1、臺億變頻器在煤礦絞車上的應(yīng)用一、 概況礦井絞車是煤礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。絞車的安全、可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。井下采煤，采好的煤通過斜井用絞車將煤車拖到地面上來。雙滾筒絞車在井口，由電機(jī)經(jīng)減速器帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周，其兩端分別掛上一列煤車車廂，在電機(jī)的驅(qū)動下將裝滿煤的一列車從斜井拖上來，同時(shí)把一列空車從斜井放下去，空車起著平衡負(fù)載的作用，任何時(shí)候總有一列重車上行，不會出現(xiàn)空行程，電機(jī)總是處于電動狀態(tài)。這種拖動系統(tǒng)要求電機(jī)頻繁的正、反轉(zhuǎn)起動，減速制動，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)速有一定規(guī)律變化。斜井絞車的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。斜井絞車的動力由繞線式電機(jī)提供，采用轉(zhuǎn)子串電

2、阻調(diào)速。圖1 絞車卷筒機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井絞車普遍采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器交流接觸器控制。這種控制系統(tǒng)缺點(diǎn)如下：1. 由于調(diào)速過程中交流接觸器動作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。2. 絞車在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準(zhǔn)確。3. 絞車頻繁的起動調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。4. 這種交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；5. 低速時(shí)機(jī)械特性較軟，靜差率較大；6. 電阻上消耗的轉(zhuǎn)差功率大，節(jié)能較差；7. 起動過程和調(diào)速

3、換擋過程中電流沖擊大；8. 中高速運(yùn)行震動大，安全性較差。根據(jù)我公司工程師到貴公司察看結(jié)果，了解到貴公司1.6m絞車采用的是單滾筒，電機(jī)配置為115KW定子額定電流為270A，這種情況不同于雙滾筒絞車，雙滾筒在工作時(shí)，一個煤車上升，一個空車下降，起到一個平衡負(fù)載的作用，而單滾筒則完全靠電機(jī)的動力上升下降，則相對雙滾筒而言，單滾筒負(fù)載更重。絞車正常工作時(shí)，常常是滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至超負(fù)載。二、改造方案 根據(jù)貴公司絞車工作負(fù)載電流大，要求變頻系統(tǒng)具有力矩大，過載能力強(qiáng)等情況，1.6米和2米絞車配置如下，才能滿足要求：1. 350KW臺億TY800矢量變頻器。（1.6米配置臺億TY800系列220KW矢

4、量控制變頻器）為克服傳統(tǒng)交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造絞車，可以實(shí)現(xiàn)全頻率（050Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制。2. 回饋制動單元。對再生能量的處理，可采用節(jié)能顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機(jī)械制動需要保留，并在設(shè)計(jì)過程中對液壓機(jī)械制動和變頻器的制動加以整合。礦井絞車變頻調(diào)速方案如圖2所示：3. PLC，人機(jī)界面。 PLC收集整個系統(tǒng)反饋信號，處理后發(fā)出指令給變頻器等制動元器件，對整個絞車系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，操作臺人機(jī)界面具有人性化設(shè)計(jì)，操作自如。4. 電機(jī)。考慮到繞線式電動機(jī)比鼠籠式電動機(jī)的力矩大，且過載能力強(qiáng)，所以用8極280kW繞線式電機(jī)，在用變頻器驅(qū)動時(shí)需將

5、轉(zhuǎn)子三根引出線短接。5. 旋轉(zhuǎn)編碼器。為顯示運(yùn)行時(shí)車廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉(zhuǎn)編碼器，即電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生40個脈沖，這樣每兩個脈沖對應(yīng)車廂走過的距離為1200。則與實(shí)際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm，卷筒運(yùn)行一圈誤差為0.027，假若鋼絲繩長度為120m，如果兩個脈沖對應(yīng)車廂走過的距離用近似值3.9mm計(jì)算，120m全程誤差為120000。 再考慮到實(shí)際檢測過程中有一個脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm829mm之間，對于數(shù)十米長的車廂來說誤差范圍不到1米，精度足夠。因此，用PLC和觸摸屏實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)，則可計(jì)算出車廂的位置并用顯示器顯

