1引言

　　湖南省煤業(yè)集團(tuán)有限公司(簡稱湘煤集團(tuán))是經(jīng)湖南省人民政府批準(zhǔn)設(shè)立的大型省屬國有獨(dú)資企業(yè)，是全國煤炭百強(qiáng)企業(yè)和全國煤炭產(chǎn)量50強(qiáng)企業(yè)，是省政府確定的全省能源保障主平臺和省政府重點(diǎn)支持加快發(fā)展的九大企業(yè)之一，總設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3000萬噸/年。

　　2009年，湘煤集團(tuán)集中原煤優(yōu)勢資產(chǎn)，聯(lián)合國電、大唐等大型企業(yè)共同發(fā)起設(shè)立了湖南黑金時(shí)代股份有限公司，寶源礦業(yè)有限公司是其下轄的子公司之一。

　　北平硐礦是寶源礦業(yè)公司下屬兩個(gè)礦井之一，北平硐礦井副井提升機(jī)采用繞線式異步電動機(jī)拖動，電機(jī)的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式屬于落后技術(shù)，存在以下缺點(diǎn)：

　　(1)大量的電能消耗在轉(zhuǎn)差電阻上，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。

　　(2)控制系統(tǒng)復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)碳刷容易損壞，維護(hù)工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。

　　(3)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實(shí)現(xiàn)速度控制，特別是在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)減速控制，導(dǎo)致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。

　　(4)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機(jī)械沖擊，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。

　　(5)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。

　　(6)低速段的啟動力矩小，機(jī)械特性比較軟，帶負(fù)載能力差，無法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升。

　　針對以上這些問題，煤礦決定對原系統(tǒng)進(jìn)行改造。根據(jù)當(dāng)今科技的發(fā)展，采用技術(shù)含量較高的變頻調(diào)速，替代原來的繞線電機(jī)串電阻調(diào)速，是較理想的方案。經(jīng)礦方多方面考察多個(gè)用戶現(xiàn)場，最終選用山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌JD-BP37-500T型高壓變頻器提升系統(tǒng)。

　　2 改造設(shè)備介紹

　　寶源煤業(yè)公司北平硐礦副井絞車現(xiàn)場使用兩個(gè)操作系統(tǒng)，原操作系統(tǒng)控制工頻運(yùn)行。新操作系統(tǒng)為山西華威提供，控制變頻運(yùn)行。互為備用，保證提升機(jī)安全運(yùn)行。兩個(gè)操作系統(tǒng)共用一個(gè)絞車系統(tǒng)。

　　2.1現(xiàn)場提升設(shè)備參數(shù)

　　設(shè)備配置如表1所示。現(xiàn)場設(shè)備如圖1所示。

　　圖1 現(xiàn)場設(shè)備圖

　　2.2高壓提升機(jī)變頻器參數(shù)

　　新風(fēng)光電子公司是國內(nèi)最早的從事提升機(jī)變頻器研究的專業(yè)廠家，風(fēng)光牌高壓提升機(jī)變頻器被列入國家火炬計(jì)劃，產(chǎn)品榮獲國家重點(diǎn)新產(chǎn)品、山東省科技進(jìn)步獎，產(chǎn)品被列入國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)推廣目錄第一批名單，風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器填補(bǔ)了單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器不能四象限運(yùn)行的國內(nèi)空白，產(chǎn)品技術(shù)具國內(nèi)領(lǐng)先水平。

　　JD-BP37-T系列高性能高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品，在以高速DSP(TMS320F2812)為控制核心，結(jié)合先進(jìn)的無速度傳感器矢量控制技術(shù)，融合了先進(jìn)的能量回饋技術(shù)，以及可靠的lGBT大電流驅(qū)動技術(shù)，是新一代高性能完美無諧波高壓變頻調(diào)速產(chǎn)品的典型代表。矢量控制功能使得異步電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)好，調(diào)速精度高。能量回饋技術(shù)的應(yīng)用，使得功率單元串聯(lián)型高壓變頻器具備了四象限運(yùn)行能力，能量可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動。高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)被列為國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目，獲科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金項(xiàng)目資助。

