副斜井提升机电气系统改造探讨

连红飞

(潞安矿业集团 王庄煤矿,山西 长治 046031)

0 引言

王庄煤矿副斜井提升系统建成于20世纪60年代，安装有一台单绳缠绕式双滚筒矿井提升机，担负着物料上下井的提升任务，其采用交流绕线电机转子串电阻电气控制系统的方式。在日常生产过程中，出现了如下问题：①主电机启动电流达到400 A以上仍不能正常启动，此种情况虽然不是频繁出现，但已经严重影响到安全生产；②上下支架等大型设备时，为了保证提升系统的安全，避免车辆掉道造成事故，需选用微拖系统进行低速提升，微拖系统的最大速度为0.5 m/s，由于井筒斜长为487 m，提升一组大型液压支架约需要16 min～18 min，生产效率低下，严重制约了矿井的安全高效发展；③现电控系统采用电机转子串电阻电控系统，系统运行时部分能量消耗在电阻上以热能形式散发掉，同时，本系统经常需要下放支架等大型设备，电气制动产生的能量不能收集回馈至电网，造成能源浪费。针对上述问题，本文对煤矿副斜井提升机转子串电阻电控系统的改造方案进行了探讨。

1 副斜井提升系统主要参数

(1)提升机的主要参数如下：

型号： 2JK-2.5/20；

最大静张力(kN)： 101；

最大静张力差(kN)： 56；

井筒斜长(m)： 487；

井筒倾角(°)： 25；

制动装置： 盘式制动闸；

钢丝绳直径(mm)： 30；

绳速(m/s)： 3.8。

(2)主提升电机的主要参数如下：

电机型号： JR138-10；

转速(r/min)： 585；

功率(kW)： 180；

电压(V)： 380；

电流(A)： 346。

2 相关分析

造成主电机启动困难、电流偏大原因有以下几方面：

(1)电控系统采用切换电阻启动，电阻按八段切除，电机的启动过程也要分八个台阶。由于司机手动操作的不规范及系统参数设置出现误差，如果启动过程中一段、二段电阻还没有启动，强行送到三段电阻启动，可能会造成电机转矩瞬间增加，电流冲击过大，导致电源过流跳闸[1]。

(2)由于挂车数量的变化，钢丝绳的弹性伸长、调绳不好等原因，导致下井口矿车已经上坡，上井口的矿车还没有下坡，此时相当于单勾提升，上井口的负载不能起到平衡负荷的作用。这个过程可能很短暂，提升行程只有一两米，但是此时的电机负荷增加很多，往往造成启动困难，甚至过流跳闸。

(3)提升物件偏大，配重偏小，造成张力差偏大。由于提升机为双钩提升，当两码重物不匹配时，可引起两码张力差超过允许值，引起电机电流偏大。

(4)轨道不好、地滚不转、矿车轴承损坏等原因造成矿车运行阻力增大，增加了系统的运行功率。

3 改造方案

根据以上原因分析，决定采用综合性改造方案，既要解决电控系统的问题，又要解决机械系统阻力较大的问题，制定如下改造方案：

3.1 采用变频调速技术对电控系统进行改造

上述原因中，串电阻调速换档产生的电流冲击是问题产生的原因之一，采用变频调速可有效解决此问题。变频调速为无级调速，加减速度可以任意调整，可以实现电动机的软启动、软停车，减少了机械冲击，使系统运行更加平稳可靠；启动及换档时冲击电流小，减轻了对电网的冲击，运行速度曲线为S形，加减速平滑，大大减轻了提升机的加速负荷，相对于串电阻调速电机启动电流变小且平滑；可实现四象限运行，将重物下放产生的能量直接回馈至电网。

此外，变频调速技术可以根据生产实际，在较大范围内调整提升机的运行速度，如提升大型支架需要慢速运行时，可将运行速度调至最高速度的一半左右，即1.5 m/s～2 m/s，可以保证系统运行安全，解决了采用微拖系统0.5 m/s速度提升支架时发生效率低下的问题。矿车在井口或井底需要慢速调车时，变频调速系统也可以实现所需功能，完全可以甩掉微拖系统[2]。

3.2 更换主电机

根据上述原因分析，部分情况下是由于电机拖动力矩不足造成的，即短时间短距离单钩提升和地滚老化不转等引起负载力矩增大，引起电机不能正常启动。据此，除了增加现场的机电管理，尽量保持双钩张力差在合理的范围之内及保证地滚转动灵活之外，需要增加电机的拖动力矩，即更换大功率电机。经计算，选择更换为280 kW的电机。

