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一、概述

礦井提升機廣泛用于煤礦、有色金屬、黑色金屬、非金屬等礦山的豎井、斜井的提升，提升機系統(tǒng)用作提升礦物料及設(shè)備等。在整個生產(chǎn)過程中，提升機占有非常重要的地位。采礦生產(chǎn)是24小時連續(xù)作業(yè)的，即使故障停機維護(hù)也會給生產(chǎn)帶來很大的損失。東塘子鉛鋅礦是西北有色金屬地質(zhì)勘探局下屬的一個國營采礦單位，所用的礦井提升機系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。電機是185kW繞線式6極電機，通過轉(zhuǎn)子串電阻方式進(jìn)行多檔位切換調(diào)速。由于電器控制系統(tǒng)先天不足，經(jīng)過多年的運行，經(jīng)常出現(xiàn)故障停車，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。在采礦生產(chǎn)中，設(shè)備的安全可靠運行顯得特別重要，為提高設(shè)備的可靠性，礦用提升機的技術(shù)改造非常必要。

變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的交流電機調(diào)速技術(shù)，利用改變被控制對象的電源頻率，可實現(xiàn)了交流電動機大范圍無極平滑調(diào)速，并在運行過程中能隨時根據(jù)用戶的需求調(diào)整速度，使提升機始終處于最佳運行狀態(tài)，在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有很高的效率，節(jié)能效果很明顯。采用變頻器對異步電動機進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟效益非常明顯，所以在工業(yè)控制方面得到了廣泛應(yīng)用。

二、改造方案

通過調(diào)研與論證，結(jié)合本公司礦井提升的現(xiàn)場實際情況，最終我公司技術(shù)中心做出決定，對提升機實施變頻調(diào)速改造，利用在機械行業(yè)中廣泛使用的自整角機來作為控制變頻器的速度給定。自整角機是通過角位移變送器輸出模擬量信號，操作工人搬動提升機操縱桿的角度，角位移變送器輸出相應(yīng)大小的模擬量信號，由此控制變頻器運行頻率，進(jìn)而控制提升的運行速度。這種操作方式還可用變頻器多段速控制，提升機只能在這幾種速度下運行。而角位移變送器輸出的是連續(xù)的角位移變送器輸出模擬量信號，理論上提升機可在任意速度下運行，操作起來會方便一些，且與原操作習(xí)慣相似，操作工人容易掌握。

自整角機選擇北京飛博爾電子有限公生產(chǎn)的FB900C系列角位變送器。其主要特點是：高精度，可在一圈內(nèi)輸出256-65536個絕對碼；無溫漂、時漂；可以測量高達(dá)3萬圈；高可靠性：傳感器的絕對位置和可靠的軟件計圈技術(shù)，保證了其高度可靠性；且沒有光電碼盤的易損、易受干擾之缺點；自整角機使用方便：即插即用，無須調(diào)整傳感器的零位，模塊與傳感器之間只需5根線，接線方便；功能強：該變送器即可以測量角度，也可以測量位置，具有角度與位置隨意變換之功能。變送器具有的所有功能都由FB900C編程器設(shè)定。

變頻器選用希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SB70G280高性能系列矢量控制變頻器，變頻器主要特點是：集成高精度轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制算法，具有250%瞬時轉(zhuǎn)矩控制能力，實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很高的精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運行；獨創(chuàng)的多模式PLC運行功能，特別適合工業(yè)制造設(shè)備等應(yīng)用；實用的多段速功能：提供編碼、直接、疊加和個數(shù)選擇方式；強大的PID功能等；具備強大的編程功能，用戶可自定義內(nèi)部I/O模塊；轉(zhuǎn)差補償，AVR自動穩(wěn)壓功能。模擬量輸入可設(shè)置為10V，當(dāng)模擬量輸入信號由正變到負(fù)時，電機運轉(zhuǎn)方向也隨之改變，反之亦然。在自整角機上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，使操縱桿從中心零位開始往前輸出正信號，往后輸出負(fù)信號，這會給使用上帶來方便。

三、方案實施

斜井提升負(fù)載特性是摩擦性位能負(fù)載，屬恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。提升機帶五個斗，裝滿物料沿斜面起動上行時，電機的轉(zhuǎn)矩要克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)力矩和摩擦力，逐漸加速到全速運行，快到井口時，要逐漸減速。為提高效率，上行加速段和減速段的時間要盡量短，上行加速的時間可適當(dāng)加大矢量控制變頻器的容量來保證，由于負(fù)載重慣性大，當(dāng)要求減速時間短時，上行的減速過程中有再生能量產(chǎn)生，會使變頻器直流側(cè)電壓升高而“過壓”，為此，需要用能耗制動單元加制動電阻或回饋單元處理再生能量；在下放過程中，提升機帶的已經(jīng)是空斗了，但在快速下放的過程仍有再生能量產(chǎn)生，也需要處理再生能量。

原系統(tǒng)電機是185kW的6極繞線式電機，在平時工作電流在280-380A，為保證安全，提升機上行或下行起動時，是要加制動的，起動完成后一瞬間再松開制動。在這種情況下運行電流有時候會超過電機額定電流，達(dá)到400多安培。變頻調(diào)速后，提升機上行或下行起動時，仍是要加制動的，變頻器輸出頻率到0.3Hz有足夠大的力矩時再松開制動。盡管0.3Hz以下電機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，但由于輸出頻率低，輸出電壓也低，電機不會過流。在生產(chǎn)中，裝載的物料有時可能會超載，考慮重載加速時間短，選型時變頻器容量需要加大，本例變頻器為280kW，這樣有利于電機在過載時候變頻器有足夠的過載能力。

