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1、 引言
張家口市蔚縣鄭溝灣煤礦副井絞車，擔負著全礦提人、運料的繁重工作，一旦出現(xiàn)故障，就將影響全礦的生產(chǎn)。因此它的正常運行起著至關重要的作用。該井為雙鉤運行，坡度為25度，坡長為580m。原采用215kw/380v繞線電機串電阻調(diào)速，用交流接觸器實現(xiàn)速度段切換。形成了低速降壓啟動、檔位切換加速、全速運行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。
這種運行方式存在明顯的缺點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)大量的電能消耗在轉子電阻上，造成了嚴重的能源浪費。
當料車空車下放時，電機的轉速超過了同步轉速，電機處于發(fā)電狀態(tài)，由于沒有能量處理環(huán)節(jié)，大量的電能消耗在轉子電阻上，致使電機能耗增加，不但浪費大量的電能，而且使電機銅損、鐵損增加，增大了電機的維修費用。從現(xiàn)場情況看，下放時電機電流與提升時基本相同，都在400A左右，相當于電機的額定電流，而空載時電機電流大約應在額定電流的60%左右，從這點看，應有30%左右的能量被消耗掉。
(2)原控制系統(tǒng)采用繞線電機轉子串電阻的方式進行調(diào)速，不僅將大量的轉差功率消耗在轉子電阻上，浪費了大量電能，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間，增加了機房建設費用。
(3)這種切換轉子電阻調(diào)速的控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了提升機的生產(chǎn)效率。
(4)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速控制，導致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
(5)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)"掉道"現(xiàn)象。
(6)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了礦山產(chǎn)量。
(7)低電壓和低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升。
針對以上這些問題，煤礦決定對原系統(tǒng)進行改造。采用技術含量較高的變頻調(diào)速，替代原來的繞線電機串電阻調(diào)速，這是較理想的方案。變頻調(diào)速實現(xiàn)了電機的軟啟動、軟停車，連續(xù)平滑調(diào)速，特別是帶能量回饋的四象限運行變頻器，可以將電機在發(fā)電狀態(tài)下的再生電能回送電網(wǎng)，降低電能消耗，可節(jié)約大量的電能。
2、 變頻控制方案
2.1 變頻控制的特點
(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，操作簡單方便，降低了操作人員的勞動強度;
(2)實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小;
(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，提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，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，使重車停車時更加平穩(wěn);
(5)轉矩補償達到規(guī)范要求，重車啟動正常;
(6)節(jié)能效果顯著，據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達到20%左右，采用回饋制動，節(jié)能效果更明顯;
(7)采用變頻控制后，原繞線式電機轉子短接，在電機維護方面，避免了轉子炭刷的燒損及維護;
(8)機內(nèi)采用深圳加能回饋單元，回饋能量可直接輸給電網(wǎng)，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節(jié)能效果明顯，系統(tǒng)可以實現(xiàn)四象限運行;
(9)安全保護功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護外，還設有外圍控制的連鎖保護，包括制動閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與系統(tǒng)安全回路的連鎖，機內(nèi)備有自動減速程序等。
2.2 方案的確定
設計時，因絞車系統(tǒng)一般都滿負荷運行，而且要求起動力矩大，因此根據(jù)電機的容量(380v/215kw)，變頻器一般應高出一個規(guī)格為ABB-ACS800 250KW。
方案一：直接采用進口原裝四象限能量回饋變頻器，方案二：采用進口原裝二象限變頻器+能量回饋單元。因進口原裝四象限能量回饋變頻器供貨周期長（8-12周）且成本極高，出現(xiàn)問題維修周期長，不適合煤礦的當前生產(chǎn)狀況；所以我們推薦方案二，變頻器+能量回饋單元，降低前期投入成本，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期，同時也能降低維修費用，也同樣能達到在礦車下放時將發(fā)生的電能直接回送電網(wǎng)，節(jié)約大量的能量。