6、示。另外一個問題是計(jì)數(shù)過程中有無累計(jì)誤差存在？實(shí)際檢測時(shí)，在一個提升過程開始前，首先將計(jì)數(shù)器復(fù)位，第一個車廂經(jīng)過某個位置時(shí)，打開計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，車廂在斜井中的位置以此點(diǎn)為基準(zhǔn)計(jì)算，沒有累計(jì)誤差。圖2 礦井絞車變頻調(diào)速方案三、方案實(shí)施 斜井提升負(fù)載是典型的摩擦性負(fù)載，即恒轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載。重車上行時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩必須克服負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩，起動時(shí)還要克服一定的靜摩檫力矩，電機(jī)處于電動工作狀態(tài)，且工作于第 一象限。在重車減速時(shí)，在雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時(shí)間較短，電機(jī)仍會處于再生狀態(tài)，工作于第二象限。當(dāng)另一列重車上行時(shí)，電機(jī)處于反向電動狀態(tài)，工作在第三象限和第四象限。另外，有占總運(yùn)行時(shí)間1

7、0%的時(shí)候單獨(dú)運(yùn)送工具或器材到井下時(shí)，電機(jī)純粹處于第二或第四象限，此時(shí)電機(jī)長時(shí)間處于再生發(fā)電狀態(tài)，需要進(jìn)行有效的制動。用回饋制動方式，可節(jié)省這部分電能。 絞車的負(fù)載特性為恒轉(zhuǎn)矩位能負(fù)載，起動力矩較大，選用變頻器時(shí)適當(dāng)?shù)亓粲杏嗔浚捎诮g車電機(jī)絕大部分時(shí)間都處于電動狀態(tài)，僅在少數(shù)時(shí)間有再生能量產(chǎn)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(shí)的再生制動，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的下行。井口還有一個液壓機(jī)械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時(shí)的 制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機(jī)械制動器制動。液壓機(jī)械制動器受PLC和變頻器共同控制，機(jī)械制動是否制動受變頻器頻率到達(dá)端口的控制， 起動時(shí)當(dāng)變

8、頻器的輸出頻率達(dá)到設(shè)定值，例如0.2Hz，變頻器OF、OP端口輸出信號，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已足夠大，打開液壓機(jī)械制動器，重車可上行；減速過程中，當(dāng)變頻器的頻率下降到0.2Hz時(shí)，表示電機(jī)轉(zhuǎn)矩已較小，液壓機(jī)械制動器制動停車。緊急情況時(shí)，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機(jī)械制動器同時(shí)起作用，使絞車在盡量短的時(shí)間內(nèi)停車。 絞車傳統(tǒng)的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)各五檔速度。為適應(yīng)操作工人這種操作方式，變頻器采用多段速度設(shè)置，S1、S2設(shè)為正反轉(zhuǎn)，S3、S4、S5可設(shè)擋速度。四、絞車工作過程 絞車經(jīng)過變頻調(diào)速改造后，系統(tǒng)的工作過程有很大的變化。操縱桿控制電機(jī)正五擋速

9、度，反轉(zhuǎn)五段速度。不管電機(jī)正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，都是從礦井中將煤拖到地面上來，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)電動狀態(tài)，只有在滿載拖車快接近井口時(shí)，需要減速并制動，絞車工作時(shí)序圖如圖4所示。圖4 絞車工作時(shí)序圖圖 4中，絞車無論正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)其工作過程是相同的，都有起動、加速、中速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、低速運(yùn)行、制動停車等七個階段。每提升一次運(yùn)行的時(shí)間，與系統(tǒng)的運(yùn)行速度，加速度及斜井的深度有關(guān)，各段加速度的大小，根據(jù)工藝情況確定，運(yùn)行的時(shí)間由操作工人根據(jù)現(xiàn)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01：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號給井口絞車操作工人，操作工人在回復(fù)一個信號到井底，

10、然后開機(jī)提升。重車從井底開始上行，空車同時(shí)在井口車場位置開始下行。 （2）第二階段 t1t2：重車起動后，加速到變頻器的頻率為f2速度運(yùn)行，中速運(yùn)行的時(shí)間較短，只是一過渡段，加速時(shí)間內(nèi)設(shè)備如果沒有問題，立即再加速到正常運(yùn)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(wěn)定運(yùn)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(shí)立即減速，如減速時(shí)間設(shè)置較短時(shí)，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 t5t6：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(guī)定的位置停車。 （

