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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，提升機系統用作提升礦物料及設備等。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，提升機占有非常重要的地位。采礦生產(chǎn)是24小時(shí)連續作業(yè)的，即使故障停機維護也會(huì )給生產(chǎn)帶來(lái)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(gè)國營(yíng)采礦單位，所用的礦井提升機系統采用傳統的繞線(xiàn)式電機轉子串電阻調速。電機是185kW繞線(xiàn)式6極電機，通過(guò)轉子串電阻方式進(jìn)行多檔位切換調速。由于電器控制系統先天不足，經(jīng)過(guò)多年的運行，經(jīng)常出現故障停車(chē)，嚴重影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。在采礦生產(chǎn)中，設備的安全可靠運行顯得特別重要，為提高設備的可靠性，礦用提升機的技術(shù)改造非常必要。

變頻調速是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興的交流電機調速技術(shù)，利用改變被控制對象的電源頻率，可實(shí)現了交流電動(dòng)機大范圍無(wú)極平滑調速，并在運行過(guò)程中能隨時(shí)根據用戶(hù)的需求調整速度，使提升機始終處于最佳運行狀態(tài)，在整個(gè)調速范圍內均有很高的效率，節能效果很明顯。采用變頻器對異步電動(dòng)機進(jìn)行調速控制，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用。

二、改造方案

通過(guò)調研與論證，結合本公司礦井提升的現場(chǎng)實(shí)際情況，最終我公司技術(shù)中心做出決定，對提升機實(shí)施變頻調速改造，利用在機械行業(yè)中廣泛使用的自整角機來(lái)作為控制變頻器的速度給定。自整角機是通過(guò)角位移變送器輸出模擬量信號，操作工人搬動(dòng)提升機操縱桿的角度，角位移變送器輸出相應大小的模擬量信號，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(lái)會(huì )方便一些，且與原操作習慣相似，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(diǎn)是：高精度，可在一圈內輸出256-65536個(gè)絕對碼；無(wú)溫漂、時(shí)漂；可以測量高達3萬(wàn)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(méi)有光電碼盤(pán)的易損、易受干擾之缺點(diǎn)；自整角機使用方便：即插即用，無(wú)須調整傳感器的零位，模塊與傳感器之間只需5根線(xiàn)，接線(xiàn)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(diǎn)是：集成高精度轉子磁場(chǎng)定向矢量控制算法，具有250%瞬時(shí)轉矩控制能力，實(shí)現轉矩的快速響應和準確控制，能以很高的精度進(jìn)行寬范圍的調速運行；獨創(chuàng )的多模式PLC運行功能，特別適合工業(yè)制造設備等應用；實(shí)用的多段速功能：提供編碼、直接、疊加和個(gè)數選擇方式；強大的PID功能等；具備強大的編程功能，用戶(hù)可自定義內部I/O模塊；轉差補償，AVR自動(dòng)穩壓功能。模擬量輸入可設置為10V，當模擬量輸入信號由正變到負時(shí)，電機運轉方向也隨之改變，反之亦然。在自整角機上設置相應的參數，使操縱桿從中心零位開(kāi)始往前輸出正信號，往后輸出負信號，這會(huì )給使用上帶來(lái)方便。

三、方案實(shí)施

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

原系統電機是185kW的6極繞線(xiàn)式電機，在平時(shí)工作電流在280-380A，為保證安全，提升機上行或下行起動(dòng)時(shí)，是要加制動(dòng)的，起動(dòng)完成后一瞬間再松開(kāi)制動(dòng)。在這種情況下運行電流有時(shí)候會(huì )超過(guò)電機額定電流，達到400多安培。變頻調速后，提升機上行或下行起動(dòng)時(shí)，仍是要加制動(dòng)的，變頻器輸出頻率到0.3Hz有足夠大的力矩時(shí)再松開(kāi)制動(dòng)。盡管0.3Hz以下電機處于堵轉狀態(tài)，但由于輸出頻率低，輸出電壓也低，電機不會(huì )過(guò)流。在生產(chǎn)中，裝載的物料有時(shí)可能會(huì )超載，考慮重載加速時(shí)間短，選型時(shí)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(guò)載時(shí)候變頻器有足夠的過(guò)載能力。