加能(深圳)公司是加拿大IPC的中國公司，主要從事IPC產(chǎn)品在中國的推廣，二次開發(fā)和部分產(chǎn)品生產(chǎn)。加拿大IPC公司位于北美最大的港口城市Vancouver。在國內(nèi)生產(chǎn)的IPC-PFH系列提升機專用能量回饋單元 ，特別適用于礦山提升機、起重機、卷揚機、拉絲機、離心機等有電能再生的適用場合。主要具有以下性能特點：
（一）技術參數(shù)：
1. 額定電壓：AC380V/220V/660V；
2. 功率范圍：30KW～160KW；
3. 制動方式：雙向自動電壓跟蹤方式；
4. 反應時間：2ms以下，有多重噪聲過濾算法；
5. 允許電網(wǎng)電壓：300V～460VAC，45～66Hz；
6. 動作電壓：620V-680VD可調(diào)，誤差≦2V；
7. 制動力矩：150%；
8. 回饋方式：正弦波電流方式；
9. 電流畸變：<5％；
10. 回饋算法：最小諧波PWM算法；
11. 設計工作制：長期；
12. 保護功能：過熱，過電流，短路及故障自診斷及保護輸出功能；
（二）產(chǎn)品技術特點及優(yōu)勢：
1. 使變頻器實現(xiàn)四象限運行，持續(xù)性回饋，回饋制動頻度40%。
2. 把再生能量回饋電網(wǎng)，效率 97% ，增加運行經(jīng)濟效益。
3. 熱損耗為耗能制動的 3% 以下，改善工作環(huán)境。
4. 有完全故障保護，使用安全。
5. 全電壓自動跟蹤，用戶不必自己調(diào)整或設定，方便使用。
6. 全程噪聲過濾，不會污染電網(wǎng)和干擾其他設備。
7. 高性能回饋式制動單元。外置大電抗器，可直接和電網(wǎng)駁接使用。
2.3 系統(tǒng)的組成
2.3.1 雙電源進線柜 1臺
2.3.2 變頻柜 1臺 （ABB-ACS800）
2.3.3 回饋制動柜 1臺 （IPC-PFH75-4*3套并聯(lián)）
2.3.4 PLC控制柜 1臺 （雙PLC）
2.3.5 司機控制臺 1臺 （含上位機監(jiān)控系統(tǒng)）
2.3.6 軸編碼器 2抬
2.3.7 位置傳感器 6套
2.4 控制原理
控制核心為ABB ACS 800系列重載型變頻器，利用與變頻提升機系統(tǒng)對接對絞車進行起、停、加減速及機械抱閘系統(tǒng)的控制，同時用變頻器調(diào)節(jié)頻率及軸編碼器的信號采集，通過PLC的計算，使提升機的速度得到有效而精確控制，并確保停車位置的準確性。
其系統(tǒng)組成如圖所示：圖1由左往右依次為 變頻柜 回饋制動柜 PLC控制柜 雙電源進線柜。
圖2為提升機控制臺
 
圖1 圖2
變頻調(diào)速的原理
(1)主回路圖如圖3所示:
圖3、 提升機變頻器主電路
主回路工作過程:三相交流電經(jīng)整流濾波變成直流電，為逆變提供電源，逆變的功能是將整流后的直流電轉化為調(diào)頻調(diào)壓的交流電去驅動電機，電能轉換成機械能，實現(xiàn)提升作業(yè);當電機由高速運行減速或單鉤絞車下放時，負載由于存在慣性，電機的實際轉速會超過它的同步轉速，機械能轉化為電能，由電動機運行狀態(tài)變成發(fā)電機運行狀態(tài)，發(fā)出的交流電經(jīng)逆變部分的續(xù)流二極管整流成直流，使母線電壓升高，直接危及功率器件，必須把這部分能量釋放掉，于是我們做了回饋單元，對這部分能量進行處理，反送回電網(wǎng)，從而保證變頻器的安全工作，并進而節(jié)約了電能。
(2)控制回路
采用cpu統(tǒng)一控制和 變頻器自身的plc 外端接口相結合，使調(diào)速系統(tǒng)具有很高的可靠性，同時利用 plc 強大的控制能力實現(xiàn)靈活的控制方式和電氣隔離。
(3)接口電路
plc接口電路如圖3所示。
圖3、 plc接口電路
輸入:故障輸入、編碼器信號、正轉、反轉、松閘信號、母線過壓1、內(nèi)部保護、母線過壓2、五個檔位、急停、模擬輸入+a、+b等。
輸出:去主板的信號(1):公共點、正/反、松閘、運行、急停、外控電壓輸入。
指示信號(2):故障指示、上升指示、下降指示、減速指示、檔位指示。
(3)變頻器為典型的交-直-交電壓源型變頻器，其功率模塊為進口的西門子新型IGBT器件，采用32位全數(shù)字單片機控制技術，可以實現(xiàn)交流電動機大范圍內(nèi)的無級平滑調(diào)速，在運行過程中能隨時檢測電動機的負載情況，自動調(diào)整功率輸出，使電動機始終運行在最佳狀態(tài)，節(jié)能效果明顯。
(4)系統(tǒng)的控制框圖如圖 4所示。
圖4、 控制系統(tǒng)原理
3、 改造后的效果計算
3.1 現(xiàn)場設備參數(shù)
（1）提升機規(guī)格: GKT—2×2×1—20
（2）卷筒名義直徑 2000㎜
（3）卷筒寬度 1000㎜
（4）卷筒個數(shù) 2個
（5）鋼絲繩最大靜張力 6000Kｇ
（6）鋼絲繩最大靜張力差 4000Kｇ
（7）鋼絲繩直徑 32㎜
（8）減速器名義速比 20
（9）最大提升高度（斜長） 580ｍ
（10）最大提升速度 3.8ｍ／ｓ
（11）坡度 25°
我們按照加、減速度為0.5m/s2,爬行速度0.5m/s，爬行時間5 s來計算，單勾運行情況見下表
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單位/秒 |
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單位/米 |
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加速時間（t1) |
7.60 |
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加速距離（s1） |
14.44 |
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減速時間（t2) |
6.60 |
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減速距離（s2） |
