礦井提升機(jī)在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對(duì)礦井生產(chǎn)的安全性和礦山經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有不可替代的作用。礦井提升機(jī)系統(tǒng)一般裝機(jī)容量大、能耗高，且拖動(dòng)電機(jī)要在4個(gè)象限內(nèi)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反向運(yùn)行，所以要求提升機(jī)系統(tǒng)具有較高的可靠性。七五生建煤礦利用高壓變頻技術(shù)對(duì)4號(hào)井提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，取得了預(yù)期的效果。
1、現(xiàn)有提升機(jī)系統(tǒng)
山東省七五生建煤礦4號(hào)井提升機(jī)采用纏繞式雙滾筒交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，電控系統(tǒng)采用電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻分段有級(jí)調(diào)速方式，提升機(jī)的運(yùn)行過(guò)程分為起動(dòng)、加速、等速、減速、低速、制動(dòng)停車等幾個(gè)階段。其基本原理是：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率與繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻值正相關(guān)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于較低的轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與串入的電阻呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式耗電高、噪音大、故障率高、無(wú)法實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升，這種調(diào)速方法被更先進(jìn)的技術(shù)—變頻調(diào)速技術(shù)取代是必然的。
2、能量回饋型高壓變頻系統(tǒng)
2.1能量回饋技術(shù)
能量回饋技術(shù)是一種節(jié)省能源的技術(shù)，與電能做功過(guò)程相反，它的作用原理是通過(guò)將生產(chǎn)機(jī)械中儲(chǔ)存的動(dòng)能或者勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，即通過(guò)有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)。能量回饋是電能的一種轉(zhuǎn)化形式，逆變器能量回饋技術(shù)是一種電流轉(zhuǎn)化技術(shù)，它能將直流電源轉(zhuǎn)換成交流電源，與交流電網(wǎng)相銜接。
2.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)
2.2.1高壓變頻調(diào)速技術(shù)隨著高壓變頻調(diào)速技術(shù)的高速發(fā)展，提升機(jī)的調(diào)速和節(jié)能改造因此擁有了更多的便利條件。通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位，控制電機(jī)運(yùn)行在期望的轉(zhuǎn)速上，實(shí)現(xiàn)了變頻調(diào)速。0~50Hz全范圍恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速是通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)的，工頻電網(wǎng)50Hz的電壓通過(guò)變頻器內(nèi)的電力電子器件可以轉(zhuǎn)換成其他頻率的電壓。
2.2.2變頻器的工作原理將對(duì)稱的三相交流電通入異步電機(jī)定子對(duì)稱的三相繞組中，在電機(jī)氣隙內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速為由式(2)得，變頻器的原理就是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電機(jī)輸入電源頻率的變化而改變，因此這個(gè)方式的調(diào)速范圍很廣。并且變頻器的調(diào)節(jié)精度一般為0.01Hz，這樣可以非常好地滿足提升機(jī)的恒加速和恒減速狀態(tài)下無(wú)級(jí)調(diào)速的要求。可以使電機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)，大大降低機(jī)械沖擊，實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟啟動(dòng)和軟停止。變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式有很大的不同，在變頻調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)差率保持不變，轉(zhuǎn)差功率消耗無(wú)論其轉(zhuǎn)速高低基本不變，因此調(diào)速效率保持較高水平。
