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1、煤矿矿井提升机转子变频电控系统的应用和分析阳煤集团技术中心赵新平2014-3-29煤矿矿井提升机转子变频电控系统的应用和分析阳煤集团技术中心 赵新平摘要 本文通过对一矿竖井提升绞车（提升机）转子变频电控系统的应用和分析，闸明了其先进性，可靠性、节能性，并由此带来的经济效益和社会效益。关键词 转子变频电控系统应用分析矿井提升机在煤炭生产系统中，是矿井大型固定机电设备之一，是必不可少的重要生产设备，是矿井的重要提升运输设备，它主要是用来提升煤炭、矸石，下放设备和材料以及升降人员等工作。而矿井提升机电气控制系统是控制提升机主电动机的起动、制动、停车和换向，并实现多种电气保护和闭锁。根据交流和直流主电
2、动机的不同，电控系统分为交流拖动电控系统和直流拖动电控系统两大类。矿井提升机交流拖动电控系统原使用的转子串电阻调速因在调速时速度越变而对机械和电气设备都会产生冲击，减少设备寿命并增加了维修工作量；另外在调速运行时串入转子电阻，消耗了很大的能量，所以交流电控系统串电阻调速不经济。随着科学技术的发展，PLC的应用，变频技术的成熟，矿井提升机交流变频调速电控系统应运而生，交流变频调速电控系统又分为高压定子变频调速电控系统和低压转子变频调速电控系统。根据山西省煤矿安全质量标准化标准要求：立井（斜井）绞车提升应使用变频、直流等低耗、先进、可靠的电控装置。淘汰高耗能的、落后的、不可靠的电控设备，使用低耗能
3、的、先进的、可靠的电控设备成为必然的发展趋势。下面就以矿井提升机转子变频电控系统（或设备）为例进行论述。一、转子变频电控系统工作原理：矿井提升机转子变频调速控制系统，是针对目前矿井提升机大多使用高压交流绕线电机的现状，结合先进的变频调速技术，突破性的采用转子变频供电、定子短封的控制方式。转子变频调速部分采用交-直-交无反馈矢量变频调速技术，实现了无级调速，具有调速性能好，使用方便，适应范围广等特点。控制部分采用西门子S7-300型PLC，结合全数字可调闸闭环保护系统，双PLC双线制保护控制系统等先进技术。全套系统性能可靠、安全保护功能完善、系统设计先进，突破了传统的高压定子变频调速的思维模式，
4、是高压绕线电机拖动的矿井提升机电控系统全新的调速方式。为了适应更广泛的矿井使用条件，降低系统成本，提高系统的可靠性，本系统针对不同的使用环境，分别选用二象限变频器和四象限变频器两种方案。二象限变频调速系统具有成本低廉，使用可靠等特点，多用于主井、矸石井等正力负荷运转的提升机使用，此时的变频调速性能、节电性能与能量反馈四象限变频器不相上下。能量反馈四象限变频器技术先进，节能效果显著，更适合在副井和大功率提升机上使用。四象限变频器在负力提升的状态下，电机再生发电产生的能量，通过整流回馈单元反馈电网，在保证了负力下放调速性能的同时，节电效果更加显著。高压交流绕线电机转子变频技术，采用低压通用变频器，
5、通过高压绕线电机转子供电，而将电机定子短封，实现高压绕线电机的变频调速，使交流提升机实现无级调速，达到理想的运行速度图。由于高压绕线电机转子变频调速控制系统利用目前成熟的低压通用型矢量控制变频器技术，对高压绕线电机的定子短封后，可以实现高压交流绕线电机的变频调速，因为高压绕线电机的转子电压较低，转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可，这样仅仅使用低压变频器就能解决高压绕线电机的变频调速问题，而变频器电压等级降低了，成本降低了。与高压定子变频调速控制设备相比，设备简单、成本低、通用性强、可靠性高。二、方案实施：竖井提升绞车担负一矿北丈八井的提矸（大部分开拓掘进矸石）、下料（水泥、沙和小型
6、材料）、提人任务。提升方式为双钩罐笼单绳缠绕式提升。2JK3/20型竖井提升绞车（提升机）主电机型号JR151010，功率400KW，定子电压、电流分别为6000V、48A，转了电压、电流分别为706V、364A，电机转速590转/分，旧电控采用天津津友联电气有限公司生产的TKDY232206PC2ZK型电控系统，PLC控制串电阻调速20级，并带有低频制动，2004年5月1日投入使用，切除电阻调速不可靠不平稳有冲击，并在转子电阻上消耗很大的能量，属高耗能设备。我矿竖井绞车提升属于副立井提升，下料、下人等负力提升机会多，非常适合应用变频电控节电。在集团公司、矿领导的决策下，转子变频电控改造于20
7、11年9月30日至10月2日实施完成并投入运行，转子变频电控全套设备采用的是天津民益电气有限公司（原天津津友联电气有限公司）生产的TKDZB/4Y2400/4型电控系统，PLC控制转子变频调速为无级调速，调速性能可靠平稳，变频器采用西门子四象限变频器，负力提升状态，电机再生发电回馈电网，节能效果明显，运行效果良好。新、旧电控系统可以倒接使用，旧电控以备应急时开车运行。三、电控系统的组成及系统功能：1、综合电源柜：采用双电源进线，具备电源失压、欠压保护，电流过流保护。2、变频电源柜：变频器选用西门子原装6SE70系列四象限变频器,负力下放时能量回馈电网，达到最佳控制、节能效果，并满足矿井提升机各
