西山德顺矿副井提升机电控系统变频改造

陈明旺

（山西吕梁西山德威责任有限公司，山西 吕梁 033000）

西山德顺煤矿原是一座地方煤矿，年产量15万t，在煤炭资源整合的大潮中，被山西焦煤西山煤电集团整合。在成立新公司后，该矿进行了大的改造，尤其是在基础设施方面，投入了大量的人力、资金和精力，副井提升机就是其中一个改造项目。

该矿副井为竖井，井深240 m，有3个水平，主要用来选送上下人员和提升物料。副井提升机为单滚筒缠绕式，型号为JK-2，配套电机为邯郸电机厂生产JR型绕线式电机，功率280 kW，串电阻调速，电控系统是洛阳源创配套的TKD-NT-1186型成套电控，用PLC可编程控制程序可实现速度控制。液压制动系统为洛阳矿山研究所配套的无电气延时控制的液压制动系统。副井提升装置是矿井安全正常生产的重要设施，而该套产品为原小煤窑生产方式下的拼凑产品，电控系统和液压站故障频繁，曾经发生过长时间停机的事故，造成人员被困井下不能及时升井和影响生产的事故。

1 造成事故的原因

（1）耗费能源，支出电费增加。当罐笼下放重物时，电机的转速很高，甚至超过了同步转速，电机处于发电状态，由于没有能量处理环节，大量的电能消耗在转子电阻上，造成转子发热，电机能耗增加，浪费电能，造成了严重的社会能源浪费和电费支出。

（2）电机使用寿命缩短。从现场情况看，下放时电机电流与提升时基本相同，都在330 A左右，相当于电机的额定电流，因此，电机长时间处于满载运行状态，电机的外壳温度常能达到在55°~60°左右，对电机绝缘性能是极大的考验，长此以往，对电机寿命将造成很大影响。另外，井筒不深而使用频繁，电机必须频繁的正反转，造成电机的铜损、铁损增加，增大了电机的维修费用，长期以往将影响电机的使用寿命。

（3）电机为绕线式，采用转子串电阻的方式进行调速，控制方式复杂，接线多，绕线电机碳刷容易损坏，导致系统故障率高，维护工作量大。转子电阻体积庞大，需要很大的空间来安置，因此必须建造专用机房，由于转子不停发热，还要增加散热装备，因此增加了转子的维护费用和建设机房费用。

（4）在起动和低速爬行阶段必须投入制动器，尤其在验绳、检修时段，需要依靠制动闸皮摩擦滚筒盘形闸实现调速，特别是在重载时，完全需要手动控制，很难实现恒减速控制，导致速度波动大，容易出现忽慢忽快的现象，速度控制性能较差，对闸皮磨损大，人员乘坐感觉不舒适。

（5）启动和调速时，在切除电阻时冲击电流大，电机转速变化大，导致电机运行电流突增，减速器齿轮受到很大的机械冲击，而且人员乘坐和物料会受到很大的加减速冲击，对电机、减速器和提升钢丝绳及连接器等机械结构容易造成损坏。

（6）自动化程度不高，绞车司机必须集中精力，稍有不慎，极易造成过卷、过放等事故。

为彻底解决以上隐患，该矿决定对原电气控制系统进行改造，取长补短，决定采用TKDG-BP-1106电控系统，使用变频器拖动和PLC控制，替代原来的绕线电机串电阻的调速，这是较理想的方案。变频调速可以实现电机的软启动、软停车，连续平滑无级调速，特别是带能量反馈的四象限运行的变频器，可以将电机在发电状态下的再生电能回送到电网，降低电能消耗，节约大量能源。

