1、　引言

　　張家口市蔚縣鄭溝灣煤礦副井絞車，擔負著全礦提人、運料的繁重工作，一旦出現故障，就將影響全礦的生產。因此它的正常運行起著至關重要的作用。該井為雙鉤運行，坡度為25度，坡長為580m。原采用215kw/380v繞線電機串電阻調速，用交流接觸器實現速度段切換。形成了低速降壓啟動、檔位切換加速、全速運行、檔位切換減速、低速降壓停車的工作過程。

　 這種運行方式存在明顯的缺點，主要體現在以下幾個方面:

(1)大量的電能消耗在轉子電阻上，造成了嚴重的能源浪費。

當料車空車下放時，電機的轉速超過了同步轉速，電機處于發電狀態，由于沒有能量處理環節，大量的電能消耗在轉子電阻上，致使電機能耗增加，不但浪費大量的電能，而且使電機銅損、鐵損增加，增大了電機的維修費用。從現場情況看，下放時電機電流與提升時基本相同，都在400A左右，相當于電機的額定電流，而空載時電機電流大約應在額定電流的60%左右，從這點看，應有30%左右的能量被消耗掉。

(2)原控制系統采用繞線電機轉子串電阻的方式進行調速，不僅將大量的轉差功率消耗在轉子電阻上，浪費了大量電能，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間，增加了機房建設費用。 

(3)這種切換轉子電阻調速的控制系統復雜，導致系統的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了提升機的生產效率。 

(4)低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現速度控制，特別是在負載發生變化時，很難實現恒減速控制，導致調速不連續、速度控制性能較差。 

(5)啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現"掉道"現象。 

(6)自動化程度不高，增加了開采成本，影響了礦山產量。 

(7)低電壓和低速段的啟動力矩小，機械特性比較軟，帶負載能力差，無法實現恒轉矩提升。

針對以上這些問題，煤礦決定對原系統進行改造。采用技術含量較高的變頻調速，替代原來的繞線電機串電阻調速，這是較理想的方案。變頻調速實現了電機的軟啟動、軟停車，連續平滑調速，特別是帶能量回饋的四象限運行變頻器，可以將電機在發電狀態下的再生電能回送電網，降低電能消耗，可節約大量的電能。

2、　變頻控制方案

2.1　變頻控制的特點

(1)變頻系統甩掉了原電控調速用的交流接觸器及調速電阻，提高了系統的可靠性，操作簡單方便，降低了操作人員的勞動強度; 

(2)實現了低頻低壓的軟起動和軟停止，使運行更加平穩，機械沖擊小;

(3)啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大啟動電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩無級平滑地升至最高速，沒有大電流出現，大大地減小了對電網的沖擊;

(4)增加了直流制動功能，使重車停車時更加平穩;

(5)轉矩補償達到規范要求，重車啟動正常;

(6)節能效果顯著，據實測，在低速段節能明顯，一般可達到20%左右，采用回饋制動，節能效果更明顯;

(7)采用變頻控制后，原繞線式電機轉子短接，在電機維護方面，避免了轉子炭刷的燒損及維護;

(8)機內采用深圳加能回饋單元，回饋能量可直接輸給電網，且不受回饋能量大小的限制，適應范圍廣，節能效果明顯，系統可以實現四象限運行; 

(9)安全保護功能齊全，除了過壓、欠壓、過載、過熱、短路等自身保護外，還設有外圍控制的連鎖保護，包括制動閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與系統安全回路的連鎖，機內備有自動減速程序等。 

2.2　方案的確定

設計時，因絞車系統一般都滿負荷運行，而且要求起動力矩大，因此根據電機的容量(380v/215kw)，變頻器一般應高出一個規格為ABB-ACS800 250KW。

方案一：直接采用進口原裝四象限能量回饋變頻器，方案二：采用進口原裝二象限變頻器+能量回饋單元。因進口原裝四象限能量回饋變頻器供貨周期長（8-12周）且成本極高，出現問題維修周期長，不適合煤礦的當前生產狀況；所以我們推薦方案二，變頻器+能量回饋單元，降低前期投入成本，加快產品生產周期，同時也能降低維修費用，也同樣能達到在礦車下放時將發生的電能直接回送電網，節約大量的能量。 

