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一、概述:

    礦井提升有豎井提升和斜井提升,礦井提升機是礦山生產的關鍵設備,被喻為礦山的“咽喉”。它擔負著礦山的礦石、廢石、設備、材料、人員等的提升、下放任務。在礦山生產中占有非常重要的地位。

    某集團公司3-2礦體的斜井提升機,采用轉子繞組串電阻的傳統交流調速方式。該調速方式存在以下問題:第一,采用電磁式繼電器較多,故障判斷排除時間長。經過長期運行後故障率高,不僅修理成本高,而且影響出礦量;第二,提升控製自動化程度低,運行時噪聲大,提升機房溫度高,提升機司機容易疲勞,勞動強度大;第三,在連續低速提升重物時,電阻發熱嚴重,經常燒壞電阻連線,能耗大;第四,調速為有級調速,對鋼絲繩、減速機等的機械衝擊大。   

二、改造方案和係統組成:

    1、改造方案

    采用變頻調速裝置、可編程序控製器、能量反饋單元、觸摸屏等組成交流調速係統,代替原有的串電阻調速係統。

    2、係統組成

    係統組成原理框圖,如圖1:

 

   

    變頻回路包括:刀開關、斷路器、變頻器、變頻器下端的接觸器、能量反饋單元。其中能量反饋單元組成一個櫃。

    控製回路:主要由主PLC控製、輔PLC控製、觸摸屏、繼電器輔助控製、操作台構成。其中主PLC控製和輔PLC控製互為主備,繼電器輔助控製、主、輔PLC控製安裝在同一個控製櫃裏,觸摸屏作為上位機安裝在操作台上。編碼器作為位置和速度反饋信號,安裝在電機和卷筒上。其中安裝在電機上的測速編碼器信號反饋給變頻器,形成PG矢量控製。另一編碼器信號反饋給PLC作出速度和位置運算。測速電機信號、油溫油壓信號及其它開關量信號進入PLC係統

三、工作原理:

    1、係統停止、手動、自動、下滑四種狀態下的功能:

    停止:在該狀態下係統停止工作,所有操作均不能進行,絞車處於閘瓦製動狀態;

    手動:在該狀態下,當係統滿足安全操作的前提下,根據儀表及觸摸屏顯示的參數,通過主令控製器對絞車進行上行、下行正常手動操作。

    自動:在該狀態下,由上行、下行按鈕自動完成上行、下行的全部過程,當行至中途時,可通過停止按鈕人工幹預停止,通過上行、下行按鈕可再次啟動。

    下滑:在係統出現嚴重故障不能正常進行上行、下行操作時,應將功能開關轉換到該位置,通過主令控製器將絞車下滑到所確定的位置。

    通過雙PLC數字控製技術,實現了《煤礦安全規程》中規定的絞車雙線製保護及控製。絞車雙線製保護及控製具有以下特點:

    (1)調速精度高,調速範圍廣,調速精度不低於0.05%.

    (2)雙線製保護:采用一條硬件安全電路和2條軟件安全電路相互冗餘,使得係統更加安全可靠。

    (3)雙線製控製:正常工作時,由於采用雙PLC係統相互監視,相互冗餘。當其中一個PLC係統發生故障時,另一個PLC係統仍可投入進行應急開車,提高了絞車係統的運行可靠性。

    2、保護及連鎖功能:

    2.1、安全製動時,配合液壓站安全閥使提升機實現一級或二級製動,同時變頻器進入回饋製動狀態。

    2.2、任何情況下,隻有司機接到開車信號後才能使提升機運行。

    2.3、當提升過程中發生潤滑油壓力過高、過低、潤滑油濾油器或液壓站濾油器堵塞或油溫高時,觸摸屏上有相應的故障信息顯示,點亮相應信息燈,告知司機可以完成本次提升工作,當故障解除後才允許司機進行下一次提升工作。

    2.4、當提升機因發生故障在中途停車,而且提升容器位於減速段行程內時,排除故障後允許司機按上次開車方向選擇開車,並且隻能低速開車:若提升容器不在減速行程內,由井口發出開車信號,允許司機高速開車。