在变频器的控制下，电机的功率可以有限制地发挥，更换大功率电机没有风险。电机功率加大后，电机转矩的余量充足，更容易应付各种紧急情况。

提升机专用变频电机专门针对提升机负载的特点进行设计，启动转矩大，过载能力强，能与提升机负载很好地配套使用。由于电控系统选用变频系统，电机应选择提升机专用变频电机。

3.3 电控系统参数及功能的选择

3.3.1 变频器

由于电机功率选280 kW，变频器功率应大一到两个等级，即适配功率为315 kW。本文选用西门子6SE70型全数字矿井提升机四象限变频器,交-直-交变频，控制方式为矢量控制，具备能量回馈制动功能。变频器主要参数如下：

额定输入电压：三相AC 380 V；

电压波动范围： -15%～+15%；

额定输入频率： 50 Hz；

输出功率： 315 kW；

输出电压： 三相AC 0 V～380 V；

输出频率： 0 Hz～50 Hz连续可调。

3.3.2 操作台

操作台上设各种工况显示设备。采用INTEL-P4上位监控机配合西门子最新版WinCC6.0监控软件作为人机接口设备，可以观察PLC运行情况，各外部接点动作状态，各模拟量回路状态等，方便维修工作；同时操作台还设有必要的开关量、模拟量的数字显示，其中包括：安全回路指示灯，油压数字显示液压表，减速、故障声光报警显示，高压、低压电压表、电流表等。

3.3.3 控制部分

控制操作部分负责整个工艺过程的控制及保护：

(1)采用双PLC控制，其中一台Siemens S7-400型PLC系统担负着整个系统的工艺控制、各种状态监视、限位保护和故障保护的实现。

(2)另一台Siemens S7-400型PLC系统完成后备保护功能，提高系统的安全可靠性。另外为了提高系统的可靠性，采用电气硬件系统与PLC系统共同工作的双系统制、多传感器制、传感器信号线双路制、执行器状态反馈制等可靠性措施，确保系统的可靠运行。

(3)采用数字式PID闭环工作闸速度调节系统，可以通过对工作闸开度的连续控制来调节提升机的速度。PLC数字—模拟量输出和执行元件可靠隔离，可以防止Kt线圈接地造成功放元件损坏。

(4)由Siemens WinCC组成的人机界面，实现工艺参数设定、工艺过程监视的全部工作。

(5)采用完全的现场总线网络通讯设计，主控PLC、后备保护PLC、远程I/O模块、矿井提升机行程计数绝对值编码器等设备都采用现场总线PROFIBUS通讯连接，减少了系统接线，提高了系统可靠性。

3.3.4 系统运行方式

系统运行方式为三种：手动、半自动、检修。

手动操作：司机通过操作台操作手柄控制启车、停车、加速、减速过程。

半自动操作：司机只进行启车、停车时的手柄操作，矿井提升机的加速、等速、减速、爬行阶段由系统自动控制，不需要司机参与。

检修操作：仅限于检修使用，矿井提升机慢速运行，速度一般不超过0.5 m/s。

3.3.5 保护功能

(1)双线制的实现。根据《煤矿安全规程》要求，电控系统必须实现双线制，主要是通过安装于高速侧和低速侧的两套轴编码器来实现。高速侧轴编码器安装于电机非轴伸端，低速侧轴编码器安装于牌坊式深度指示器上。两套轴编码器将矿井提升机的转速和运行位置信号传递到双PLC，与PLC内设定的技术参数进行比较，若超过允许值时，即通过变频器进行调速和通过安全回路进行安全制动[3]。

(2)多种保护功能的实现。通过软件、硬件安全回路，可实现防过卷保护、防过速保护、限速保护、减速保护，以及过负荷、短路、欠压、过压、缺相保护，还有闸瓦间隙保护、松绳保护、深度指示失效保护等多种保护功能。

3.4 信号系统

由于现矿井提升机采用老式信号系统，不安全不可靠，不能实现语音通话。此次改造，需配备安装斜井专用信号系统，实现无线打点、移动通话功能，同时具有上下物料时的固定打点功能。

4 结束语

系统于2015年10月正式进行改造，经过几年来的运转，证明改造是非常成功的，日常运行中没有再出现诸如电流过大不能启动等问题，同时，将下放重物的能量回馈至电网，节能效果明显，效率提高，促进了矿井的安全生产。