一、概述

礦井提升機(jī)廣泛用于煤礦、有色金屬、黑色金屬、非金屬等礦山的豎井、斜井的提升，提升機(jī)系統(tǒng)用作提升礦物料及設(shè)備等。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，提升機(jī)占有非常重要的地位。采礦生產(chǎn)是24小時(shí)連續(xù)作業(yè)的，即使故障停機(jī)維護(hù)也會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)很大的損失。東塘子鉛鋅礦是西北有色金屬地質(zhì)勘探局下屬的一個(gè)國(guó)營(yíng)采礦單位，所用的礦井提升機(jī)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。電機(jī)是185kW繞線式6極電機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)子串電阻方式進(jìn)行多檔位切換調(diào)速。由于電器控制系統(tǒng)先天不足，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，經(jīng)常出現(xiàn)故障停車(chē)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。在采礦生產(chǎn)中，設(shè)備的安全可靠運(yùn)行顯得特別重要，為提高設(shè)備的可靠性，礦用提升機(jī)的技術(shù)改造非常必要。

變頻調(diào)速是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)，利用改變被控制對(duì)象的電源頻率，可實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)大范圍無(wú)極平滑調(diào)速，并在運(yùn)行過(guò)程中能隨時(shí)根據(jù)用戶(hù)的需求調(diào)整速度，使提升機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均有很高的效率，節(jié)能效果很明顯。采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效益非常明顯，所以在工業(yè)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。

二、改造方案

通過(guò)調(diào)研與論證，結(jié)合本公司礦井提升的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終我公司技術(shù)中心做出決定，對(duì)提升機(jī)實(shí)施變頻調(diào)速改造，利用在機(jī)械行業(yè)中廣泛使用的自整角機(jī)來(lái)作為控制變頻器的速度給定。自整角機(jī)是通過(guò)角位移變送器輸出模擬量信號(hào)，操作工人搬動(dòng)提升機(jī)操縱桿的角度，角位移變送器輸出相應(yīng)大小的模擬量信號(hào)，由此控制變頻器運(yùn)行頻率，進(jìn)而控制提升的運(yùn)行速度。這種操作方式還可用變頻器多段速控制，提升機(jī)只能在這幾種速度下運(yùn)行。而角位移變送器輸出的是連續(xù)的角位移變送器輸出模擬量信號(hào)，理論上提升機(jī)可在任意速度下運(yùn)行，操作起來(lái)會(huì)方便一些，且與原操作習(xí)慣相似，操作工人容易掌握。

自整角機(jī)選擇北京飛博爾電子有限公生產(chǎn)的FB900C系列角位變送器。其主要特點(diǎn)是：高精度，可在一圈內(nèi)輸出256-65536個(gè)絕對(duì)碼；無(wú)溫漂、時(shí)漂；可以測(cè)量高達(dá)3萬(wàn)圈；高可靠性：傳感器的絕對(duì)位置和可靠的軟件計(jì)圈技術(shù)，保證了其高度可靠性；且沒(méi)有光電碼盤(pán)的易損、易受干擾之缺點(diǎn)；自整角機(jī)使用方便：即插即用，無(wú)須調(diào)整傳感器的零位，模塊與傳感器之間只需5根線，接線方便；功能強(qiáng)：該變送器即可以測(cè)量角度，也可以測(cè)量位置，具有角度與位置隨意變換之功能。變送器具有的所有功能都由FB900C編程器設(shè)定。

變頻器選用希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SB70G280高性能系列矢量控制變頻器，變頻器主要特點(diǎn)是：集成高精度轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制算法，具有250%瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制能力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行；獨(dú)創(chuàng)的多模式PLC運(yùn)行功能，特別適合工業(yè)制造設(shè)備等應(yīng)用；實(shí)用的多段速功能：提供編碼、直接、疊加和個(gè)數(shù)選擇方式；強(qiáng)大的PID功能等；具備強(qiáng)大的編程功能，用戶(hù)可自定義內(nèi)部I/O模塊；轉(zhuǎn)差補(bǔ)償，AVR自動(dòng)穩(wěn)壓功能。模擬量輸入可設(shè)置為±10V，當(dāng)模擬量輸入信號(hào)由正變到負(fù)時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向也隨之改變，反之亦然。在自整角機(jī)上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，使操縱桿從中心零位開(kāi)始往前輸出正信號(hào)，往后輸出負(fù)信號(hào)，這會(huì)給使用上帶來(lái)方便。