　　風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器具體參數(shù)如表2所示。

　　3改造方案

　　3.1主回路方案

　　為了確保安全可靠，讓變頻調(diào)速系統(tǒng)與原調(diào)速系統(tǒng)并存，互為備用，隨時(shí)可以切換。改造系統(tǒng)控制思路如圖2所示：

　　圖2 工、變頻系統(tǒng)切換控制

　　高壓提升機(jī)變頻器是整個(gè)改造系統(tǒng)的一個(gè)核心部分，它具有與電控系統(tǒng)相適配的各種接口。配合自動控制的操作臺運(yùn)行時(shí)，電控臺向變頻器發(fā)出“正轉(zhuǎn)運(yùn)行”、“反轉(zhuǎn)運(yùn)行”和“變頻急停”三路開關(guān)量信號，以及一路4～20mA“給定轉(zhuǎn)速”信號。變頻器向電控臺發(fā)出“變頻器待機(jī)”、“變頻器故障”和“安全回路”三路開關(guān)量信號，以及用于顯示的模擬量輸出信號。電控臺控制高壓斷路器分、合閘，分別連入相應(yīng)的控制回路中。絞車上安裝的軸編碼器向電控臺發(fā)出電機(jī)轉(zhuǎn)速及絞車位置信號。電控臺接受絞車司機(jī)的操作指令。

　　整個(gè)提升機(jī)系統(tǒng)中設(shè)有深度指示失效、限速、過卷、反轉(zhuǎn)、制動油過壓、閘瓦磨損、松繩、速度監(jiān)視、制動油超溫、潤滑油超壓欠壓、變頻器的輕重故障等保護(hù)功能。系統(tǒng)能根據(jù)故障性質(zhì)作出響應(yīng)，必要時(shí)實(shí)施緊急制動，確保設(shè)備及人員的安全。

　　主回路改造原理如圖3所示：

　　圖3 主回路改造圖

　　圖3中K1、K2、K3為三臺高壓隔離開關(guān)，為了確保不向變頻器輸出端反送電，K1、K3與K2采用電磁互鎖操動機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電磁和機(jī)械互鎖。K4為轉(zhuǎn)子側(cè)雙擲開關(guān)，變頻運(yùn)行時(shí)，K4切換到變頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)雙擲開關(guān)K4后處于短接狀態(tài);工頻運(yùn)行時(shí)，K4切換到工頻側(cè)，繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈經(jīng)K4接至原調(diào)速電阻裝置。當(dāng)K1、K3閉合，K2斷開，K4切換到變頻側(cè)，電機(jī)變頻運(yùn)行;當(dāng)K1、K3斷開，K2閉合，K4切換到工頻側(cè)，電機(jī)工頻運(yùn)行，此時(shí)變頻器從高壓中隔離出來，便于檢修、維護(hù)和調(diào)試。另外，為了保證安全，變頻器高壓連跳信號和上一級的高壓斷路器也實(shí)現(xiàn)互鎖，變頻器高壓連跳串入上一級高壓斷路器的脫扣線圈，變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，上一級的高壓斷路器斷開，實(shí)現(xiàn)高壓故障連跳功能。

　　3.2液壓制動系統(tǒng)的控制

　　礦山提升機(jī)首先要求的是保證人員和設(shè)備的安全，最重要的保證安全的設(shè)備是制動系統(tǒng)，目前多采用的液壓制動系統(tǒng)要求電控系統(tǒng)對其閥組進(jìn)行控制以完成其正確的松閘、合閘動作。從電控系統(tǒng)的角度來看，液壓站是安全保護(hù)的執(zhí)行設(shè)備。如果變頻器在運(yùn)行過程中，發(fā)生故障，停機(jī)保護(hù)，則變頻器內(nèi)置PLC與液壓站配合，完成提升機(jī)的停機(jī)過程，或者轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行。表3為該液壓站的閥組閉合動作邏輯：

　　1DT、2DT、3DT、4DT、5DT、6DT為液壓站電磁閥，電控系統(tǒng)PLC通過控制該六組電磁閥來控制制動油泵的起動，提供制動系統(tǒng)中需要的壓力。另外，通過控制六組電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)：正常停車、井中緊急制動、井口緊急制動及跳繩離合器等動作。