2 更换改造后的电控系统技术性能

（1）可以实现自动、半自动、手动、检修、调试等几个工作模式。

（2）主回路实现变频调速，采用PLC控制、硬件配置简单、软件编程灵活、安全保护及联锁功能齐全，符合《煤矿安全规程》要求。

（3）实现提升机行程监视和位置闭环控制，具有完善的深度速度显示和控制功能。

（4）机电配合良好、故障率低、维护量小、整机可靠性高、生产率高、减轻了检修人员的劳动强度。

（5）和原有机电系统、信号装置配合良好，改善了电机减速器的工况，提升了电机减速器的使用寿命。

3 电控系统组成

该套电控系统可简单划分为：控制系统（主控系统、辅控系统）、调速控制（调速系统、供电系统）、监控系统（上位机、操纵台）。系统结构见图1。

4 变频电控系统原理介绍

4.1 变频器的容量选型和控制

因该套提升系统一般都满负荷运行，设计方案确定的时候，要求起动力矩大，因此根据电机的容量（660 V/280 kW），负载的要求，变频器一般应高出一个规格。因此我们采用（660 V/315 kW）的恒转矩变频器，控制系统由一台电气控制柜控制整个系统的启动、停止、加减速等。专设变频器柜，采用远距离控制装置，原液压机械抱闸等仍然采用。变频器作为一个调速装置使用。大幅度减少了制动器在调速过程中的参与，原来磨损闸皮、滚筒盘闸发热的状况不再出现。

4.2 变频器的工作原理

变频控制主回路系统见图2。

图1 提升机电控系统构成

图2 变频控制主回路系统

三相交流电源经过变频器内的整流和滤波回路后变成直流电，为变频器内的逆变回路提供电源。逆变的功能是将整流后的直流电转化为可以调频调压的交流电去驱动电机。电能转化为机械能，实现提升作业。当电机有高速运行时减速或单钩绞车下放时，负载由于存在惯性，电机的实际转速会超过它的同步转速，机械能转化为电能，由电动机运行状态变为发电机运行状态，发出的交流电经过逆变部分的续流二极管整流成直流，回馈到母线。使母线的电压升高，直接危及到功率器件，所以必须把这一部分的能量释放掉。而变频器内配置有回馈单元和制动单元，可以对这一部分的能量进行处理。一部分送回电网，一部分通过电阻消耗掉。

4.3 控制、显示、监视回路

采用PLC可编程控制程序统一控制，PLC程序和外端电路接口相结合，使调速系统具有很高的可靠性，同时利用PLC强大的控制功能实现灵活的控制方式和电气隔离。控制功能有：自动加减速、正转、反转、松闸信号、各种保护显示记忆储存、内部保护、故障输入、急停、模拟输入、位置闭环控制等。

显示信号可实现：正常的提升速度、电机转速、罐笼位置、故障指示、上升指示、下降指示、加速指示、减速指示、挡位指示、二级制动解除等。

监视系统通过模拟量的软件监控、光电编码器、测速发电机等，实现3线监视保护，安全性能提高。

4.4 回馈能量的处理

由于负载下放重物，快速减速及急停时，会有较大的能量回送到变频器，因此变频器系统采用了能耗制动、回馈制动等技术，有效地解决了此类的问题。尤其是回馈制动将能量直接回送到电网，不但保证了设备的安全运行，而且节约了电能，使再生能量回收利用。

5 系统改造后应用效果

（1）使用变频控制后，启动及其加速过程冲击电流小，加速过程中最大启动电流不超过1.3倍的额定电流。提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升到最高速，没有大电流出现，因此大大地减小了对电网的冲击。

（2）该套变频控制系统淘汰了原来电气控制系统调速用的调速电阻，提高了系统的运行可靠性、改善了操作人员的工作环境。

（3）实现了低频低压的软启动和软停车，使运行更加平稳，机械冲击小。制动运用了直流功能，使重车停车时更加平稳。

（4）节能效果明显，根据实际测量在低速段节能效果明显，一般可以达到20%左右，采用回馈制动，节能效果更加明显。

（5）采用变频控制后，原来绕线式电机的转子短接，在电机维护方面，避免了转子炭刷的烧损及维护。

（6）采用PLC统一控制和PLC外端电路接口相结合，使调速系统具有很高的可靠性，增加了系统的抗干扰能力，同时利用PLC强大的控制功能实现灵活的控制方式。

（7）安全、联锁保护功能齐全。除了过压、欠压、过载、过热、短路等自身保护外，还配有外围控制的联锁保护。通过软硬件设置，可实现测速断线、制动油压高、错向保护、等速超速、PLC输出安全制动器继电器、减速过速、过卷（复位）、断轴保护、弹簧疲劳闸瓦磨损、松绳、变频故障、信号装置保护等。制动闸信号与正、反转信号的连锁，变频器与系统安全回路的连锁等。这些保护功能只要有一项出现故障，提升机就会闭锁无法运行，极大地提高了提升机的安全运行系数。

该套系统在改造后，一直平稳运行，效果良好，极大地改善了副井提升人员和物料这个重要环节，为矿井安全生产起到了极大的促进了作用。