提升機(jī)變頻調(diào)速方案方框圖如圖2所示：

圖2：礦井提升機(jī)變頻調(diào)速方案

三、方案實(shí)施

斜井提升負(fù)載特性是摩擦性位能負(fù)載，屬恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。提升機(jī)帶五個(gè)斗，裝滿(mǎn)物料沿斜面起動(dòng)上行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)力矩和摩擦力，逐漸加速到全速運(yùn)行，快到井口時(shí)，要逐漸減速。為提高效率，上行加速段和減速段的時(shí)間要盡量短，上行加速的時(shí)間可適當(dāng)加大矢量控制變頻器的容量來(lái)保證，由于負(fù)載重慣性大，當(dāng)要求減速時(shí)間短時(shí)，上行的減速過(guò)程中有再生能量產(chǎn)生，會(huì)使變頻器直流側(cè)電壓升高而“過(guò)壓”，為此，需要用能耗制動(dòng)單元加制動(dòng)電阻或回饋單元處理再生能量；在下放過(guò)程中，提升機(jī)帶的已經(jīng)是空斗了，但在快速下放的過(guò)程仍有再生能量產(chǎn)生，也需要處理再生能量。

原系統(tǒng)電機(jī)是185kW的6極繞線式電機(jī)，在平時(shí)工作電流在280-380A，為保證安全，提升機(jī)上行或下行起動(dòng)時(shí)，是要加制動(dòng)的，起動(dòng)完成后一瞬間再松開(kāi)制動(dòng)。在這種情況下運(yùn)行電流有時(shí)候會(huì)超過(guò)電機(jī)額定電流，達(dá)到400多安培。變頻調(diào)速后，提升機(jī)上行或下行起動(dòng)時(shí)，仍是要加制動(dòng)的，變頻器輸出頻率到0.3Hz有足夠大的力矩時(shí)再松開(kāi)制動(dòng)。盡管0.3Hz以下電機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，但由于輸出頻率低，輸出電壓也低，電機(jī)不會(huì)過(guò)流。在生產(chǎn)中，裝載的物料有時(shí)可能會(huì)超載，考慮重載加速時(shí)間短，選型時(shí)變頻器容量需要加大，本例變頻器為280kW，這樣有利于電機(jī)在過(guò)載時(shí)候變頻器有足夠的過(guò)載能力。

原有提升機(jī)系統(tǒng)的改造按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）變頻系統(tǒng)操作時(shí)和原來(lái)工頻系統(tǒng)在設(shè)備狀態(tài)上有所不同，在提升機(jī)控制臺(tái)上有個(gè)凸輪控制器，（其作用是利用控制器的多接點(diǎn)當(dāng)作提升機(jī)的檔位控制接觸器，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻的阻值大小，對(duì)應(yīng)低高速檔。）除開(kāi)油路部分的控制觸點(diǎn)以外的所有接點(diǎn)彈簧全部已被去掉，這樣有利于在使用角位控制時(shí)候減少操作阻力。

（2）再將繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組全部短接。

（3）利用原來(lái)的凸輪控制器，在凸輪控制器的后方軸上安裝自整角機(jī)，與凸輪控制器的中心軸同心，這樣利用原來(lái)上升和下放的操作模式。對(duì)應(yīng)凸輪控制器的正負(fù)角度，分別角度是108°和-108°，自整角機(jī)把這個(gè)角位信號(hào)以脈沖形式送給角位變送器，角位變送器再根據(jù)正負(fù)角度對(duì)應(yīng)輸出+108°與-108°時(shí)的+10V和-10V的模擬電壓信號(hào)，變頻器接收±10V作為正反轉(zhuǎn)運(yùn)行信號(hào)。

