礦井提升機(jī)電氣控制關(guān)鍵技術(shù)及展望

礦井提升機(jī)電氣控制關(guān)鍵技術(shù)及展望以礦井提升系統(tǒng)的安全可靠性和技術(shù)先進(jìn)性為基點(diǎn)，論述了提升機(jī)的直流傳動(dòng)、交-交變頻傳動(dòng)和交-直-交變頻傳動(dòng)技術(shù)，提升機(jī)自動(dòng)運(yùn)行方式、提升機(jī)（位置、速度、轉(zhuǎn)矩）三閉環(huán)控制技術(shù)、3大控制回路（安全、電氣停車、閉鎖）控制技術(shù)、雙PLC控制的主控、監(jiān)控技術(shù)及傳感器信號(hào)的雙路檢測(cè)技術(shù)。希望本文的論述能為以后的具體工作起到實(shí)際的參考作用。標(biāo)簽：礦井提升機(jī)；電氣控制；關(guān)鍵技術(shù)礦井提升系統(tǒng)是連接井下與井上的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著煤礦的煤炭和輔助運(yùn)輸?shù)奶嵘瓦\(yùn)送任務(wù)。礦井提升系統(tǒng)是周期性動(dòng)作的輸送設(shè)備，需要頻繁地正、反轉(zhuǎn)和頻繁起、停車。國(guó)內(nèi)提升系統(tǒng)的安全事故主要有斷繩、過(guò)卷、卡罐、跑車、滑繩等。例如某礦副井罐籠提升，在提升機(jī)檢修后故障開(kāi)車發(fā)生墜罐事故，造成罐籠內(nèi)十幾人全部死亡。礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)是為使繩端提升容器在各提升水平裝、卸載點(diǎn)間按預(yù)定速度圖運(yùn)行，用以實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)電氣化及自動(dòng)控制而構(gòu)成的相互關(guān)聯(lián)的一組單元。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)由提升電動(dòng)機(jī)、電源裝置和控制裝置3部分組成。提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)確保提升系統(tǒng)的安全可靠性；完善設(shè)備選擇的經(jīng)濟(jì)合理性；提高提升裝備的技術(shù)先進(jìn)性；滿足提升配置的整體適用性；實(shí)現(xiàn)操作維護(hù)的簡(jiǎn)便快捷性。近十年來(lái)隨著礦井生產(chǎn)規(guī)模增大、開(kāi)采深度增加和提升系統(tǒng)安全可靠性的提高，礦井提升設(shè)備得到飛速發(fā)展，各種新技術(shù)得到廣泛使用，提升系統(tǒng)電氣控制水平已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平?；诽嵘詣?dòng)化水平不斷提高，許多礦井的主井提升已實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守運(yùn)行。1電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展及存在問(wèn)題1.1直流傳動(dòng)裝置礦井直流提升機(jī)傳動(dòng)方案有2種，一種是由發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成的G-M系統(tǒng)，《煤炭生產(chǎn)技術(shù)與裝備政策導(dǎo)向》（2014版）已禁止使用。另一種是由晶閘管和電動(dòng)機(jī)組成的V-M系統(tǒng)。該系統(tǒng)出現(xiàn)于1960年，傳動(dòng)系統(tǒng)由12個(gè)晶閘管功率器件組成，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。一般采用正、反2組全控整流電路滿足四象限運(yùn)行要求。直流傳動(dòng)系統(tǒng)的主要問(wèn)題是電動(dòng)機(jī)效率低，系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管導(dǎo)通角很小，功率因數(shù)低，諧波電流大。1.2交-交變頻傳動(dòng)裝置交-交變頻傳動(dòng)出現(xiàn)于1980年，傳動(dòng)系統(tǒng)由36個(gè)晶閘管功率器件組成，采用相位控制方式，直接對(duì)3個(gè)交流輸入相電壓或線電壓的波形進(jìn)行控制，并將其重新組合成為3個(gè)交流輸出。三繞組變壓器，每一相類似于1臺(tái)直流傳動(dòng)。交-交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)特別適用于礦井提升機(jī)的低速、大扭矩工況，低頻段無(wú)脈動(dòng)，受控運(yùn)行性能好，可實(shí)現(xiàn)無(wú)制動(dòng)運(yùn)行，大大降低系統(tǒng)對(duì)液壓制動(dòng)的要求。交-交變頻傳動(dòng)系統(tǒng)同樣存在功率因數(shù)較低、諧波電流大等問(wèn)題，對(duì)礦井電網(wǎng)造成污染，需要采取措施進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理。1.3交-直-交變頻傳動(dòng)裝置交-直-交變頻傳動(dòng)技術(shù)近年來(lái)得到大力發(fā)展，是《煤炭生產(chǎn)技術(shù)與裝備政策導(dǎo)向》（2014版）鼓勵(lì)使用的傳動(dòng)方式。目前礦井提升機(jī)使用的主要有兩電平或三電平低壓（660/1140V）變頻器、三電平中壓（3300V）變頻器和功率單元串聯(lián)式的多電平高壓（6/10kV）變頻器，各種變頻器的使用范圍和特點(diǎn)如下：兩電平或三電平低壓（660/1140V），采用正弦波脈寬調(diào)制，所用器件為IGBT，主要用于帶減速器的斜井提升或小功率立井提升。經(jīng)過(guò)交-直-交變換后，變頻器輸出不是完全的正弦波形，而且有3次以上的諧波。通常二電平的結(jié)構(gòu)為6脈波，其輸入側(cè)對(duì)電網(wǎng)的干擾比較大。三電平中壓（3300V）變頻器，通過(guò)獨(dú)特的二極管鉗位（或者其他鉗位）方法，可以使系統(tǒng)的輸出電壓增加一個(gè)電平，其每個(gè)電力電子器件所承受的耐壓只有直流電壓的一半。所用器件為IGBT、IGCT等，三電平變頻器的整流電路標(biāo)準(zhǔn)配置為12脈波整流電路，其輸入變壓器為三繞阻，2次采用D和Y接法，2組2次繞組對(duì)應(yīng)線電壓之間的相位差為！/6，從而使整流后的電壓波形具有12脈波，有效地降低了整流器產(chǎn)生的諧波電流。