11、7）第七階段 t6t7：快到停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，操作工人發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號到井下，整個提升過程結(jié)束。以上為人工操作程序，也可按PLC自動操作程序工作。圖中加速和減速段的時(shí)間均在變頻器上設(shè)置。五、 變頻改造后經(jīng)濟(jì)效益分析1 變頻器在低速運(yùn)行時(shí)節(jié)能比較明顯，由于絞車在井口及井底都處于低速運(yùn)行，根據(jù)現(xiàn)場情況，一般設(shè)置井底低速區(qū)和井口底速區(qū)長度分別70100M左右，因此低速運(yùn)行距離大約在140200M，根據(jù)坡長的不同，其低速段占30%左右，其綜合節(jié)能率在25%左右。2 采用變頻控制以后，由于設(shè)置直流制動，在運(yùn)行時(shí)油閘全敞開，減輕了原工頻控制下的磨損，油閘只作為一種輔助設(shè)施，在電機(jī)停穩(wěn)

12、或在緊急時(shí)快速抱閘用，據(jù)測算，該項(xiàng)損耗大大降低，能節(jié)能3%左右。3 原工頻控制采用交流接觸器進(jìn)行速度切換，用調(diào)速電阻調(diào)速，而變頻控制將其全部甩掉，減少器件用電量，增加了可靠性，原接觸器及調(diào)速電阻，每25個月還需更換一次，維修費(fèi)用大，而且耽誤生產(chǎn)。4 若采用回饋制動單元，將絞車下行時(shí)電機(jī)發(fā)出的電回收利用，這也能節(jié)約一部分電能。六、結(jié) 語 繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉(zhuǎn)差功率，速度越低，消耗的轉(zhuǎn)差功率越大。使用變頻調(diào)速，是一種節(jié)能的高效的調(diào)速方式。絞車絕大部分時(shí)間都處在電動狀態(tài)，節(jié)能十分顯著，經(jīng)測算節(jié)能30%以上、取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。另外，絞車變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性得

13、到大大的提高，減少了運(yùn)行故障和停工工時(shí)，節(jié)省了人力和物力，提高了運(yùn)煤能力，間接的經(jīng)濟(jì)效益也很可觀。 七：報(bào)價(jià):根椐我公司工程師到貴公司現(xiàn)場察看結(jié)果，如貴公司不配置人機(jī)界面和PLC等做自動控制1.6米絞車變頻控制系統(tǒng)配置及價(jià)格如下：序號設(shè)備/貨物名稱型號規(guī)格生產(chǎn)廠家單價(jià)（萬元）1臺億變頻柜TY800-G220/P250-4TAIY9.32回饋單元柜 240KWTAIY4.83自動控制柜400A(及輔材)TAIY1.74控制電纜及輔材RVV屏蔽電纜上海電纜廠0.2總計(jì):人民幣大寫壹拾陸萬元整￥16萬2.0米主要配置及價(jià)格如下：序號設(shè)備/貨物名稱型號規(guī)格貨物的主要技術(shù)參數(shù)主要配套件單價(jià)（萬元）規(guī)格型

14、號生產(chǎn)廠家1臺億矢量變頻柜380V/350KW380V 500ATY800-G350/P400-4TAIY18.82臺億控制柜1800*700TAIY2.73四象限回饋制動單元350KWTAIY13.24控制電纜及輔材RVV屏蔽電纜8*0.2上海電纜廠0.3總計(jì)人民幣大寫:叁拾伍萬元整￥35注：1，變頻柜主要器件為西門子產(chǎn)品。2，變頻柜、控制柜、回饋制動單元內(nèi)主件有變頻器、空開、接觸器、及輔助低壓電器。3，以上含安裝調(diào)試。以下是我公司絞車變頻系統(tǒng)改造案例，供參考：一、羅卜安煤礦的配置及最終價(jià)格：序號設(shè)備/貨物名稱型號規(guī)格貨物的主要技術(shù)參數(shù)主要配套件規(guī)格型號生產(chǎn)廠家1臺億矢量變頻調(diào)速裝置380V/160KW380V 500ATY800-G160/P185-4TAIY2臺億控制柜1800*700TAIY3臺億回饋制動單元160KW160KWTAIY4控制電纜RVV屏蔽電纜8*0.2上海電纜廠總計(jì)￥12萬元整湖南嘉禾縣羅卜安煤礦，我公司于2008年10月份對其絞車進(jìn)行了變頻系統(tǒng)改造，該公司絞車為2米雙滾筒絞車，電機(jī)功率為132KW,配置變頻系統(tǒng)功率為160KW，電流工作在200A左右。二：湘煤集團(tuán)金竹山煤礦絞車變頻系統(tǒng)配置及最終價(jià)格。序號設(shè)備/貨物名稱型號規(guī)格貨物的主要技術(shù)參數(shù)主要配套件規(guī)格型號生產(chǎn)廠家1臺億矢量變頻調(diào)速裝置380V/315KW380V 500ATY8