一、概況

    礦井提升機是煤礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。某煤礦井下采煤，采好的煤通過斜井用提升機將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機，由電動機經減速器帶動卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周，其兩端分別掛上一列煤車車廂，在電動機的驅動下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負載的作用，任何時候總有一列重車上行，不會出現空行程，電動機總是處于電動狀態。這種拖動系統要求電動機頻繁的正、反轉啟動，減速制動，而且電動機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的機械結構示意如圖13 -3所示。斜井提升機的動力由繞線式電動機提供，采用轉子串電阻調速。提升機的基本參數是：電動機功率55kW，卷簡直徑1200mm，減速器減速比為24：1，最高運行速度2.5m／s，鋼絲繩長度為120m。

    圖13-3    提升機卷筒機械傳動系統結構示意圖

    目前，大多數中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統斜井提升機普遍采用交流繞線式電動機串電阻調速系統，電阻的投切用繼電器一交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸點易氧化，引發設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的啟動、調速和制動，在轉子外電路所串電阻上產生相當大的功耗。這種交流繞線式電動機串電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差；低速時機械特性較軟；電阻上消耗的轉差功率大，節能較差；啟動過程和調速換擋過程中電流沖擊大；中高速運行振動大，安全性較差。

    二、改造方案

    為克服傳統交流繞線式電動機串電阻調速系統的缺點，采用變頻調速技術改造提升機，可以實現全頻率(0～50Hz)范圍內的恒轉矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機械制動需要保留，并在設計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調速方案如圖13 -4所示。

    考慮到繞線式電動機比籠型電動機的力矩大，且過載能力強，所以仍用原來的4極55kW繞線式電動機，在用變頻器驅動時需將轉子三根引出線短接。提升機在運行過程中，井下和井口必須用信號進行聯絡，信號未經確認，提升機不運行。

    圖13-4    礦井提升機變頻調速方案

    三、方案實施

    斜井提升負載是典型的摩擦性負載，即恒轉矩特性負載。重車上行時，電動機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，啟動時還要克服一定的靜摩擦力矩，電動機處于電動工作狀態。在重車減速時，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電動機仍會處于再生狀態。當另一列重車上行時，電動機處于反向電動狀態。另外，有占總運行時間10%的時候單獨運送工具或器材到井下時，此時電動機長時間處于再生發電狀態，需要進行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能；用回饋制動方式，可節省這部分電能。但是，回饋制動單元的價格較高，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。

    提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，啟動力矩較大，選用變頻器時適當地留有余量，因此，選用三菱75kW變頻器。由于提升機電動機絕大部分時間都處于電動狀態，僅在少數時間有再生能量產生，變頻器接入一制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實現平穩的下行。井口還有一個液壓機械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC和變頻器共同控制，機械制動是否制動受變頻器頻率到達端口的控制，啟動時當變頻器的輸出頻率達到設定值，如1Hz時，變頻器SU、SE端口輸出信號，表示電動機轉矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行；減速過程中，當變頻器的頻率下降到1Hz時，表示電動機轉矩已較小，液壓機械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用，使提升機在盡量短的時間內停車。

    提升機傳統的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電動機正、反轉和三擋速度。為適應操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設置，STF、STR控制正反轉，RH、RM、RL為三段速度。變頻調速接線圖如圖13 -5所示。

    圖13-5    PLC、變頻調速接線圖

    四、提升機工作過程

    提升機經過變頻調速改造后，操縱桿控制電動機正反轉三段速度。不管電動機正轉還是反轉，都是從礦井中將煤拖到地面上來，電動機工作在正轉和反轉電動狀態，只有在滿載拖車快接近井口時，需要減速并制動，提升機工作時序圖如圖13-6所示。

    圖13 -6    提升機工作時序圖

    圖13 -6中，提升機無論正轉、反轉，其工作過程是相同的，都有啟動、加速、中速運行、穩定運行、減速、低速運行、制動停車等7個階段。每提升一次運行的時間，與系統的運行速度，加速度及斜井的深度有關，各段加速度的大小，根據工藝情況確定，運行的時間由操作工人根據現場的狀況自定。圖中各個階段的工作情況說明如下：

    (1)第一階段0～t1：車廂在井底工作面裝滿煤后，發一個聯絡信號給井口提升機操作工人，操作工人再回復一個信號到井底，然后開機提升。重車從井底開始上行，空車同時在井口車場位置開始下行。

    (2)第二階段t1～t2：重車啟動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運行，中速運行的時間較短，只是一過渡段，加速時間內設備如果沒有問題，立即再加速到正常運行速度。

    (3)第三階段t2～t3：再加速段。

    (4)第四階段t3～t4：重車以變頻器頻率為f3的最大速度穩定運行，一般這段過程最長。

    (5)第五階段t4～t5：操作工人看到重車快到井口時立即減速，如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。

    (6)第六階段t5～t6：重車減速到低速以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規定的位置停車。

    (7)第七階段t6～t7：快到停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發一個聯絡信號到井下，整個提升過程結束。

    圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設置。以上為人工控制方式，也可由PLC來進行過程的自動控制。

    五、PLC控制程序

    PLC控制程序如圖13 -7所示。

    圖13-7    PLC控制程序

    繞線式電動機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。提升機絕大部分時間都處在電動狀態，節能十分顯著，經統計節能30%以上，取得了很好的經濟效益。另外，提升機變頻調速后，系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經濟效益也很可觀。