　　3.3控制回路

　　該提升機(jī)變頻系統(tǒng)采用雙PLC控制。高壓變頻器內(nèi)配置一套PLC用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào);操作臺內(nèi)配置一套PLC用于變頻系統(tǒng)和原工頻系統(tǒng)所有操作信號的邏輯處理，實(shí)現(xiàn)變頻器的自動、半自動運(yùn)行。工變頻系統(tǒng)控制關(guān)系如圖4所示。

　　(1)變頻工作

　　操作臺人機(jī)界面啟動變頻操作畫面，根據(jù)工況要求，絞車司機(jī)通過操作臺首先給出上提(下放)指令，操作臺PLC向變頻器發(fā)出上提(下放)信號，然后司機(jī)推動閘把手柄給出松閘信號，變頻器PLC接收到信號后啟動變頻器。絞車司機(jī)通過推動檔位手柄調(diào)節(jié)檔位，操作臺PLC根據(jù)當(dāng)前的檔位給出4~20mA頻率給定信號來控制變頻器的運(yùn)行頻率，達(dá)到控制絞車運(yùn)行速度的目的。

　　(2)工頻工作

　　操作臺人機(jī)界面啟動工頻操作畫面，根據(jù)工況要求，絞車司機(jī)通過操作臺給出上提(下放)指令，操作臺PLC控制換相柜內(nèi)的換相接觸器來改變?nèi)喔邏弘姷南嘈颍瑢?shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn);然后司機(jī)推動閘把手柄，電機(jī)起動。絞車司機(jī)通過推動檔位手柄調(diào)節(jié)檔位，操作臺PLC根據(jù)當(dāng)前檔位分別控制KM1、KM2、KM3、KM4來調(diào)節(jié)絞車的速度。

　　(3)安全回路

　　變頻器高壓聯(lián)跳信號與操作臺緊急跳閘信號串聯(lián)起來，一起串入該系統(tǒng)的安全回路。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或者操作臺發(fā)出緊急跳閘信號，上一級的高壓斷路器斷開，同時(shí)制動系統(tǒng)緊急抱閘，保證生產(chǎn)安全。

　　4高壓提升機(jī)調(diào)試情況

　　4.1模擬電控試驗(yàn)

　　通控制電調(diào)試時(shí)必須確保高壓電不能加到變頻器上，以確保人身安全;

　　(1)通上交流220V控制電，合上控制柜。旁路柜內(nèi)斷路器，打開UPS，觸摸屏自動進(jìn)入監(jiān)控程序;

　　(2)合旁路柜主回路上的隔離開關(guān)(可以不合K1，把K1到PLC的節(jié)點(diǎn)短接，試完必須復(fù)位);

　　(3)短接高壓就緒;

　　(4)操作電控上的主令和付令信號控制變頻器運(yùn)行，調(diào)節(jié)上提(下放)頻率運(yùn)行到50Hz;用示波器測量單元輸出波形和總輸出波形是否正確，如果示波器看到的波形比較模糊，建議在變壓器輸入加入220VAC電源，輸出電壓開環(huán)控制狀態(tài)下看輸出波形;

　　(5)電控給變頻的主令和付令信號：主令和付令信號應(yīng)是獨(dú)立，應(yīng)是經(jīng)電控處理后給出。主要檢測是否存在下面2個(gè)問題：

　　①制動泵不啟動而主令和付令信號給出到變頻器，這樣變頻器運(yùn)行時(shí)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，變頻器會過流保護(hù)或者損壞。

　　②制動泵不啟動時(shí)是否存在主令或副令中有一個(gè)信號給出到變頻器，這樣變頻器會出輸制動信號電機(jī)有制動電流，長時(shí)間制動有可能出現(xiàn)燒壞電機(jī)的現(xiàn)象;

　　(6)電控在檢測到變頻器就緒后啟動制動泵、潤滑泵。制動泵、潤滑啟動后操作主令和付令給出上提(下放)松閘信號變頻運(yùn)行。(制動泵、潤滑泵不啟動不能給出上提下放信號，即安全回路輸入信號報(bào)故障);

　　(7)試驗(yàn)變頻與工頻的互鎖;

　　(8)試驗(yàn)電磁鎖;

　　(9)試驗(yàn)變頻器的各項(xiàng)保護(hù)功能，報(bào)警功能與分?jǐn)嗤獠扛邏汗δ?