2.2.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)組成高壓變頻系統(tǒng)本體由激磁涌流抑制柜、變壓器柜、功率柜、控制柜和人機(jī)操作頁(yè)面組成。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的示意圖見圖1。真空接觸器和限流電阻安裝在激磁涌流抑制柜內(nèi)，在變頻器高壓上電時(shí)，限制充電電流和激磁涌流不超過(guò)其額定電流;變壓器內(nèi)安裝的整流變壓器，可以將網(wǎng)側(cè)高壓轉(zhuǎn)換為副邊的多組低壓，以此為功率柜中共15塊的功率單元(低壓交直交變流器)供電，變壓器副邊繞組的每個(gè)功率單元主回路都相對(duì)獨(dú)立，變頻器的高電壓輸出由各功率單元輸出串聯(lián)構(gòu)成。輸入移相變壓器的作用有以下幾點(diǎn)：
(1)將輸入的高壓工頻電變換成為多組低壓工頻電;
(2)使低壓工頻電彼此間相互絕緣、電位獨(dú)立，將低壓工頻電分別送到各個(gè)變頻單元中;
(3)輸入的各組低壓交流電經(jīng)整流濾波變換成直流電然后再逆變成單相交流電。
輸入變壓器的一組副邊為功率柜中每個(gè)功率單元供電，對(duì)功率單元之間及變壓器二次繞組之間進(jìn)行絕緣處理。為了實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的，二次繞組采用延邊三角形接法。整個(gè)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心是控制柜，基于先進(jìn)的控制理念變頻調(diào)速系統(tǒng)的所有功能都可以實(shí)現(xiàn)，電機(jī)可以通過(guò)控制器精心設(shè)計(jì)的算法達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。
3、實(shí)例分析
3.1改造情況
七五生建煤礦現(xiàn)有的提升電機(jī)參數(shù)如表1。改造方案如圖2。改造方案保留了原有的串電阻調(diào)速方式，將高壓變頻器通過(guò)切換開關(guān)融入原系統(tǒng)，在變頻器投入運(yùn)行時(shí)，通過(guò)閉合QS3、QS4，將繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子通過(guò)轉(zhuǎn)子切換柜短接。變頻器投入礦井提升機(jī)系統(tǒng)的作用機(jī)理如下：在變頻器接受主控臺(tái)正、反轉(zhuǎn)以及調(diào)速指令后，即驅(qū)動(dòng)雙電機(jī)按照指令同步調(diào)速正反轉(zhuǎn)運(yùn)行;在原有的串聯(lián)電阻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行啟動(dòng)后，閉合QS5、QS6，通過(guò)轉(zhuǎn)子切換柜將繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入原有電阻，變向及調(diào)速的目的是通過(guò)切換柜的變向及串入轉(zhuǎn)子電阻的逐級(jí)切換達(dá)到的。相互之間保持機(jī)械互鎖的隔離開關(guān)有上圖中的QS3、QS4、QS5、QS6等，且主控臺(tái)操作系統(tǒng)可以操控開關(guān)的全部狀態(tài)，在這種模式下，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)和原系統(tǒng)成了可以相互切換并且互為備用的關(guān)系，礦井提升機(jī)在運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)大大降低。
3.2改造效益分析
在2013年4月4日開始對(duì)提升機(jī)自動(dòng)化高壓變頻進(jìn)行改造，并于4月7日正式投運(yùn)。在接下來(lái)的六個(gè)月中，運(yùn)行狀態(tài)良好，沒(méi)有故障出現(xiàn)。通過(guò)變頻改造，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)控制提升機(jī)加減速的過(guò)程，減小了運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)繩擺幅，降低了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流與啟動(dòng)時(shí)的振動(dòng);降低了在轉(zhuǎn)子串電阻上產(chǎn)生的能耗浪費(fèi)，電機(jī)電刷的故障率大大降低。副井主提升絞車高壓變頻設(shè)備比原電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)的設(shè)備，每提升一鉤能節(jié)約電能約5.4kWh，每月副井平均提升4000~5000鉤左右，使用能量回饋型矢量控制高壓變頻器電控系統(tǒng)，平均每年為我礦節(jié)約電能約32萬(wàn)kWh左右，節(jié)約資金約21.82萬(wàn)元。
4、結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，得出副井提升設(shè)備改造的方向，同時(shí)提出應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)的必要性。(2)闡述了能量回饋技術(shù)的定義和高壓變頻技術(shù)的工作原理，有利于對(duì)能量回饋型高壓變頻系統(tǒng)中的各項(xiàng)技術(shù)的理解，而且對(duì)能量回饋型高壓變頻系統(tǒng)各個(gè)部分做了介紹，有利于對(duì)采用的調(diào)速系統(tǒng)作進(jìn)一步了解。(3)詳細(xì)分析了提升設(shè)備的改造方案，將原有的提升設(shè)備和應(yīng)用高壓變頻技術(shù)的提升設(shè)備進(jìn)行對(duì)比，得出了平均每年節(jié)約電能約32萬(wàn)kWh左右，節(jié)約資金約21.82萬(wàn)元的結(jié)論。