    2.5、全礦停電時,由PLC係統保證提升機能實現二級製動,並做好提升機的後備保護。

    2.6、盤式製動器的工作製動力矩可調.緊急製動(安全製動)能產生二級製動,避免機械衝擊。

    3、行程控製功能:

    行程控製是由PLC係統完成,主要將提升機的升降過程劃分成不同提升速度要求的行程區間。根據每一行程區間的實際情況和不同速度要求變換變頻器的速度給定值,並形成閉環平滑地調節提升機的升降速度:行程控製不僅控製提升機整個升降行程過程的速度,而且控製提升機的停車和製動過程。行程控製可以很好地防止提升機過卷、過放、脫軌和翻車等事故發生,特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

    4、製動控製功能:

    提升機的正常製動有回饋製動、抱閘製動等方式、回饋製動的實現是在交一直一交電壓型變頻器的直流環節引入逆變環節。當提升機的實際運行速度高於給定運轉速度時,電動機相當於一台發電機,直流環節電壓升高,給逆變器提供能量並回饋電網,電動機自動運行在製動狀態。以達到變頻器準確停車的目的,很好地防止機械衝擊和快速下滑。抱閘製動一般在停車時使用,當運行到停車位時,行程控製器對變頻器發出停車信號,同時,對抱閘製動器發出抱閘控製信號,實施抱閘製動。當發生脫軌等事故時,操作控製實行緊急抱閘製動。

    本係統采用的回饋製動方式,在製動過程中,提升機運行平穩,並且將製動能量回饋到網,有一定的節能效果。6920V製動時序,如下圖:

 

5、主要器件功能:

   5.1、可編程序控製器功能

    係統除緊急保護功能外的所有控製均由可編程序控製器((PLC完成。係統配置的可編程序控製器,采用能適應惡劣工業環境、抗幹擾能力強;具備兩個可同時使用的通訊端口(編程器端口和通用端口),通過與液晶觸摸屏的通訊,可直觀方便地顯示係統運行狀態、故障狀態、運行參數、可顯示全部開關元件的狀態及各種故障、報警信息;接收係統配置的電壓變送器、電流變送器、編碼器等傳來的信號,經過運算、處理後,對絞車進行控製、監視、保護。在緊急製動時(安全製動),由可編程序控製器控製盤形閘產生二級製動,避免機械衝擊。簡化係統可編程序控製器控製流程圖,如圖2

   5.2、變頻器功能

     變頻器接收旋轉編碼器傳來的速度反饋信號,形成PG矢量控製,實現電機的無級調速。本係統配置6920V係列變頻器及能量回饋單元:

1)、一體化方案:采用電動機驅動與起重邏輯控製有機結合的方式,省去了原係統中的PLC,減少潛在故障點,簡化係統接線、調試簡單靈活,代表未來起重機控製的發展方向;

2)、寬電壓設計更能滿足惡劣的電源環境

3)、起重機專業邏輯設計:集多年起重機行業設計的經驗,設計了專家級、廣泛應用的起升機構的控製和安全邏輯,包括時序配合、防溜鉤、等功能,為配套客戶提供完美的解決方案;

4)、在采礦、冶金、築路行業的上料係統有專門的定長設計,使控製更安全可靠。精確的力矩控製:失速防止功能、故障複位再試功能;加裝應用旋轉編碼器可實現全頻域磁通電流矢量控製,在0.5Hz使電機保持150%輸出轉矩。

 

變頻裝置主要技術參數:

(1)、輸入電源電壓AC304-456V,頻率50HZ;電壓允許波動範圍 /-20%;頻率允許波動範圍48-65HZ;

(2)、輸出頻率範圍0~50Hz連續可調;

(3)、額定重載輸出功率:160kW。

(4)、過載能力150%,1分鍾;180%,20s

(5)、有較高的功率因數cosφ>0.98;

(6)、低頻運轉時,有自動轉矩提升功能及轉差補償功能能,保證150% 的額定轉矩;

(7)、變頻器設有過壓、欠壓、過流、過載,功率元件過熱和電機缺相等保護,設有故障記憶功能,能保留最近3次故障的功能號碼和最後一次故障的參數;

(8)、總諧波含量THD<5%。

主要技術原理:

