煤矿主井提升机系统分析研究

2020-12-31

凿岩机械气动工具 2020年4期

（霍州煤电集团回坡底煤矿，山西洪洞041600）

0 引言

矿井提升系统直接影响着工作人员的生命安全和运输效率[1]，主井提升系统是煤炭运输的直接途径，也是矿井创造效益的重要环节，主井提升系统的智能化、数字化已成为提升系统发展的主要方向[2，3]。为此，不少学者进行了研究，基于PLC 的主井提升控制系统实现了智能化控制，但是变频调速功耗较大，长时间应用下容易出现精度差的缺点[4-6]。本文根据回坡底煤矿主井提升系统的运行，对提升系统进行了全面优化，实现智能化、数字化的同时，减少了能耗，经济效益良好，为其它矿井提升系统的改造提供了重要参考。

1 主提升机系统概况

回坡底煤矿目前使用的为SIEMAG4×4型主提升机，提升机的最大提升高度为530 m，提升速度可达到11 m/s，提升机系统的运行通过变频调速系统实现，调速系统的主回路通过并联连接的反相变流器组成，其中星形连接的变流器可为电机运行提供电压以及幅值，虽然实现了调速的目的，但是却存在以下弊端：

（1）并联的反相变流器主要由晶闸管构成，晶闸管数量众多，结构复杂，因此控制功能较难实现；

（2）并联的反相变流器可以输出的最大功率为20 Hz，系统运行时发热严重，不宜长时间工作；

（3）提升机运行年份较长，设备老化明显，运行稳定性下降，较高的故障率增加了设备维护的费用；

（4）提升机变频调速的功率因数在0.56-0.75之间，对电路系统冲击较大，不仅影响安全生产，对周围通讯设备的正常运行造成干扰；

（5）设备在运行过程中故障较多，且无法实现故障的准确定位，增加了维修的难度，影响了生产的正常进行。

基于上述问题，必须对矿井主提升机系统进行优化改进，保证系统运行的稳定性。

2 解决方案

2.1 变频器系统优化研究

对变频器系统进行优化，需对变频调速系统进行改进。原变频控制系统采用交-交的方式进行控制，处理器运行速度以及计算能力较低。矢量控制的核心是在较短的时间内完成数据的采集和处理，同时进行数据的输入输出以及调节等工作，本文采用交-直-交的方式进行矢量控制，该控制方法对系统要求较高。系统采用多板卡多总线结构，系统卡板的核心是中央处理单元，中央处理单元实图如图1所示。此外，脉冲处理单元、电源管理单元以及辅助处理单元等共同构成了卡板。其中，电源处理单元主要负责系统运行时电流、电压的监测，及时发现电路故障，保证供电线路系统的稳定性。

中央处理器的功能如下：

（1）中央处理器是系统协同运算实现的关键，同时，为电机运行提供足够的电流和转矩；

（2）中央处理器可以实现功率和数据的交换，实现功率和变换单元的控制，实现功率数据和电流数据的传送；

（3）中央处理器实现状态字和控制字之间的传输，这一功能的实现依赖于上位机和总线数据的交换。

2.2 双独立电控总体设计方案

系统设计总方案如下：

（1）将原来流变器、高压柜、电控柜、低压柜以及励磁变压器等组成的电控系统全部拆除；

（2）将6台高压柜、7台电控柜、2台流变器以及励磁变压器等组成的变频调速系统进行安装，实现了全数字化的变频调速功能，同时两套变频调速系统之间实现了信号的转化，可以随意进行切换；

（3）两套系统中各安装一套闸控系统和控制系统；

（4）保留原有的辅助变压器和绕组切换柜，同时增加一台低压电压柜；

（5）原有系统中只有一套润滑系统，现增设一套润滑系统，用于风机、风机电机和油泵电机的冷却。控制器直接加入电控系统中，对系统运行中的温度、油温、压力以及设备运行状态等通过上位机显示，实现实时监控、及时预警。

图2为双电机绕组切换示意图，从图中可以看出，切换刀闸K1 和切换刀闸K4 连接，同时转接Ⅰ系统和Ⅱ系统，切换刀闸K2 和切换刀闸K3连接，同时转接Ⅰ系统和Ⅱ系统，Ⅰ系统和Ⅱ系统变流柜的电压值为1500 V，电流值为1000 A，这种双绕组电机可以通过单桥或全桥的方式对刀闸进行控制，具体控制方法如下。

（1）全载全速控制方式：刀闸K1切换0-1，刀闸K2切换0-1，刀闸K3切换0-2，刀闸K4切换0-2，使两个变流柜同时运行。

图2 双电机绕组切换示意图

（2）绕组1# 全载半速控制方式：刀闸K1切换0-1，刀闸K2切换0-2，刀闸K3切换0-1，刀闸K4切换0-2，两个系统同时运行，使变流柜1运行。

（3）绕组2# 全载半速控制方式：刀闸K1切换0-2，刀闸K2切换0-1，刀闸K3切换0-2，刀闸K4切换0-1，两个系统同时运行，使变流柜2运行。

图3为转子励磁绕组和冷却风机切换示意图。从图中可以看出，转子励磁绕组的切换通过转接刀闸K3 控制，转接刀闸K3 通过与转接I系统和II系统的连接实现励磁整流柜的控制。冷却风机的切换通过转接刀闸K4 控制，转接刀闸K4通过与转接I系统和II系统的连接实现冷却风机电源的控制。其中转子励磁绕组的额定电压为100 V，额定电流为1000 A；冷却风机的额定电压为380 V，额定电流为100 A。

图3 转子励磁绕组和冷却风机切换示意图

3 应用效果分析

设备安装调试成功后，现场进行实际应用，通过上位机的显示功能，得到图4所示的主提升机系统实际运行数据及参数显示。根据图中显示的参数，可知主提升机运行正常。实际运行过程中，系统运行稳定、噪音较小、振动小，未发现任何故障，满足安全生产标准。

对改进后的主提升机系统进行经济效益分析，

根据回坡底煤矿实际开采状况，提升机每天工作约21小时，每次可多提升20 吨煤，每年工作时间按照300 天计算，每吨原煤按照400元计算，共可创造0.501 亿元收益。改进后的提升系统减少了设备零件的维护费用，按照往年经验，每年维护费用约20万元，设备维持员工费用20万元，此次更换设备共花费80万元，但是维修和工作人员的费用共计10万元，可见经济效益良好。此外，改进后的主提升系统消除了无功冲击和谐波的干扰，实现了无功补偿，减少了无功补偿花费的费用，提高了系统运行的稳定性；主提升机实现了全自动化操作，减少人员的投入，实现了高效提升，全数字化的监测实现了实时监测，工作人员可根据上位机显示的数据了解设备运行情况，及时对故障系统做出反应。