存在問(wèn)題是在0～1Hz時(shí)變頻器出力只有額定出力的70%，要滿足提升機(jī)起動(dòng)加速的過(guò)載要求，一般需增加變頻器容量。另外，需要增加去離子純凈水水冷卻裝置。功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻產(chǎn)品在輸入端設(shè)置1臺(tái)輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變成多組低壓交流電，每組低壓交流電分別輸入到一個(gè)功率單元，經(jīng)整流濾波為直流電后，再經(jīng)過(guò)逆變成為交流電，各功率單元輸出的交流信號(hào)在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓交流輸出供給高壓電動(dòng)機(jī)。為減小輸入諧波，變壓器的每個(gè)2次繞組的相位依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)電角度，形成多脈波、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重PWM方式，輸出諧波同樣非常小。存在問(wèn)題是低速時(shí)變頻器出力小，對(duì)于帶減速器的傳動(dòng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)有成果案例，但對(duì)于直連驅(qū)動(dòng)起動(dòng)和運(yùn)行問(wèn)題較多。2提升機(jī)電氣控制關(guān)鍵技術(shù)2.1提升機(jī)運(yùn)行方式要求主井提升機(jī)應(yīng)具有遙控、全自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、應(yīng)急、檢修等運(yùn)行方式，礦井調(diào)度指揮控制中心應(yīng)具有遙控、全自動(dòng)控制功能，副井提升機(jī)宜具有半自動(dòng)、手動(dòng)、應(yīng)急、檢修等運(yùn)行方式。全自動(dòng)控制方式主井提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)與裝、卸載系統(tǒng)有聯(lián)鎖關(guān)系的整個(gè)提升系統(tǒng)的全部自動(dòng)化運(yùn)行。對(duì)于全自動(dòng)運(yùn)行的箕斗機(jī)，應(yīng)設(shè)有提升容器到位時(shí)驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)信號(hào)閉鎖、反轉(zhuǎn)保護(hù)、防止重復(fù)裝載保護(hù)，應(yīng)設(shè)視頻監(jiān)視。半自動(dòng)控制方式主井或副井提升機(jī)在操作人員按下起動(dòng)按紐后，提升機(jī)以給定速度自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)提升循環(huán)。手動(dòng)控制方式主井提升機(jī)在箕斗在裝載站和卸載站之間以司機(jī)臺(tái)上操縱桿給出的給定速度運(yùn)行，提升原煤等。手動(dòng)控制方式應(yīng)帶有方向閉鎖。副井提升機(jī)在罐籠在井底軌面和井口軌面之間以司機(jī)臺(tái)上操縱桿給出的給定速度運(yùn)行，提升人員、物料和設(shè)備等。手動(dòng)控制方式應(yīng)帶有方向閉鎖。遠(yuǎn)方遙控方式主井提升機(jī)當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在遠(yuǎn)方遙控方式時(shí)，提升機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)與裝、卸載系統(tǒng)有聯(lián)鎖關(guān)系的整個(gè)提升系統(tǒng)的全部自動(dòng)化運(yùn)行。手動(dòng)檢修運(yùn)行方式主井提升機(jī)在箕斗頂部平臺(tái)上檢查井筒運(yùn)行速度為0.5m/s，在井口驗(yàn)繩平臺(tái)上檢查鋼絲繩速度也為0.5m/s。副井提升機(jī)有罐籠換層運(yùn)行方式，或在井口驗(yàn)繩平臺(tái)上檢查鋼絲繩速度也為0.5m/s。2.2控制、監(jiān)測(cè)及安全系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)提升機(jī)控制系統(tǒng)采用全數(shù)字速度、電流、位置閉環(huán)控制，使提升機(jī)在任意速度下能安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。電控系統(tǒng)采用雙PLC控制，所有環(huán)節(jié)均是冗余的，能互為監(jiān)視，互為備用。具有多條安全保護(hù)回路，關(guān)鍵環(huán)節(jié)采用三重或多重保護(hù)，滿足《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的控制保護(hù)要求?？刂?、監(jiān)測(cè)及安全系統(tǒng)采用數(shù)字式，具有足夠的冗余，控制系統(tǒng)能與礦井計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷。2.33大控制回路的關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)信號(hào)的輕重級(jí)別不同，把提升系統(tǒng)的故障細(xì)分成3種，便于實(shí)際故障查找與排除。安全回路故障發(fā)生后，提升機(jī)立即抱閘實(shí)施機(jī)械制動(dòng)，提升機(jī)不能再起動(dòng)，直至故障被復(fù)位。電氣停車回路故障發(fā)生后，系統(tǒng)將立即實(shí)行電氣停車。之后，提升機(jī)將不能起動(dòng)，直至故障被復(fù)位。閉鎖回路故障發(fā)生后仍允許提升機(jī)繼續(xù)完成本次提升。但在本周期完成之后，提升機(jī)將被閉鎖，不能起動(dòng)，直至故障被復(fù)位。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)度中心對(duì)提升機(jī)監(jiān)控的功能，在提升機(jī)房設(shè)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，PLC配置以太網(wǎng)通訊模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)連接。系統(tǒng)應(yīng)能與礦井調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。參考文