8、种运行方式的需要。3、操作台：操作台上设有各种工况显示设备。INTEL-P4上位监控机配合西门子最新版WINCC6.0监控软件作为人机接口设备：可以观察PLC运行情况，各外部接点动作状态，各模拟量回路状态等等，更加方便维修工作；可以通过上位机设定运行参数，调整运行状态；可以连接局域网、INTERNET网络，实现远程监控和远程诊断。同时操作台还设有必要的开关量、模拟量的数字显示，可以在液晶屏不工作的时候提供必要的提升数据，其中包括：安全回路指示灯，油压数字显示液压表，减速、故障声光报警显示，高压、低压电压表、电流表等等。4、控制部分控制操作部分负责整个工艺过程的控制及保护，控制系统功能及特点：A
9、、具有完备的系统功能，它是整个系统的中心部分。其中的一台Siemens S7-300 PLC系统担负着整个系统的工艺控制、各种状态监视、限位保护、故障保护的实现。B、因提升系统的特殊安全可靠性要求，各种状态监视、限位保护、故障保护还由另一台Siemens S7-300 PLC系统完成后备保护功能，提高了系统的安全可靠性。另外为了更加提高系统的可靠性，采用了电气硬件系统与PLC系统共同工作的双系统制、多传感器制、传感器信号线双路制、执行器状态反馈制等一系列可靠性措施，高度地确保了系统的可靠运行。C、数字式PID闭环工作闸速度调节系统是通过对工作闸开度的连续控制来调节提升机的速度，因它直接控制提升
10、机滚筒的速度，其控制更直接、可靠性更高。PLC数字模拟量输出和执行元件（Kt线圈）可靠隔离，可以防止Kt线圈接地造成功放元件损坏。D、由Siemens WinCC组成的人机界面，实现了工艺参数设定、工艺过程监视的全部工作，具有友好、易操作、易理解的液晶屏界面。E、完全的现场总线网络通讯设计：主控PLC、后备保护PLC、远程I/O模块、绞车行程计数绝对值编码器，所有这些主要的现场设备，都采用现场总线PROFIBUS通讯连接，减少系统接线并提高系统可靠性。F、绝对值轴编码器的使用：目前国内厂家配套的提升机电控系统，均采用旋转轴编码器作为行程计数器，这种旋转编码器也称作相对值编码器。它每旋转一圈，发
11、出固定数量的脉冲，PLC采样这个脉冲并进行计数，然后换算为提升行程。选型德国施克公司生产的PROFIBUS总线接口绝对值轴编码器，绝对值轴编码器的特性和机械式深度指示器完全相同，它的计数编码和编码器旋转角度唯一相关，不受任何外界干扰，只要编码器的机械连接没有断开，它的计数值就不会出现误差。PROFIBUS总线型号产品的选用，也避免了信号断线产生的问题。5、电控系统除常规的保护外，还具有以下的保护功能：常规的保护：必须能够实现过卷保护、反转保护、轴编码器失效保护、全行程的限速保护、深指失效保护、制动油、润滑油过压、欠压保护、闸间隙保护、松绳保护、通讯错误、给定方向记忆、变频器软硬故障等安全保护功
12、能。系统具备的其他保护功能：(1)减速点后备保护(2)接近井口定点检测限速保护(3)二级制动解除保护(4)安全回路由PLC内部和外部AC回路串联实现。(5)脚踏制动、速度及电流闭环满足各种载荷所需的制动力矩。四、经济效益和社会效益：1、经济效益：节约电能效果明显。我矿竖井绞车旧电控转子串电阻用电情况：9月份统计日平均用电量493.5kwh。新电控转子变频用电情况：10月份由于改造调试，新旧电控倒替运行，10月20日以后，新电控才转入正常运行，因此不便统计。11月份统计日平均用电量232.5kwh。因此，我矿竖井绞车更换新电控转子变频后，在原来用电的基础上节约电能：（493.5-232.5）/4
13、93.5=52.89%2、社会效益：具有广泛的推广价值。我矿竖井绞车新电控转子变频系统性能可靠、安全保护功能完善、系统设计先进，与高压定子变频电控相比，成本低、通用性强、可靠性高，具有技术先进，调速性能好（实现了无级调速），使用方便，适应范围广等特点，在交流提升机上使用，高效节能明显，因此在交流提升机上具有广泛的推广应用价值。淘汰落后的不可靠的高耗能设备，使用先进的性能可靠的高效节能洁净产品是国家、企业发展的趋势。五、结束语在煤矿生产中，提升绞车担负着煤矿的提升煤炭、矸石、物料、人员等的重要工作，它直接影响着矿井的生产和安全，因此提升绞车的设备应该做到无故障、无事故，安全运行。要做到这一点，必须提高装备水平，提高维护质量和管理水平。竖井提升绞车转子变频电控系统改造的成功，使竖井提升绞车装备水平提高了，运行安全，环保节能，效果良好，促进了我矿的生产和安全以及现代化矿井的建设。-作者简介：王小康（1965-），男，电气工程师工作单位：阳煤集团一矿维运工区联系电话：03535608504 邮政编码：045008-4 / 5