原有提升機系統(tǒng)的改造按以下幾個步驟進(jìn)行：

（1）變頻系統(tǒng)操作時和原來工頻系統(tǒng)在設(shè)備狀態(tài)上有所不同，在提升機控制臺上有個凸輪控制器，（其作用是利用控制器的多接點當(dāng)作提升機的檔位控制接觸器，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電阻的阻值大小，對應(yīng)低高速檔。）除開油路部分的控制觸點以外的所有接點彈簧全部已被去掉，這樣有利于在使用角位控制時候減少操作阻力。

（2）再將繞線式電機的轉(zhuǎn)子繞組全部短接。

（3）利用原來的凸輪控制器，在凸輪控制器的后方軸上安裝自整角機，與凸輪控制器的中心軸同心，這樣利用原來上升和下放的操作模式。對應(yīng)凸輪控制器的正負(fù)角度，分別角度是108°和-108°，自整角機把這個角位信號以脈沖形式送給角位變送器，角位變送器再根據(jù)正負(fù)角度對應(yīng)輸出+108°與-108°時的+10V和-10V的模擬電壓信號，變頻器接收±10V作為正反轉(zhuǎn)運行信號。

（4）利用原凸輪控制器控制制動油路系統(tǒng)，在凸輪控制器上中心點到相對應(yīng)兩邊第一個觸頭須使用。度過兩邊的觸點后，隨著操縱桿的推動平滑地過渡到108°。在操縱桿未打到油路系統(tǒng)觸點時，自整角機已經(jīng)識別到角位的變化，對應(yīng)角位變送器就會有正負(fù)電壓的輸出，因為在油路系統(tǒng)未打開之前變頻器是有很低的頻率輸出（0～0.3Hz）。油路未打開剎車系統(tǒng)就處于制動狀態(tài)，通過變頻器內(nèi)部的邏輯單元、算術(shù)單元和比較器等相關(guān)功能進(jìn)行設(shè)置，過渡了兩個接觸點的清零位置，使得在操縱桿在過油路觸點時候變頻器在0.2Hz以下運行，得到非常好的控制效果。

變頻器的參數(shù)設(shè)置：

針對變頻器在本系統(tǒng)上的應(yīng)用，我們對這臺變頻器設(shè)置了

以下參數(shù)。

以上為變頻器設(shè)置的基本參數(shù)，其中電動機參數(shù)欄FA-01至FA-05必須按照電機銘牌上的標(biāo)示進(jìn)行輸入，當(dāng)輸入完電機參數(shù)后，要把F0-01設(shè)置為0；F0-02設(shè)置為0；然后把FA-00設(shè)置為11，為電機靜止自整定狀態(tài)，然后對電機進(jìn)行檢測，變頻器對電機檢測完畢后將F0-01和F0-02的設(shè)置改為7和1，變頻器就將控制轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠啃盘枂雍涂刂啤?/span>

工頻系統(tǒng)的操作：

當(dāng)變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，可將該系統(tǒng)還原到原來的工頻系統(tǒng)工作，切換到工頻系統(tǒng)后要做的工作有以下幾方面：斷掉系統(tǒng)總電源后，將繞線式電機的轉(zhuǎn)子接線還原，連接工頻輸出端。然后再將絞車控制臺下方的凸輪控制器觸點彈簧全部安裝還原，這時工頻系統(tǒng)就恢復(fù)到未改變頻裝置之前一樣，提升機操作工可繼續(xù)按照原來工頻系統(tǒng)操作習(xí)慣進(jìn)行控制。

四、節(jié)能計算

目前國內(nèi)各類礦山等提升機大都采用交流繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻方式調(diào)速方案，使用交流接觸器改變轉(zhuǎn)子電阻來進(jìn)行速度段的切換。對于繞線式電機，無論在起動?制動還是調(diào)速中，采用轉(zhuǎn)子串電阻方式均會帶來電能損耗。這種損耗隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率S的增大而增大。繞線式電機的功率關(guān)系為：

上式中：若S=0.5時，電磁功率就有一半的功耗消耗在轉(zhuǎn)子的電阻上，調(diào)速系統(tǒng)效率非常低，只有50%左右。本例中，據(jù)測算提升機有30%的時間運行在低速段，節(jié)能率在24.5%左右，經(jīng)濟效益十分顯著。

并且，原系統(tǒng)經(jīng)常故障，主要是交流接觸器觸頭頻繁閉合和斷開，容易造成觸點及線圈的燒毀，經(jīng)常維護(hù)電氣部分的接觸器、電機的碳刷與機械部分的剎車裝置等。變頻調(diào)速改造后，基本上無故障，大大地減少停工損失，產(chǎn)生的效益也不可小視。

5、結(jié)束語

傳統(tǒng)繞線式電機采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在礦井提升機上使用較多。轉(zhuǎn)子串的電阻上消耗了大量的轉(zhuǎn)差功率，速度在越低時消耗的轉(zhuǎn)差功率就越大，相對浪費的電能就越多。使用變頻器調(diào)速后，沒有轉(zhuǎn)差率的消耗，功率因數(shù)也有提高，節(jié)能非常顯著。變頻調(diào)速控制方案，推動了提升機電氣控制技術(shù)的進(jìn)步，完全滿足吊車的軟啟動、軟停車、無沖擊、平滑調(diào)速功能，有效降低系統(tǒng)的能耗及機械的維護(hù)成本，延長機械的使用壽命。