高压变频调速技术及能量回馈技术在矿井提升机的调速和节能改造中的应用

 1 引言

矿井提升机是一种大型提升机械设备。由电机带动机械设备，以带动钢丝绳从而拉动容器在井筒中或者斜坡上运行，完成输送任务。现代的矿井提升机提升量大，速度高，安全性高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。

提升机无论正转、反转其工作过程是相同的，都有起动、加速、中速运行、稳定运行、减速、低速运行、制动停车等七个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度，加速度及斜井或竖井的深度有关，各段加速度的大小，根据工艺情况确定，运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。

目前大部分大中型煤矿的矿井提升机都是采用绕线式电机转子串电阻的方法进行分段有级调速控制。其基本原理是：当绕线式异步电动机转子串入附加电阻后，电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法的优点是设备简单，控制方便；但缺点是转差功率以发热的形式消耗在电阻上，且此方法属于有级调速，机械特性较软。在实际应用时电阻的投切采用继电器—交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易熔化，引发设备故障。另外，由于是有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确。提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电路所串电阻的上产生相当大的功耗，造成了能源的大量浪费。起动和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。所以对于安全和稳定性要求较高的矿山型企业来说，这种调速方法将很快被淘汰。

高压变频调速技术，特别是能量回馈技术的高速发展为矿井提升机的调速和节能改造创造了条件。变频调速可实现0～50hz全范围恒转矩无级调速，且下放重物时电机的再生能量可以直接反馈至电网。如采用矢量控制还可实现静态大转矩的软启动，对于竖井式的提升设备也能实现快速提升、下放及瞬间的加减速。

恒鼎实业国际发展有限公司是集煤炭开采、洗选、炼焦为一体的综合型煤炭企业，于2007 年9月在联合交易所主板上市，是中国第一家在境外主要资本市场ipo上市的能源型民营企业。近几年来恒鼎实业公司积极响应国家节能降耗政策，已对旗下大部分煤矿的矿井提升机进行变频改造。恒鼎实业贵州盘县几大煤矿采用北京利德华福电气技术有限公司的fva型变频器共7台，对矿井提升机设备进行改造，实践证明，使用变频调速后提升机运行的稳定性和安全性大大提高，减少了运行故障和停工检修工时，节省了人力和物力，提高了运煤能力，直接和间接的经济效益也很可观。

2 工程概况

盘县乐民洪兴煤矿位于六盘水市盘县乐民镇境内，矿井井田面积1.7km2，矿区可采煤层保有资源量4430万t，设计可采资源储量2367万t，矿井设计产量60万t/年。此井为斜井，主要用于井下材料和物质输送，斜井总长约1km，坡度25o，竖直深度约420m。该井采用单卷筒单绳缠绕式绞车。现场的工艺工况如图1所示。

变频器直接取用10kv高压电经变频后输出给电机，电机输出轴经过减速机构减速后驱动卷筒旋转，从而带动缠绕在卷筒上的钢丝绳上拉或下放小车。变频器提供本地（通过人机界面）操作和远程（通过操作台）控制两种控制方式。操作台通过其两个手柄的推拉分别实现对液压系统的控制及变频器的频率给定和启停操作，从而最终实现对绞车的松闸、制动和小车运行速度的精准调节。

主体设备由以下几个部分组成：

（1）北京利德华福公司提供的高压变频调速系统
主要参数如下：
型号：harsvert-fva10/030，能量回馈型矢量控制高压变频器；
额定电压：10kv；
额定电流：30a。

（2）佳木斯电机厂生产的高压电机
主要参数如下：
型号：y4507-6；
额定电压：10kv；
额定电流：23.9a；
电机极数：6极；
额定转速：989r/min。

（3）贵州高原矿山机械有限公司生产的卷筒、减速机构、液压和电控系统
主要参数如下：
型号：jk-2.5×2.0p；
卷筒直径：2.5m；
最大提升速度：3m/s；
滚筒容绳量：2km。
除以上设备外还有深度指示系统和润滑系统。

润滑站用于对减速机构的润滑，深度指示系统通过传动杆与卷筒的滚动轴相连，用于提供小车在井下运行时与地面的相对位置传输给操作台，以便于设置加减速时间点和保护逻辑。液压系统由液压站和液压闸阀组成。液压泵站驱动位于滚筒前后左右共4组16个液压闸阀，每个闸阀与刹车片相连，以用于紧急抱闸和松闸。变频器、液压系统的i/o点及其他所有辅助系统的状态信号均送至操作台上的plc，plc与操作台上的触摸屏使用modbus通信，以便于状态监控和参数设置。操作台上的控制按钮及手柄用于绞车运行的手、自动切换及开、停车操作。