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矿井提升机应用


ACI变频器在煤矿提升机上的应用
 

一、矿井提升概述: 
    矿井提升机是煤矿、铁矿、有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠运行,直接关系到企业的生产状况和经济效益。煤矿井下采好的煤通过斜井用提升机将矿车拖至地面。安装在地面绞车房的绞车(提升机),由电机经减速器带动卷筒旋转,钢丝绳在卷筒上缠绕数周挂上一列矿车,在电机的驱动下将矿车从地面放至井下或把矿车从井下拖至地面。这种拖动系统要求电机频繁的正、反转起动,减速制动,而且电机的转速按一定规律变化。斜井提升机的机械结构示意图如图1所示。斜井提升机驱动电机一般是绕线式异步电机,采用转子串电阻方式调速。提升机的基本参数是:电机功率55kW,卷筒直径Φ1200mm,减速器减速比24:1,钢丝绳最高运行速度2.5m/s,钢丝绳长度为120m。




    图1 提升机卷筒机械传动系统结构示意图


二、现有大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升,存在问题: 
    1、目前,大多数中、小型矿井采用斜井串车提升,传统斜井提升机普遍采用交流绕线式异步电机转子串电阻调速,电阻的投切用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁,设备运行时间较长后,交流接触器主触头易氧化发热熔焊或接触不良,引发设备故障。
    2、提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差,经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的启动﹑调速和制动,在转子电路所串的电阻上会产生相当大的功耗。
    3、传统斜井提升机采用交流绕线式电机串电阻调速,这种交流绕线式异步电机串电阻调速系统属于有级调速,调速的平滑性差;低速时机械特性较软,静差率较大;电阻上消耗的转差功率大,能耗大;启动过程和调速换挡过程中电流冲击大;中高速运行震动大,安全性较差。

三、变频节电改造原理
    为克服传统交流绕线式异步电机转子串电阻调速系统的缺点,采用变频调速技术改造提升机,可以实现全频率(0~50Hz)范围内的恒转矩控制。对再生能量的处理,可采用价格低廉的能耗制动方案或节能更加显著的回馈制动方案。为安全性考虑,液压机械制动需要保留,并在设计过程中对液压机械制动和变频器的制动加以整合。矿井提升机变频调速方案原理如图2所示。



    图2 矿井提升机变频调速方案原理图

    考虑到绕线式电动机比鼠笼式电动机的力矩大,且过载能力强,所以仍用原来的4极55kW绕线式电机,在用变频器驱动时需将转子三根引出线短接。提升机在运行过程中,井下和井口必须用信号进行联络,信号未经确认,提升机不能运行。为显示运行时矿车的位置,使用E6B2-CW6Z 40P旋转编码器,即电机旋转1圈旋转编码器产生40个脉冲,这样每两个脉冲对应车厢走过的距离为1200×π/(24×40)=3.927,约为3.9mm。如果采用6位计算器,设定单个脉计量值为3.9,冲则与实际距离的误差值为4-3.9=0.027mm,卷筒运行一圈误差为0.027×40×24=25.29mm,已知钢丝绳长度为120m,如果两个脉冲对应车厢走过的距离用近似值3.9mm计算,120m全程误差为25.92×120000/1200π≈825mm。再考虑到实际检测过程中有一个脉冲的误差,则最大的误差在821mm~829mm之间,对于数十米长的车厢来说误差范围不到1m,精度足够。因此,用计数器实时统计旋转编码器发出的脉冲个数,则可计算出车厢的位置并用显示器显示。另外一个问题是计数过程中有无累计误差存在?实际检测时,在一个提升过程开始前,首先将计数器复位,第一个重车厢经过某个位置时,打开计数器计数,车厢在斜井中的位置以此点为基准计算,没有累计误差。在操作台上,用8英寸触摸屏显示交流电压和电机工作电流以及车厢的位置。