加能(深圳)公司是加拿大IPC的中國公司，主要從事IPC產品在中國的推廣，二次開發和部分產品生產。加拿大IPC公司位于北美最大的港口城市Vancouver。在國內生產的IPC-PFH系列提升機專用能量回饋單元 ，特別適用于礦山提升機、起重機、卷揚機、拉絲機、離心機等有電能再生的適用場合。主要具有以下性能特點：

（一）技術參數： 
1.  額定電壓：AC380V/220V/660V； 
2.  功率范圍：30KW～160KW； 
3.  制動方式：雙向自動電壓跟蹤方式； 
4.  反應時間：2ms以下，有多重噪聲過濾算法； 
5.  允許電網電壓：300V～460VAC，45～66Hz； 
6.  動作電壓：620V-680VD可調，誤差≦2V； 
7.  制動力矩：150%； 
8.  回饋方式：正弦波電流方式； 
9.  電流畸變：<5％； 
10. 回饋算法：最小諧波PWM算法； 
11. 設計工作制：長期； 
12. 保護功能：過熱，過電流，短路及故障自診斷及保護輸出功能；

（二）產品技術特點及優勢：
1. 使變頻器實現四象限運行，持續性回饋，回饋制動頻度40%。
2. 把再生能量回饋電網，效率 97% ，增加運行經濟效益。 
3. 熱損耗為耗能制動的 3% 以下，改善工作環境。 
4. 有完全故障保護，使用安全。 
5. 全電壓自動跟蹤，用戶不必自己調整或設定，方便使用。 
6. 全程噪聲過濾，不會污染電網和干擾其他設備。 
7. 高性能回饋式制動單元。外置大電抗器，可直接和電網駁接使用。

2.3　系統的組成

2.3.1  雙電源進線柜      1臺 

2.3.2  變頻柜            1臺 （ABB-ACS800）

2.3.3  回饋制動柜        1臺 （IPC-PFH75-4*3套并聯）

2.3.4  PLC控制柜        1臺  （雙PLC）

2.3.5  司機控制臺        1臺 （含上位機監控系統）

2.3.6  軸編碼器          2抬

2.3.7  位置傳感器        6套

2.4　控制原理

　　控制核心為ABB ACS 800系列重載型變頻器，利用與變頻提升機系統對接對絞車進行起、停、加減速及機械抱閘系統的控制，同時用變頻器調節頻率及軸編碼器的信號采集，通過PLC的計算，使提升機的速度得到有效而精確控制，并確保停車位置的準確性。

其系統組成如圖所示：圖1由左往右依次為 變頻柜 回饋制動柜 PLC控制柜 雙電源進線柜。

                    圖2為提升機控制臺

 圖1                                                  圖2

　變頻調速的原理

(1)主回路圖如圖3所示:

圖3、　提升機變頻器主電路

主回路工作過程:三相交流電經整流濾波變成直流電，為逆變提供電源，逆變的功能是將整流后的直流電轉化為調頻調壓的交流電去驅動電機，電能轉換成機械能，實現提升作業;當電機由高速運行減速或單鉤絞車下放時，負載由于存在慣性，電機的實際轉速會超過它的同步轉速，機械能轉化為電能，由電動機運行狀態變成發電機運行狀態，發出的交流電經逆變部分的續流二極管整流成直流，使母線電壓升高，直接危及功率器件，必須把這部分能量釋放掉，于是我們做了回饋單元，對這部分能量進行處理，反送回電網，從而保證變頻器的安全工作，并進而節約了電能。

 (2)控制回路

　　采用cpu統一控制和 變頻器自身的plc 外端接口相結合，使調速系統具有很高的可靠性，同時利用 plc 強大的控制能力實現靈活的控制方式和電氣隔離。

(3)接口電路

　　plc接口電路如圖3所示。

圖3、　plc接口電路

　　輸入:故障輸入、編碼器信號、正轉、反轉、松閘信號、母線過壓1、內部保護、母線過壓2、五個檔位、急停、模擬輸入+a、+b等。

　　輸出:去主板的信號(1):公共點、正/反、松閘、運行、急停、外控電壓輸入。

指示信號(2):故障指示、上升指示、下降指示、減速指示、檔位指示。

 (3)變頻器為典型的交-直-交電壓源型變頻器，其功率模塊為進口的西門子新型IGBT器件，采用32位全數字單片機控制技術，可以實現交流電動機大范圍內的無級平滑調速，在運行過程中能隨時檢測電動機的負載情況，自動調整功率輸出，使電動機始終運行在最佳狀態，節能效果明顯。

