某煤矿提升机电控系统改造技术分析

潘一伟

(西山煤电集团有限责任公司 马兰矿，山西 太原 030200)

矿井提升机电控系统是保障矿井安全生产的重要组成部分。传统的提升机电控系统存在设备老化及自动化程度低等问题，往往不能满足矿井发展需求，并可能带来一定的安全隐患。随着电器自动化技术的发展，多数矿山都应用PLC技术对矿山电控系统进行了升级改造，取得了良好的效果[1-7].某煤矿提升机在使用过程中存在设备老化严重，技术落后、效率低等问题，不符合该矿近年来提出的煤炭生产持续、安全、高效的目标。因此，对该矿提升机电控系统进行技术改造，以提高其运行安全可靠性。

1 现用电控系统存在的问题

该矿原设计产能0.6 Mt/a，现矿井的生产规模扩大到1.5 Mt/a，部分原有设备难以满足矿井产能增加的需求，副井提升机便是其中之一。矿井原有矿井提升机型号为Jk-3.5×2.6/30E，电控系统采用TKD控制系统，最大提升速度为4 m/s.提升机使用中主要存在以下问题：

1)原提升机电控系统未能实现全速全载，根据矿井现产能，要求最大提升速度为6 m/s，原有电动机不能满足提升要求。

2)原电控系统调速、控速能力差，矿井提升机低速运行时，负载突然发生变化，低电压和低速段的启动力矩小，难以实现恒减速控制。

3)现有的控制系统元器件使用多年，老化严重，导致设备运行过程中功能元器件损坏率及设备故障率较高。

2 电控系统改造方法

对于电控系统的改造主要从硬件及软件两方面着手，针对矿山改造需求，硬件方面主要是电动机、PLC控制系统及变频调速系统的改造，软件方面主要是上位机监控系统的改造。

2.1 电动机选择

对于电动机的选型主要通过计算分析与校核来实现，包括额定转速计算、电机功率计算及过载能力校核。电动机额定转速计算公式如下：

(1)

式中：

n—实际转速，r/min；

D—滚筒直径，m；

Vm—最大运行速度，m/s；

i—传动比。

该矿提升机滚筒直径3.5 m，最大运行速度6.0 m/s，传动比20，将相关参数带入式(1)，得到额定转速为655 r/min.

电机功率计算公式如下：

(2)

式中：

K—阻力系数，取1.15；

Q—提升机最大载荷，N，取60×106；

η—减速器传动效率，取0.95；

ρ—动力系数，取1.15.

计算得到电机功率为501 kW，考虑到120%的安全系数，电机功率取601 kW.

最终，通过计算分析，电动机选型为Y700-8/1180交流高压异步电动机，功率达700 kW，转速达655 r/min.

对于改造后选取的电动机，需进行过载能力校验，电动机额定输出功率及过载能力校核计算公式如下：

(3)

(4)

式中：

λ—电动机过载能力，取2.

通过计算分析，改造后的Y700-8/1180交流高压异步电动机满足系统提升需求。

2.2 PLC控制系统改造

改造后的电控系统要求控制精度高，操作简单，维护方便，监控、故障自诊断能力强。为此，控制柜选择西门子的S7-1500型PLC控制柜。

2.3 变频调速系统改造

1)变频器选择。系统改造后，要求高压变频器可以直接输入高压，根据故障程度给出报警或停机处理，能够确保停车稳定无冲击，延长闸瓦寿命，满足高效生产要求，加速、减速平滑稳定，力矩快速响应；输出频率与提升系统共振频率相同时，可跳跃该频率，稳定运行。变频器容量计算公式如下：

(5)

式中：

P0—变频器容量，kW；

Pm—电动机额定功率，kW；

η—电动机效率；

k—电动机过载系数，取1.05；

cosα—电动机功率系数。

改造后的电机效率为0.95，功率系数为0.94，相关参数带入式(5)，计算得到变频器容量为：

为此，选择CHIC1000-10/10-1000AH型变频器，容量达1 000 kW.

2)变频调速控制方法。

系统调速方式目前主要有直流与交流调速两种，系统改造后由原用的旋转变流机组改为静止可控整流器结构，原理见图1.该结构利用可控整流器得到可调直流电压，具有较好的安全可靠性与较低的能耗。

图1 静止可控整流器原理图

改造后变频调速系统采用模糊控制方式，即采用由模糊数学语言描述的控制规则来操纵系统工作的控制，控制原理见图2.这种控制方法可满足提升系统的转速调节需要，将产生的误差及其变化率通过模糊化、规则库、模糊推理及解模糊来处理。

2.4 上位监控系统改造

改造后的上位监控系统编程软件采用TIA Portal Step7，组态软件选用TIA Portal WINCC软件。主画面情况见图3.

图3 主画面图像

主画面可以实时显示矿井提升机运行位置、运行速度、电机电流等数据。在上位机最下部主菜单中还包含了安全回路、参数记录、电源监视、故障记录、报表等子菜单，可以点击开始查询各菜单设计的功能。

3 结 论

针对某矿电控系统改造需要，对电控系统进行技术改造，电动机确定为Y700-8/1180交流高压异步电动机，主控系统选取西门子S7-1500系列PLC；通过变频器容量计算，选择CHIC1000-10/10-1000AH变频器。同时，完成了变频调速与上位监控系统的改造，有效解决了矿山提升机电控系统存在的问题。