　　(10)試驗(yàn)變頻與電控之間的各種功能，確保各種互鎖與信號邏輯的正確性。

　　4.2現(xiàn)場通高壓電調(diào)試

　　(1)將高壓電送至變頻器，無特殊情況不允許在通高壓電開機(jī)運(yùn)行的情況下測量輸出或是其他地方，如需測調(diào)試人員需做好安全防護(hù)并經(jīng)技術(shù)人員允許后再測試，以免出現(xiàn)安全事故;

　　(2)在不開機(jī)狀態(tài)下測量功率單元輸入電壓，并換算到隔離變壓器初級，看電網(wǎng)電壓高低情況，來判斷是否需要調(diào)整變壓器電壓抽頭，并做好記錄;

　　(3)試驗(yàn)工頻變頻狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)向是否一致。如果不一致，則將變頻器三相輸出中任意兩相更換位置。

　　(4)輕載試驗(yàn)：

　　①設(shè)定變頻器的基本參數(shù)。上升時(shí)間為15s，下降時(shí)間為15s，上限頻率50Hz，下限頻率1.5Hz，額定頻率50Hz，功能設(shè)置4，制動電流(設(shè)為不超過額定電流的1.5倍，設(shè)定過小重物上提時(shí)電機(jī)會反轉(zhuǎn))，頻率穩(wěn)定度為0.1Hz，電流系數(shù)為出廠值，額定電壓為變頻器的額定電壓，低頻補(bǔ)償為20(重載試驗(yàn)時(shí)在調(diào)整)，額定電流為電機(jī)的額電流，輸出電壓下降時(shí)間為0，頻率到達(dá)信號45Hz，啟動頻率0.5Hz，比例系數(shù)控制為350以出廠為準(zhǔn)，反轉(zhuǎn)頻率上限為25Hz(重載試驗(yàn)完后調(diào)整為50Hz或現(xiàn)場要求的速度)輸出電壓閉環(huán)系數(shù)為出廠值，定子電阻系數(shù)為0。

　　②開機(jī)上提和下放觀察減速區(qū)內(nèi)有否超速現(xiàn)象和提升機(jī)的回饋是否正常，超速減小下降時(shí)間再試，回饋不正常查明原因后再試。輕載正常轉(zhuǎn)入重載試驗(yàn)。

　　(5)重載試驗(yàn)：上升時(shí)間為15s，下降時(shí)間為15s，上限頻率50Hz，下限頻率1.5Hz，反轉(zhuǎn)上限頻率為25Hz，上提看電機(jī)是否反轉(zhuǎn)如反轉(zhuǎn)停機(jī)增加低頻補(bǔ)償值以不出現(xiàn)反轉(zhuǎn)為準(zhǔn)，下放看變頻回饋是否正常，正常停機(jī)后反轉(zhuǎn)上限頻率調(diào)整為30Hz，再上提下放一次如正常反轉(zhuǎn)上限頻率調(diào)整為35Hz，每試一次反轉(zhuǎn)上限頻率增加5Hz，到50Hz后。調(diào)整上升下降時(shí)間，每開一次機(jī)調(diào)整2s時(shí)間以滿足現(xiàn)場要求。調(diào)試正常后記錄下變頻器的基本參數(shù)。

　　5各種保護(hù)的觀察和試驗(yàn)

　　(1)高壓斷電保護(hù)：在安全繼電器吸合情況下，踩下右下角的腳踏開關(guān)，高壓開關(guān)掉電，安全回路繼電器立即斷電。

　　(2)主令位置保護(hù)：主令不在零位的情況下，安全回路繼電器斷電后，安全條件具備燈不會得電。

　　(3)手閘位置保護(hù)：在手閘推上情況下，安全回路繼電器斷電后，此時(shí)安全條件具備燈不會得電。

　　(4)減速過速保護(hù)：當(dāng)提升機(jī)運(yùn)行到減速點(diǎn)時(shí)，有減速報(bào)警及減速功能，如超過給定的12%時(shí)安全繼電器立即斷電，同時(shí)伴有語言報(bào)警;試驗(yàn)減速過速時(shí)，在減速區(qū)按住慢上按鈕，當(dāng)速度超過0.5m/s安全回路立即斷電，同時(shí)伴有語言報(bào)警。