14.19 |
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爬行時間（t3) |
5.00 |
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爬行距離（s3） |
2.50 |
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勻速時間（t4） |
144.44 |
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勻速距離（s4） |
548.87 |
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單勾運行時間 |
163.64 |
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井筒深度 |
580.00 |
3.2 功耗計算
提升機為雙勾提升，我們按每一半負力提升計算。
單勾提升時間：≈164s；
每次提升的間歇時間：設定為30s；
每小時提升時間：3600/（164+30）*164≈3043s
每天按20小時計算提升時間：3043×20＝47160/3600＝16.9h
其中有一半的時間為負力運行：16.9/2=8.45h
提升過程中每勾低于工頻運行的時間：19.2s；占單勾運行時間的11.7％，則共頻運行占單勾運行時間的88.3％
上提階段工頻每天能量消耗 (E_hoist1) ：
設定負載率為0.8；
凈效率（實際效率）=機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83
E_hoist1 [kWh]={(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x小時（每天工作時上提占用時間）x 88.3％
= {(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45 x 88.3％
≈ 1065kWh
上提階段低頻每天能量消耗 (E_hoist2) ：
凈效率（實際效率）=機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83
E_hoist2 [kWh]={(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x小時（每天工作時上提占用時間）x11.7％x50％
= {(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45 x 11.7％x50％
≈ 71kWh
上提階段低頻每天能量消耗 (E_hoist) ：
E_hoist =E_hoist1+ E_hoist2=1065kWh+71kWh=1136kWh
下放階段工頻每天再生回饋能量(E_lowering1)
實際效率 = 機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x 小時（每天工作時下放占用時間）x40％（按動能發(fā)電的40％計算）
＝-{(0.8 x215kW) x 0.83} x 8.45 x40％x 88.3％
≈ -426kWh
下放階段低頻每天再生回饋能量(E_lowering2)
實際效率 = 機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x 小時（每天工作時下放占用時間）x20％（按動能發(fā)電的20％計算）
＝-{(0.8 x215kW) x 0.83} x 8.45 x20％x 11.7％x50％
≈ -14kWh
下放階段每天再生回饋能量(E_lowering)
E_lowering= E_lowering1+ E_lowering2=426+14=440
提升下放運轉的每天凈能量消耗（E_net_hoist）
E_net_hoist =1136kWh -440kWh =696kWh
不安裝回饋制動變頻器的功耗
上提階段的每天能量消耗 (E_hoist) ＝{(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45≈1206 kWh
下放階段的每天能量消耗 (E_lowering) ＝上提階段的每天能量消耗 (E_hoist1)*40%
（下放時消耗能量按上提時的40％計算）＝1206*50%=482 kWh
E_max_hoist=上提階段的每天能量消耗 (E_hoist)+ 下放階段的每天能量消耗(E_lowering) ＝1206+482＝1688kWh
實際節(jié)約電能：
1688kWh－696kWh＝992kWh
每年節(jié)約電費：
992kWh x [25days/month]（月工作天數(shù)） x 12 month x [0.7/ kWh]（平均電費）＝297600 x [0.7/ kWh]（平均電費）＝208320元
4、 結束語
煤礦提升機專用能量回饋單元，是加能公司為提升行業(yè)創(chuàng)造的又一綠色產(chǎn)品，其產(chǎn)品已在山東、山西、河南、河北、四川、貴州、云南、寧夏、內(nèi)蒙等全國的很多省份的煤礦得到了廣泛的應用。在操作方便、運行可靠、改善工人的勞動環(huán)境、節(jié)電顯著等方面都體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。特別是近幾年產(chǎn)品的優(yōu)化升級，使其可靠性應用得到極大的提高。提升機變頻器實現(xiàn)了四象限運行、電能的回饋等新技術，其應用前景將會是很廣闊的。
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