tǒng)的風(fēng)機全部調(diào)至啟動狀態(tài)，指示燈亮，油泵開關(guān)處于開始狀態(tài)。此時安全回路的指示燈亮起，回路閉合，I號系統(tǒng)正常開始運轉(zhuǎn)[5]。

3 應(yīng)用效果

所設(shè)計的提升機雙獨立系統(tǒng)進行現(xiàn)場運行，定子側(cè)的電壓電流運行波形圖如圖4所示。

圖4 定子側(cè)電壓電流運行波形圖

從圖中可以看出，設(shè)計后的系統(tǒng)功率變化器輸出電壓有著很好的對稱性，輸出電流呈現(xiàn)正弦分布，諧波較少，此時電機的發(fā)熱現(xiàn)象得到了大幅度的改善，同時運行具有規(guī)律性，使得噪聲減小，對提升機的沖擊減小。

同時新設(shè)計的雙系統(tǒng)提升機通過應(yīng)用具有如下優(yōu)點：

(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，減少了故障影響時間。

(2) 新設(shè)計的系統(tǒng)可以實現(xiàn)運行參數(shù)、運行狀態(tài)的信息管理，有效提高升了主井提升機的信息化水平，便于檢查故障和報警，方便于系統(tǒng)的正常維修。實現(xiàn)了安全、高效運行。

4 結(jié) 語

對雙獨立電控主回路進行設(shè)計，給出了雙獨立電控系統(tǒng)的整體布置方案，對兩套雙三電平變頻系統(tǒng)、兩套信號系統(tǒng)、兩套閘控系統(tǒng)的進行研究，并給出了上系統(tǒng)倒換的操作流程，通過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，輸出電流呈現(xiàn)正弦分布，諧波較少，電機的發(fā)熱現(xiàn)象得到了大幅度的改善，對提升機的沖擊減小，同時實現(xiàn)了故障短時間切換，降低了運行成本，為礦井降本增效提供依據(jù)。