　　(5)等速段超速保護(hù)：當(dāng)正常速度超過額定速度的15%時(shí)，在或等速區(qū)時(shí)按住慢上速度超過0.5m/s安全回路立即斷電，同時(shí)伴有語言報(bào)警。

　　(6)制動油過壓保護(hù)：人為使制動油壓增加到大于6.2MPa，安全回路繼電器立即斷電，制動泵停止。

　　(7)接近井口的2m/s限速保護(hù)：此項(xiàng)保護(hù)可通過觀察提升機(jī)運(yùn)行過程中2m/s速度繼電器工作的正確性和接近井口的位置繼電器工作的正確性來判斷。也可以按住慢下按鈕，使提升機(jī)運(yùn)行到接近停車位置8m時(shí)速度超過0.4m/s來試驗(yàn)。

　　(8)過卷保護(hù)：該保護(hù)有2處，即監(jiān)控機(jī)過卷、主控機(jī)過卷，可采用暫時(shí)短接1處，判斷1處的辦法進(jìn)行，作此項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)，一定要使提升機(jī)運(yùn)行到過卷位置，但速度不可過快，任意一處動作都會使安全回路繼電器斷電。

　　(9)軸編碼器壞保護(hù)：在提升機(jī)慢速運(yùn)行時(shí)，將任一個(gè)軸編碼器的輸出線斷開，提升機(jī)運(yùn)行4m后，安全回路繼電器立即斷電。

　　(10)潤滑油欠壓：如果潤滑油壓低于0.05MPa時(shí)，無法打上信號。

　　(11)閘間隙保護(hù)：人為動作后有語言報(bào)警。

　　(12)錯(cuò)向保護(hù)：人為使提升機(jī)向反方向運(yùn)行，速度超0.5m/s或行程超過1m，安全回路掉電。

　　6現(xiàn)場應(yīng)用情況及運(yùn)行效果

　　從目前運(yùn)行情況看，副井提升絞車變頻改造后，實(shí)現(xiàn)了電動機(jī)的真正軟啟動，縮短了提升時(shí)間，減少維護(hù)工作量，提高了生產(chǎn)效率。大大提高了提升機(jī)的安全運(yùn)行。高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場運(yùn)行如圖5所示。

　　圖5風(fēng)光高壓提升機(jī)變頻器現(xiàn)場運(yùn)行圖

　　絞車改造后，整個(gè)變頻提升系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

　　(1)變頻系統(tǒng)甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境。

　　(2)實(shí)現(xiàn)了絞車電機(jī)的軟起動和軟停止，使運(yùn)行更加平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小。

　　(3)啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流，提升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，也沒有大電流出現(xiàn)，大大地減小了對電網(wǎng)的沖擊。

　　(4)增加了直流制動功能，使重車停車時(shí)更加平穩(wěn)。

　　(5) 節(jié)能效果顯著。據(jù)實(shí)測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達(dá)到20%左右。采用回饋制動，節(jié)能效果越明顯。

　　(6) 保護(hù)功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護(hù)外，還設(shè)有外圍控制的連鎖保護(hù)，包括制動閘信號與正、反轉(zhuǎn)信號的連鎖，變頻器故障信號與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機(jī)內(nèi)備有自動減速程序等。對提升機(jī)運(yùn)行過程中的參數(shù)及可能危及提升機(jī)正常運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，并具有故障顯示、報(bào)警功能。

　　鑒于風(fēng)光高壓提升變頻系統(tǒng)改造的良好效果，湘煤集團(tuán)下屬的多家煤礦改造的絞車變頻提升系統(tǒng)均采用新風(fēng)光電子公司生產(chǎn)的高壓產(chǎn)品。