原有提升機系統的改造按以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：

（1）變頻系統操作時(shí)和原來(lái)工頻系統在設備狀態(tài)上有所不同，在提升機控制臺上有個(gè)凸輪控制器，（其作用是利用控制器的多接點(diǎn)當作提升機的檔位控制接觸器，調節轉子電阻的阻值大小，對應低高速檔。）除開(kāi)油路部分的控制觸點(diǎn)以外的所有接點(diǎn)彈簧全部已被去掉，這樣有利于在使用角位控制時(shí)候減少操作阻力。

（2）再將繞線(xiàn)式電機的轉子繞組全部短接。

（3）利用原來(lái)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(lái)上升和下放的操作模式。對應凸輪控制器的正負角度，分別角度是108°和-108°，自整角機把這個(gè)角位信號以脈沖形式送給角位變送器，角位變送器再根據正負角度對應輸出+108°與-108°時(shí)的+10V和-10V的模擬電壓信號，變頻器接收±10V作為正反轉運行信號。

（4）利用原凸輪控制器控制制動(dòng)油路系統，在凸輪控制器上中心點(diǎn)到相對應兩邊第一個(gè)觸頭須使用。度過(guò)兩邊的觸點(diǎn)后，隨著(zhù)操縱桿的推動(dòng)平滑地過(guò)渡到108°。在操縱桿未打到油路系統觸點(diǎn)時(shí)，自整角機已經(jīng)識別到角位的變化，對應角位變送器就會(huì )有正負電壓的輸出，因為在油路系統未打開(kāi)之前變頻器是有很低的頻率輸出（0～0.3Hz）。油路未打開(kāi)剎車(chē)系統就處于制動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)變頻器內部的邏輯單元、算術(shù)單元和比較器等相關(guān)功能進(jìn)行設置，過(guò)渡了兩個(gè)接觸點(diǎn)的清零位置，使得在操縱桿在過(guò)油路觸點(diǎn)時(shí)候變頻器在0.2Hz以下運行，得到非常好的控制效果。

變頻器的參數設置：

針對變頻器在本系統上的應用，我們對這臺變頻器設置了

以下參數。

以上為變頻器設置的基本參數，其中電動(dòng)機參數欄FA-01至FA-05必須按照電機銘牌上的標示進(jìn)行輸入，當輸入完電機參數后，要把F0-01設置為0；F0-02設置為0；然后把FA-00設置為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的設置改為7和1，變頻器就將控制轉變?yōu)橥獠啃盘枂?dòng)和控制。

工頻系統的操作：

當變頻系統出現故障時(shí)，可將該系統還原到原來(lái)的工頻系統工作，切換到工頻系統后要做的工作有以下幾方面：斷掉系統總電源后，將繞線(xiàn)式電機的轉子接線(xiàn)還原，連接工頻輸出端。然后再將絞車(chē)控制臺下方的凸輪控制器觸點(diǎn)彈簧全部安裝還原，這時(shí)工頻系統就恢復到未改變頻裝置之前一樣，提升機操作工可繼續按照原來(lái)工頻系統操作習慣進(jìn)行控制。

四、節能計算

目前國內各類(lèi)礦山等提升機大都采用交流繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機轉子串電阻方式調速方案，使用交流接觸器改變轉子電阻來(lái)進(jìn)行速度段的切換。對于繞線(xiàn)式電機，無(wú)論在起動(dòng)?制動(dòng)還是調速中，采用轉子串電阻方式均會(huì )帶來(lái)電能損耗。這種損耗隨著(zhù)轉速的降低，轉差率S的增大而增大。繞線(xiàn)式電機的功率關(guān)系為：

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

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

5、結束語(yǔ)

傳統繞線(xiàn)式電機采用轉子串電阻調速方式，在礦井提升機上使用較多。轉子串的電阻上消耗了大量的轉差功率，速度在越低時(shí)消耗的轉差功率就越大，相對浪費的電能就越多。使用變頻器調速后，沒(méi)有轉差率的消耗，功率因數也有提高，節能非常顯著(zhù)。變頻調速控制方案，推動(dòng)了提升機電氣控制技術(shù)的進(jìn)步，完全滿(mǎn)足吊車(chē)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、無(wú)沖擊、平滑調速功能，有效降低系統的能耗及機械的維護成本，延長(cháng)機械的使用壽命。