   (1)采用全數字速度傳感器閉環矢量控製,使係統調速範圍寬、調速精度高。變頻器在低頻運行時,也保證有150%以上額定力矩輸出。最大轉矩為額定轉矩的2倍,矢量控製實現的基本原理是通過測量和控製異步電動機定子電流矢量,根據磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控製,從而達到控製異步電動機轉矩的目的。具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量(勵磁電流)和產生轉矩的電流分量(轉矩電流)分別加以控製,並同時控製兩分量問的幅值和相位,即控製定子電流矢量,這種控製方式稱為矢量控製方式。這樣就可以將一台三相異步電機等效為直流電機來控製,因而獲得與直流調速係統同樣的靜、動態性能。

PLC控製流程,如圖2所示:

 

 

5.3、能量回饋單元

      主要作用是提高變頻器的製動能力,並將絞車下放重物的製動能量回饋電網,達到節能的目的

5.4、操作台的主要功能

      操作台裝有手動操作的主令控製器.可手動調整製動力和絞車運行速度.並配有手動和腳踏緊急製動開關,當發生緊急情況時快速製動

5.5、液晶觸摸屏的功能

      通過與可編程序控製器的通訊直觀顯示係統運行狀態、故障狀態、運行參數‘如顯示絞車運行速度、提升容器位置、電動機電流和電壓等),可顯示全部開關元件的狀態及各種故障、報警倍息;可修改可編程序控製器改內部參數設置(需有相應權陽:具有密碼保護功能可根據權限設置、修改操作員密碼.不同安全等級的操作員具有不同的操作權限

四、係統配置:

    1、變頻器選擇

      變頻器驅動的電動機為:JR 127- 8 115k W

      額定電壓:380V

      碩定電流:227A

      根據:變頻器額定輸出電流≥電動機數定電流×1.1的原則

      227×1.1=249.7A

      查AD300係列變頻器樣本:

      容量132kVA的額定輸出電流為:250A

      容量160k VA的額定輸出電流為:300A

      綜合考慮坑下環境和運輸條件,最終選擇變頻器容量為I 60kVA

    2、可編程序控製器選擇

      綜合考慮上過卷、下過卷、手動上行、手動下行、自動上行、自動下行、正常停車、緊急停車、安全回路、液壓站控製、盤形閘控製、各工作指示燈、報份指示燈等.以及各工況之間的互相連鎖控製.並考慮一定的冗餘。

    3、能量回饋單元選擇

3.1、製動電壓選擇

      製動電壓選擇過低.當電網電壓升高時,會造成製動單元誤動作。而製動電壓選擇過高,對設備的安全運行構成威脅對380V係統,製動電壓一般選700V。

     3.2、製動電流選擇

     製動電流是指製動時流過製動電阻和製動單元的直流電流。

     選擇依據:製動必須完全吸收電機的再生電能

     製動吸收功率(U×I)=電機再生電能(瓦)=1000×P×η

     P____電機額定功率(kW)

     U____製動單元直流工作點,通常取700V

     I____ 製動電流(A)

     η____回饋時機械能的轉換效率,通常取η=0.7

     計算得:I=115

    3.3、功率選擇

     電機再生電能必須被吸收並回饋電網

     PR=P×Kf×η×ε

     PR————回饋單元功率(Kw)

     η____回饋時機械能的轉換效率,通常取η=0.7

     ε____製動功耗安全係數.取ε =1.4

     Kf____製動頻率,指再生過程占整個電機工作的時間比例

     查相關資料Kf取60%

     計算得PR =67.62 kW

     選取回饋單元功率70 kW

    變頻調速係統在井下提升機係統中的應用,可以很好地解決調速和啟動等問題,實現了軟啟動、軟停車,減少了機械衝擊使運行更加平穩可靠;起動及加速換擋時衝擊電流很小,減輕了對電網的衝擊,簡化了操作、降低了工人的勞動強度;運行速度曲線成S形,使加減速平滑、無撞擊感;安全保護功能齊全.除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外,還設有聯鎖保護、自動限速保護等,在坑下斜並絞車推廣用變頻調速係統代替串電阻調速係統,是提高礦山坑下斜井絞車技術含量,並且開辟節能挖潛的一條新途徑。

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