高云龙

（山西乡宁焦煤集团惠源焦煤有限公司，山西 乡宁 042100）

引言

刮板输送机、提升机以及带式输送机等均为煤矿生产的关键运输设备，对于上述设备而言其电控系统的稳定性和安全性直接决定综采工作面的运输能力，继而影响整个煤矿的生产能力。经实践应用及调研可知，提升机传统电控系统存在故障率高、线路老化严重、系统能耗较大、维护困难以及维护成本高等缺陷[1]，因此，为满足当前煤矿综采工作面高效开采现状，需从根本上提高提升机的运输能力和运输效率。本文将从提升机电气控制系统着手将传统电控系统改进为直流调速系统。

1 提升机电控系统的设计要求

根据《煤炭安全规程》的相关要求，要求提升机电气控制系统对设备的速度控制曲线满足生产要求。因此，对提升机电气控制系统提出如下要求：

1）提升机能够根据其实时负载进行电动或者制动状态的控制，即其满足四象限运行的能力；

2）要求提升机电气控制系统能够实现平滑调速，并根据运输对象的不同进行分等级运输，且要求其具有较高的提升能力；

简单地说，对提升机传统电气控制系统的改造，主要目的是对提升机速度控制功能进行优化，对其自适应速度控制提出更高的要求，在保证其在实时载荷下正常工作的同时，达到降低能耗、平稳调速的目的，并且改造后提升机电气控制系统的维护成本可以降低。在当前多种调速方式优劣势的综合比对下，本文拟采用直流调速系统对传统电控系统进行升级改造。

2 提升机直流调速系统的设计

基于直流调速系统实现提升机速度与电流的双闭环控制，以达到对提升速度控制的精确性和稳定性。本文所采用直流调速系统的核心装置为全数字化直流调速装置，该装置可根据现场情况对提升参数进行设定；根据提升参数的采集完成对给定值和反馈的设定，其中可采用模拟量和数字量同时对输入量进行设置；具有较高的检测精度；基于全数字化直流调速装置在实现其与其他调速装置进行通信的要求外，还可与上位机和PLC控制器等实现通信；基于全数字化直流调速装置可实现对提升机系统运行参数的状态显示、监控以及报警等功能[2]。

2.1 主回路设计

针对提升机直流调速系统的控制需求，本文所选择的全数字直流调速装置的具体系列为DCS系列，且为实现其四象限调速控制功能，最终所选全数字直流调速装置的系列为DCS600。DCS600系列根据其容量的不同可分为多种类型，对于调速装置的容量需根据相关的电机参数进行计算所得。经研究可知，当提升机处于下放状态时，系统所需转矩最大，对应电机的电流值也越大[3]。因此，本文以提升机下放额定负载时的工况完成对调速装置容量的选择。

调速装置额定容量的计算公式如式（1）所示：

式中：SB为全数字直流调速装置的容量；IB为提升机电机的额定电流，取0.812 kA；UB为提升机的三相额定电压值，取400 V。

经计算可得，全数字直流调速装置的额定容量为562 kVA。也就是说，为全数字调速装置所配置变压器的容量不得小于562 kVA。为保证DCS600系列直流调速控制的稳定运行，需为其配置相应的直流调速回路，与其对应的装置包括有电枢整流装置和励磁整流装置，其关键指标如下页表1所示。

提升机直流调速系统的控制依据是对提升机运行状态的监测结果。因此，需为提升机调速系统配置对其运行状态监测的控制回路，包括有对不同负载工况下的实时电流监测，对提升机井筒位置的实时监测；对提升机提升或者下放工况时液压系统的油压和残压的监测。在多次试验的基础上，得出不同提升速度下对应的输出电压值，如表2所示。

表1 DCS600系列全数字直流调速装置相匹配的整流装置参数

表2 提升机电机输出电压与井筒速度之间的关系

2.2 直流调速系统的调试

针对提升机的实际生产需求，为保证所设计直流调速系统能够满足实际运输的需求，对励磁电流环、电枢电流环以及速度环等几个环节进行调试。

2.2.1 励磁电流环的调试结果

励磁电流环的主要功能是将380 V的交流电压转换为可适用于直流调速系统的直流电压，具体转换流程如下：380 V交流电压—220 V交流电压—220 V直流电压；经转换后，220 V直流电压对应的电流值为21 A。

针对励磁电流环的调试，本系统采用比例积分控制方式进行。为保证对系统励磁电流平滑控制，并且能够在第一时间完成对励磁电流环的调节，最终确定最佳比例环节系数为300，最佳积分环节系数为2 000。

2.2.2 电枢电流环的调试结果

电枢电流环调试的主要任务是对提升机传动系统的基本参数进行整定。同样，电枢电流环调试的对象为三相电压，并采用比例积分控制方式对电枢电流环进行调试[4]。为保证电枢电流环控制下的超调量和换向速度可满足提升机的生产需求，最终确定最佳比例环节系数为388，最佳积分环节系数为1 000。

2.2.3 速度环的调试

提升机速度环的调试为直流调速系统的关键环节，其主要确保电气控制系统能够根据实时负载并结合节能控制需求对提升机下放或者提升速度进行平稳控制，并保证提升机速度调整的快速响应控制。在励磁电流环和电枢电流环调试结果上，对空载低速运行、空载加速运行以及带负载加速运行三种工况下的速度环进行调整。

综合提升机直流调速系统的平滑控制、较小超调量的需求，同样采用比例积分控制方式进行调试。最终确定的最佳比例环节系数为13.8，最佳积分环节系数为3 800。

3 直流调速系统应用效果分析

本文针对提升机传统电气控制系统的能耗大、维护困难且维护成本高的问题，采用“2”中的思路对该矿提升机电气控制系统进行升级改造，尤其是根据速度调速控制对应的系数进行综合确定[5]。

目前，该矿提升机每天工作时长为14 h（每年300 d），其余10 h的时间为空载运行状态。提升机对应电机的额定功率为450 kW。经对提升机进行直流调速改造后，系统从节能角度分析具备如下优势：

1）当提升机处于空载运行状态时，其对应的电流值为额定电流值的20%，对应所减少的能耗为450 kW×10 h×300×20%=270 000 kWh。

2）在励磁电流环的作用下，系统可省去励磁，从而达到节能的效果。在改造前的励磁功率为16 kW，则可减少的能耗：16 kW×24 h×300=115 200 kWh。

3）基于直流调速控制系统对应电压转换效率可提升8%，且平均功率为电机额定功率的40%，则可减少的能耗：450 kW×40%×8%×24 h×300 d=1 036 80 kWh。

综上所述，经对提升机电控系统进行直流调速改造后每年可节约能耗为：270 000 kWh+115 200 kWh+103 680 kWh=488 880 kWh。

按照1元/kWh的工业用电电价计算，则每年可节约成本约为49万元。

4 结论

1）采用DCS600系列的直流调速装置为核心实现对传统电气控制系统的改造；

2）为直流调速系统配置励磁电流环、电枢电流环以及速度控制的控制环节，并得出最佳控制策略；

3）经实践表明，采用直流调速装置后提升系统可在三方面达到减少能耗的目的，并且每年可节约成本约为49万元。