礦井提升機在煤礦生產(chǎn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，對礦井生產(chǎn)的安全性和礦山經(jīng)濟發(fā)展具有不可替代的作用。礦井提升機系統(tǒng)一般裝機容量大、能耗高，且拖動電機要在4個象限內(nèi)頻繁啟動、制動和反向運行，所以要求提升機系統(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4號井提升機控制系統(tǒng)進行改造，取得了預(yù)期的效果。
1、現(xiàn)有提升機系統(tǒng)
山東省七五生建煤礦4號井提升機采用纏繞式雙滾筒交流電動機驅(qū)動運行，電控系統(tǒng)采用電機轉(zhuǎn)子串電阻分段有級調(diào)速方式，提升機的運行過程分為起動、加速、等速、減速、低速、制動停車等幾個階段。其基本原理是：電動機的轉(zhuǎn)差率與繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串入附加電阻值正相關(guān)，當(dāng)電動機處于較低的轉(zhuǎn)速時，電動機的轉(zhuǎn)速與串入的電阻呈現(xiàn)負相關(guān)。傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式耗電高、噪音大、故障率高、無法實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩提升，這種調(diào)速方法被更先進的技術(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)，與電能做功過程相反，它的作用原理是通過將生產(chǎn)機械中儲存的動能或者勢能轉(zhuǎn)化為電能傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，即通過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，提升機的調(diào)速和節(jié)能改造因此擁有了更多的便利條件。通過調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位，控制電機運行在期望的轉(zhuǎn)速上，實現(xiàn)了變頻調(diào)速。0~50Hz全范圍恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級調(diào)速是通過變頻調(diào)速實現(xiàn)的，工頻電網(wǎng)50Hz的電壓通過變頻器內(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稱的三相交流電通入異步電機定子對稱的三相繞組中，在電機氣隙內(nèi)會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，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機轉(zhuǎn)速會隨著電機輸入電源頻率的變化而改變，因此這個方式的調(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的恒加速和恒減速狀態(tài)下無級調(diào)速的要求。可以使電機運行更加平穩(wěn)，大大降低機械沖擊，實現(xiàn)了低頻低壓的軟啟動和軟停止。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，轉(zhuǎn)差率保持不變，轉(zhuǎn)差功率消耗無論其轉(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、控制柜和人機操作頁面組成。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，限制充電電流和激磁涌流不超過其額定電流;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功率單元主回路都相對獨立，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：
(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、電位獨立，將低壓工頻電分別送到各個變頻單元中;
(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功率單元供電，對功率單元之間及變壓器二次繞組之間進行絕緣處理。為了實現(xiàn)多重化，以達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。整個高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心是控制柜，基于先進的控制理念變頻調(diào)速系統(tǒng)的所有功能都可以實現(xiàn)，電機可以通過控制器精心設(shè)計的算法達到最優(yōu)的運行性能。
3、實例分析
3.1改造情況
七五生建煤礦現(xiàn)有的提升電機參數(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，將高壓變頻器通過切換開關(guān)融入原系統(tǒng)，在變頻器投入運行時，通過閉合QS3、QS4，將繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子切換柜短接。變頻器投入礦井提升機系統(tǒng)的作用機理如下：在變頻器接受主控臺正、反轉(zhuǎn)以及調(diào)速指令后，即驅(qū)動雙電機按照指令同步調(diào)速正反轉(zhuǎn)運行;在原有的串聯(lián)電阻調(diào)速系統(tǒng)進行啟動后，閉合QS5、QS6，通過轉(zhuǎn)子切換柜將繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路中串入原有電阻，變向及調(diào)速的目的是通過切換柜的變向及串入轉(zhuǎn)子電阻的逐級切換達到的。相互之間保持機械互鎖的隔離開關(guān)有上圖中的QS3、QS4、QS5、QS6等，且主控臺操作系統(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，礦井提升機在運行中的風(fēng)險大大降低。
3.2改造效益分析
在2013年4月4日開始對提升機自動化高壓變頻進行改造，并于4月7日正式投運。在接下來的六個月中，運行狀態(tài)良好，沒有故障出現(xiàn)。通過變頻改造，實現(xiàn)了平穩(wěn)控制提升機加減速的過程，減小了運行過程穩(wěn)繩擺幅，降低了電動機啟動電流與啟動時的振動;降低了在轉(zhuǎn)子串電阻上產(chǎn)生的能耗浪費，電機電刷的故障率大大降低。副井主提升絞車高壓變頻設(shè)備比原電機轉(zhuǎn)子串電阻啟動的設(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kWh左右，節(jié)約資金約21.82萬元。
4、結(jié)論
(1)通過對繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式優(yōu)缺點進行分析，得出副井提升設(shè)備改造的方向，同時提出應(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，有利于對能量回饋型高壓變頻系統(tǒng)中的各項技術(shù)的理解，而且對能量回饋型高壓變頻系統(tǒng)各個部分做了介紹，有利于對采用的調(diào)速系統(tǒng)作進一步了解。(3)詳細分析了提升設(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)備進行對比，得出了平均每年節(jié)約電能約32萬kWh左右，節(jié)約資金約21.82萬元的結(jié)論。