四、方案实施
    斜井提升负载是典型的摩擦性负载,即恒转矩特性负载。重车上行时,电机的电磁转矩必须克服负载转矩,启动时还要克服一定的静摩擦力矩,电机处于电动工作状态位于第一象限;在重车减速时,虽然重车在斜井轨面上有一向下的分力,但重车的减速时间较短,电机仍会处于再生工作状态位于第二象限;当空车下行时,电机处于反向电动状态位于第三象限;当重车下行时,电机工作在发电状态位于第四象限。另外,有占总运行时间10%的时间单独运送工具或器材到井下时,电机纯粹处于第二或第四象限,此时电机长时间处于再生发电状态,需要进行有效的制动。用能耗制动方式必将消耗大量的电能;用回馈制动方式,可节省这部分电能,但回馈制动单元价格较高,投资较大,考虑到单独运送工具或器材到井下仅占总运行时间的10%,为此选用价格低廉的能耗制动单元加能耗电阻的制动方案。
    提升机的负载特性为恒转矩位能负载,启动力矩较大,选用变频器时适当地留有余量,因此选用ACI V11-90kW变频器。由于提升机电机绝大部分时间都处于电动状态,仅在少数时间有再生能量产生,变频器接入制动单元和制动电阻,就可以满足重车下行时的再生制动,实现平稳的下行。地面绞车房还有一个液压机械(盘式)制动器,此制动器用于重车静止时的制动,特别是重车停在斜井的斜坡上,必须有液压机械制动器制动。液压机械制动器受PLC和变频器共同控制,机械制动是否打开,受变频器控制,启动时当变频器的输出转矩达到设定值时,变频器TA、TB端口输出开关信号,表示电机转矩已足够大,打开液压机械制动器,重车可上行;减速过程中,当变频器的频率下降到0.2Hz时,表示电机转矩已较小,液压机械制动器制动停车。紧急情况时,按下紧急停车按钮,变频器能耗制动和液压机械制动器同时起作用,使提升机在尽量短的时间内停车。
     提升机传统的操作方式为:操作工人坐在地面绞车房操作台前,手握操纵杆控制电机正、反转共三挡速度。为适应操作工人这种操作方式,变频器采用(无档位)多段速调速方式。变频调速原理图如图3所示。



     图3 变频调速原理图





五、节电率与投资回报分析  
    某煤矿使用的矿井提升机,原采用132KW三相异步电动机转子串电阻调速,用交流接触器进行速度切换,由于功率比较大,所以启动换档时冲击电流大,中高速运行不平稳,大量的电能消耗在转子电阻上,造成能源的极大浪费。同时,由于接触器电磁噪音大,工人的操作环境也极恶劣,急需进行改造。
   由于变频器具有软启动、大范围内平滑调速、节能效果显著等优点,因此该矿经过多方考察,决定采用广州ACI电气有限公司生产的V11系列185KW变频器对绞车系统进行变频改造,经过几个月的运行,证明改造的效果比较理想,主要表现在:
1.实现了启动时的软启动、软停车,减轻了对电网的冲击。
2.变频器的频率连续可调,使调速更加方便、可靠,运行更平稳。
3.使用变频器后省去原先的换档接触器及调速电阻,即节省了维修费用,又减少了停机维修时间,从而提高了产量。同时消除了接触器电磁噪音,改善了操作环境,使工人避免在夏季调速电阻发热造成的高温条件下工作。
4.在低速时节能效果十分明显。矿井深300多米,测量时用4/50A的电度表,在相同耗电量的情况下,用工频可拉17勾,而使用变频可拉26勾,即变频比工频多拉9勾。经估算节电率约为20%。由于使用了变频器,设备基本上是满载运行。即使我们采用保守算法,按132KW的电机负载率为90%,实际功率为118.8KW,每天只使用20小时,每年工作360天,一年节电仍高达17.1万度(118.8KW*20%*20h*360天=302400度)。若以每度电0.5元计算,则每年可节电费8万多元(17.1*0.5=8.55万元)。

六、结束语
     绕线式电机转子串电阻调速,电阻上消耗大量的转差功率,速度越低,消耗的转差功率越大。使用变频调速一种低耗能的高效的调速方式。提升机绝大部分时间都处在电动状态,节能十分显著,经测算节能20%以上,取得了很好的经济效益。另外,提升机变频调速使系统运行的稳定性和安全性得到大大的提高,减少了运行故障和停工时间,节省了人力和物力,提高了运煤能力,间接的经济效益也很可观。 



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