(4)系統的控制框圖如圖 4所示。

圖4、　控制系統原理

3、　改造后的效果計算

 3.1 現場設備參數

（1）提升機規格:          GKT—2×2×1—20

（2）卷筒名義直徑         2000㎜

（3）卷筒寬度            1000㎜

（4）卷筒個數            2個

（5）鋼絲繩最大靜張力     6000Kｇ

（6）鋼絲繩最大靜張力差　　4000Kｇ

（7）鋼絲繩直徑            32㎜

（8）減速器名義速比        20

（9）最大提升高度（斜長）  580ｍ

（10）最大提升速度         3.8ｍ／ｓ

（11）坡度                 25°

我們按照加、減速度為0.5m/s²,爬行速度0.5m/s，爬行時間5 s來計算，單勾運行情況見下表

3.2 功耗計算

提升機為雙勾提升，我們按每一半負力提升計算。

單勾提升時間：≈164s；

每次提升的間歇時間：設定為30s；

每小時提升時間：3600/（164+30）*164≈3043s

每天按20小時計算提升時間：3043×20＝47160/3600＝16.9h

其中有一半的時間為負力運行：16.9/2=8.45h

提升過程中每勾低于工頻運行的時間：19.2s；占單勾運行時間的11.7％，則共頻運行占單勾運行時間的88.3％

上提階段工頻每天能量消耗 (E_hoist1) ：

    設定負載率為0.8；

凈效率（實際效率）=機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 

E_hoist1 [kWh]={(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x小時（每天工作時上提占用時間）x 88.3％

= {(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45 x 88.3％

≈ 1065kWh

上提階段低頻每天能量消耗 (E_hoist2) ：

凈效率（實際效率）=機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 

E_hoist2 [kWh]={(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x小時（每天工作時上提占用時間）x11.7％x50％

= {(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45 x 11.7％x50％

≈ 71kWh

上提階段低頻每天能量消耗 (E_hoist) ：

E_hoist =E_hoist1+ E_hoist2=1065kWh+71kWh=1136kWh

下放階段工頻每天再生回饋能量(E_lowering1)

實際效率 = 機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x 小時（每天工作時下放占用時間）x40％（按動能發電的40％計算）

＝-{(0.8 x215kW) x 0.83} x  8.45 x40％x 88.3％

≈ -426kWh

下放階段低頻每天再生回饋能量(E_lowering2)

實際效率 = 機械效率 x 電機效率 x 驅動控制效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負載率 x 額定功率) x 凈效率} x 小時（每天工作時下放占用時間）x20％（按動能發電的20％計算）

＝-{(0.8 x215kW) x 0.83} x  8.45 x20％x 11.7％x50％

≈ -14kWh

下放階段每天再生回饋能量(E_lowering)

E_lowering= E_lowering1+ E_lowering2=426+14=440

提升下放運轉的每天凈能量消耗（E_net_hoist）

E_net_hoist =1136kWh -440kWh =696kWh

不安裝回饋制動變頻器的功耗

   上提階段的每天能量消耗 (E_hoist) ＝{(0.8 x 215kW) x 0.83} x 8.45≈1206 kWh

   下放階段的每天能量消耗 (E_lowering) ＝上提階段的每天能量消耗 (E_hoist1)*40%

  （下放時消耗能量按上提時的40％計算）＝1206*50%=482 kWh

E_max_hoist=上提階段的每天能量消耗 (E_hoist)+ 下放階段的每天能量消耗(E_lowering) ＝1206+482＝1688kWh

實際節約電能：

1688kWh－696kWh＝992kWh

每年節約電費：

992kWh x [25days/month]（月工作天數） x 12 month x [0.7/ kWh]（平均電費）＝297600 x  [0.7/ kWh]（平均電費）＝208320元

4、　結束語

煤礦提升機專用能量回饋單元，是加能公司為提升行業創造的又一綠色產品，其產品已在山東、山西、河南、河北、四川、貴州、云南、寧夏、內蒙等全國的很多省份的煤礦得到了廣泛的應用。在操作方便、運行可靠、改善工人的勞動環境、節電顯著等方面都體現出明顯的優勢。特別是近幾年產品的優化升級，使其可靠性應用得到極大的提高。提升機變頻器實現了四象限運行、電能的回饋等新技術，其應用前景將會是很廣闊的。