1 概況[1]
礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備，提升機的安全、可靠運行，直接關系到企業(yè)的生產狀況和經濟效益。煤礦井下采煤，之后通過斜井用提升機將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機，由電機經減速器帶動卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周，其兩端分別掛著一列煤車車廂，在電機的驅動下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現(xiàn)空行程，電機總是處于電動狀態(tài)。這種拖動系統(tǒng)要求電機頻繁的正、反轉起動，減速制動，而且電機的轉速按一定規(guī)律變化。
斜井提升機的機械結構示意如圖1所示。斜井提升機的動力由繞線式電機提供，采用轉子串電阻調速。提升機的基本參數(shù)是：電機功率55 kW，卷筒直徑1 200 mm，減速器減速比24:1，最高運行速度2.5 m/s，鋼絲繩長度為120 m。
目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井提升機普遍采用交流繞線式電機串電阻調速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)由于調速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，從而引發(fā)設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調速和制動，會在轉子外電路所串的電阻上產生相當大的功耗。這種交流繞線式電機串電阻調速系統(tǒng)屬于有級調速，調速的平滑性差;低速時機械特性較軟，靜差率較大;電阻上消耗的轉差功率大，節(jié)能較差;起動過程和調速換擋過程中電流沖擊大;中高速運行震動大，安全性較差。
2 改造方案
為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調速系統(tǒng)的缺點，采用變頻調速技術改造提升機，可以實現(xiàn)全頻率(0~50 Hz)范圍內的恒轉矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節(jié)能更加顯著的回饋制動方案[2]。為安全性考慮，液壓機械制動需要保留，并在設計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調速方案如圖2 所示。
考慮到繞線式電動機比鼠籠式電動機的力矩大，且過載能力強，所以仍用原來的4極55 kW 繞線式電機，在用變頻器驅動時需將轉子三根引出線短接。提升機在運行過程中，井下和井口必須用信號進行聯(lián)絡，信號未經確認，提升機不能運行。
為顯示運行時車廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉編碼器，即電機旋轉1圈旋轉編碼器產生40個脈沖，這樣每兩個脈沖對應車廂走過的距離為1200仔/(圓源伊源0)越3.927抑3.9 mm。則與實際距離的誤差值為4-3.9=0.027 mm，卷筒運行一圈誤差為0.027伊源園伊圓源越圓緣.92 mm，已知鋼絲繩長度為120 m，如果兩個脈沖對應車廂走過的距離用近似值3.9 mm計算，120 m全程誤差為圓緣.92伊120 000/1 200仔抑825 mm。再考慮到實際檢測過程中有一個脈沖的誤差，則最大的誤差在821~829 mm 之間，對于數(shù)十米長的車廂來說誤差范圍不到1 m，精度足夠。
因此，用計數(shù)器實時統(tǒng)計旋轉編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，則可計算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個問題是計數(shù)過程中有無累計誤差存在?實際檢測時，在一個提升過程開始前，首先將計數(shù)器復位，第一個重車廂經過某個位置時，打開計數(shù)器計數(shù)，車廂在斜井中的位置以此點為基準計算，沒有累計誤差。在操作臺上，用SWP-AC 系列智能型交流電壓/電流數(shù)字儀表顯示交流電壓和電機工作電流，用智能型數(shù)字儀表顯示提升次數(shù)和車廂的位置。
3 方案實施
斜井提升負載是典型的摩擦性負載，即恒轉矩特性負載。重車上行時，電機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，起動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電機處于電動工作狀態(tài)，且工作于第一象限。
在重車減速時，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電機仍會處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當另一列重車上行時，電機處于反向電動狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，當單獨運送工具或器材到井下時(占總運行時間的10%)，電機純粹處于第二或第四象限，此時電機長時間處于再生發(fā)電狀態(tài)[3]，需要進行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能;用回饋制動方式，可節(jié)省這部分電能。但是，回饋制動單元的價格較高，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案，如圖3 所示。
提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器時要適當?shù)亓粲杏嗔?，因此，選用ABB公司的ACS800 75 kW變頻器。由于提升機電機絕大部分時間都處于電動狀態(tài)，僅在少數(shù)時間有再生能量產生，變頻器接入一制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個液壓機械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC 和變頻器共同控制，起動時當變頻器的輸出頻率達到設定值，例如0.2 Hz，變頻器端口RO31、RO33 輸出信號，表示電機轉矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行;減速過程中，當變頻器的頻率下降到0.2 Hz時，表示電機轉矩已較小，液壓機械制動器制動停車[4]。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用，使提升機在盡量短的時間內停車。
提升機傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機正﹑反轉各三擋速度。為適應操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設置，X1、X2 為正反轉控制，X3、X4、X5 可設三擋速度(在變頻器參數(shù)中通過恒速選擇來實現(xiàn))。變頻調速原理圖如圖3 所示。
為實現(xiàn)變頻調速系統(tǒng)的平滑控制功能，需對變頻器的運行參數(shù)做相關設置，由于篇幅有限，這里只對和本系統(tǒng)運行有關的主要參數(shù)做相關設置，主要參數(shù)設置如表1所列。
4 提升機工作過程
提升機經過變頻調速改造后，系統(tǒng)的工作性能發(fā)生了較大的變化。操縱桿控制電機正轉三段速度，反轉三段速度。不管電機正轉還是反轉，都是為了從礦井中將煤拖到地面上來，電機工作在正轉和反轉電動狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時，需要減速并制動，提升機工作時序圖如圖4所示。
圖4 中，提升機無論正轉、反轉，其工作過程都相同，有起動、加速、中速運行、穩(wěn)定運行、減速、低速運行、制動停車等七個階段。提升機每提升一次的運行時間，與系統(tǒng)的運行速度、加速度及斜井的深度有關，各段加速度的大小，根據工藝情況確定，系統(tǒng)運行的時間可由操作工人根據現(xiàn)場的工況自定。圖中各階段的工作情況說明如下。
1)第一階段0耀賊1 煤車車廂在井底裝滿煤后，發(fā)一個聯(lián)絡信號給井口提升機操作工人，操作工人在回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。
2)第二階段t1-t2 重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2的速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內設備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。
3)第三階段t2-t3 再加速段。
4)第四階段t3-t4 重車以變頻器頻率為f3 的最大速度穩(wěn)定運行，一般，這段過程最長。
5)第五階段t4-t5 操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。
6)第六階段t5-t6 重車減速到以變頻器頻率為f1的速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。
7)第七階段t6-t7 快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個聯(lián)絡信號到井下，整個提升過程結束。
以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設置(具體實現(xiàn)只需將上述的人工溝通信號采用傳感器來實現(xiàn)即可)。
5 結語
繞線式電機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。
提升機絕大部分時間都處在電動狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經測算節(jié)能30%以上、取得了很好的經濟效益。另外，提升機變頻調速后，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經濟效益也很可觀。
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