（4）利用原凸輪控制器控制制動(dòng)油路系統(tǒng)，在凸輪控制器上中心點(diǎn)到相對(duì)應(yīng)兩邊第一個(gè)觸頭須使用。度過(guò)兩邊的觸點(diǎn)后，隨著操縱桿的推動(dòng)平滑地過(guò)渡到±108°。在操縱桿未打到油路系統(tǒng)觸點(diǎn)時(shí)，自整角機(jī)已經(jīng)識(shí)別到角位的變化，對(duì)應(yīng)角位變送器就會(huì)有正負(fù)電壓的輸出，因?yàn)樵谟吐废到y(tǒng)未打開(kāi)之前變頻器是有很低的頻率輸出（0～0.3Hz）。油路未打開(kāi)剎車(chē)系統(tǒng)就處于制動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)變頻器內(nèi)部的邏輯單元、算術(shù)單元和比較器等相關(guān)功能進(jìn)行設(shè)置，過(guò)渡了兩個(gè)接觸點(diǎn)的清零位置，使得在操縱桿在過(guò)油路觸點(diǎn)時(shí)候變頻器在0.2Hz以下運(yùn)行，得到非常好的控制效果。

變頻器的參數(shù)設(shè)置：

針對(duì)變頻器在本系統(tǒng)上的應(yīng)用，我們對(duì)這臺(tái)變頻器設(shè)置了以下參數(shù)。

以上為變頻器設(shè)置的基本參數(shù)，其中電動(dòng)機(jī)參數(shù)欄FA-01至FA-05必須按照電機(jī)銘牌上的標(biāo)示進(jìn)行輸入，當(dāng)輸入完電機(jī)參數(shù)后，要把F0-01設(shè)置為0；F0-02設(shè)置為0；然后把FA-00設(shè)置為11，為電機(jī)靜止自整定狀態(tài)，然后對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，變頻器對(duì)電機(jī)檢測(cè)完畢后將F0-01和F0-02的設(shè)置改為7和1，變頻器就將控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠啃盘?hào)啟動(dòng)和控制。

工頻系統(tǒng)的操作：

當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可將該系統(tǒng)還原到原來(lái)的工頻系統(tǒng)工作，切換到工頻系統(tǒng)后要做的工作有以下幾方面：斷掉系統(tǒng)總電源后，將繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子接線還原，連接工頻輸出端。然后再將絞車(chē)控制臺(tái)下方的凸輪控制器觸點(diǎn)彈簧全部安裝還原，這時(shí)工頻系統(tǒng)就恢復(fù)到未改變頻裝置之前一樣，提升機(jī)操作工可繼續(xù)按照原來(lái)工頻系統(tǒng)操作習(xí)慣進(jìn)行控制。

四、節(jié)能計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)各類(lèi)礦山等提升機(jī)大都采用交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速方案，使用交流接觸器改變轉(zhuǎn)子電阻來(lái)進(jìn)行速度段的切換。對(duì)于繞線式電機(jī)，無(wú)論在起動(dòng)?制動(dòng)還是調(diào)速中，采用轉(zhuǎn)子串電阻方式均會(huì)帶來(lái)電能損耗。這種損耗隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率S的增大而增大。繞線式電機(jī)的功率關(guān)系為：

式中：

上式中：若S=0.5時(shí)，電磁功率就有一半的功耗消耗在轉(zhuǎn)子的電阻上，調(diào)速系統(tǒng)效率非常低，只有50%左右。本例中，據(jù)測(cè)算提升機(jī)有30%的時(shí)間運(yùn)行在低速段，節(jié)能率在24.5%左右，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

并且，原系統(tǒng)經(jīng)常故障，主要是交流接觸器觸頭頻繁閉合和斷開(kāi)，容易造成觸點(diǎn)及線圈的燒毀，經(jīng)常維護(hù)電氣部分的接觸器、電機(jī)的碳刷與機(jī)械部分的剎車(chē)裝置等。變頻調(diào)速改造后，基本上無(wú)故障，大大地減少停工損失，產(chǎn)生的效益也不可小視。

5、結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)繞線式電機(jī)采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在礦井提升機(jī)上使用較多。轉(zhuǎn)子串的電阻上消耗了大量的轉(zhuǎn)差功率，速度在越低時(shí)消耗的轉(zhuǎn)差功率就越大，相對(duì)浪費(fèi)的電能就越多。使用變頻器調(diào)速后，沒(méi)有轉(zhuǎn)差率的消耗，功率因數(shù)也有提高，節(jié)能非常顯著。變頻調(diào)速控制方案，推動(dòng)了提升機(jī)電氣控制技術(shù)的進(jìn)步，完全滿(mǎn)足吊車(chē)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、無(wú)沖擊、平滑調(diào)速功能，有效降低系統(tǒng)的能耗及機(jī)械的維護(hù)成本，延長(zhǎng)機(jī)械的使用壽命。