礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。本文介紹的是煤礦斜井絞車提升機采用SAJ-8000Z(132kw)變頻器進行改造的實例及所取得的節能等效益。
引言
礦井提升機是煤礦、鐵礦、有色金屬礦生產過程中的重要設備。提升機的安全、可靠運行，直接關系到企業的生產狀況和經濟效益。煤礦井下采煤，采好的煤通過斜井用提升機將煤車拖到地面上來。煤車廂與火車的運貨車廂類似，只不過高度和體積小一些。在井口有一絞車提升機，由電機經減速器帶動卷筒旋轉，鋼絲繩在卷筒上纏繞數周掛上一列煤車車廂，在電機的驅動下將裝滿煤的列車從斜井拖上來或放下去。這種拖動系統要求電機頻繁的正、反轉起動，減速制動，而且電機的轉速按一定規律變化。斜井提升機的機械結構示意圖如圖1所示。斜井提升機的動力由繞線式電機提供，采用轉子串電阻調速。提升機的基本參數是:電機功率55kW，卷筒直徑Φ1200mm，減速器減速比24:1，最高運行速度2.5m/s，鋼絲繩長度為120m。
圖1 提升機卷筒機械傳動系統結構示意圖
目前，大多數中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統斜井提升機普遍采用交流繞線式電機串電阻調速系統，電阻的投切用繼電器—交流接觸器控制。這種控制系統由于調速過程中交流接觸器動作頻繁，設備運行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化，引發設備故障。另外，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經常會造成停車位置不準確。提升機頻繁的起動﹑調速和制動，在轉子外電路所串電阻的上產生相當大的功耗。這種交流繞線式電機串電阻調速系統屬于有級調速，調速的平滑性差;低速時機械特性較軟，靜差率較大;電阻上消耗的轉差功率大，節能較差;起動過程和調速換擋過程中電流沖擊大;中高速運行震動大，安全性較差。
改造方案
為克服傳統交流繞線式電機串電阻調速系統的缺點，采用變頻調速技術改造提升機，可以實現全頻率(0～50Hz)范圍內的恒轉矩控制。對再生能量的處理，可采用價格低廉的能耗制動方案或節能更加顯著的回饋制動方案。為安全性考慮，液壓機械制動需要保留，并在設計過程中對液壓機械制動和變頻器的制動加以整合。礦井提升機變頻調速方案如圖2所示。
圖2 礦井提升機變頻調速方案
考慮到繞線式電動機比鼠籠式電動機的力矩大，且過載能力強，所以仍用原來的4極55kW繞線式電機，在用變頻器驅動時需將轉子三根引出線短接。提升機在運行過程中，井下和井口必須用信號進行聯絡，信號未經確認，提升機不能運行。為顯示運行時車廂的位置，使用E6C3-CS5C 40P旋轉編碼器，即電機旋轉1圈旋轉編碼器產生40個脈沖，這樣每兩個脈沖對應車廂走過的距離為1200×π/(24×40)=3.927，約為3.9mm。則與實際距離的誤差值為4-3.9=0.027mm，卷筒運行一圈誤差為0.027×40×24=25.29mm，已知鋼絲繩長度為120m，如果兩個脈沖對應車廂走過的距離用近似值3.9mm計算，120m全程誤差為25.92×120000/1200π≈825mm。再考慮到實際檢測過程中有一個脈沖的誤差，則最大的誤差在821mm～829mm之間，對于數十米長的車廂來說誤差范圍不到1m，精度足夠。因此，用計數器實時統計旋轉編碼器發出的脈沖個數，則可計算出車廂的位置并用顯示器顯示。另外一個問題是計數過程中有無累計誤差存在？實際檢測時，在一個提升過程開始前，首先將計數器復位，第一個重車廂經過某個位置時，打開計數器計數，車廂在斜井中的位置以此點為基準計算，沒有累計誤差。在操作臺上，用8英寸觸摸屏顯示交流電壓和電機工作電流以及車廂的位置。
方案實施
斜井提升負載是典型的摩檫性負載，即恒轉矩特性負載。重車上行時，電機的電磁轉矩必須克服負載阻轉矩，起動時還要克服一定的靜摩檫力矩，電機處于電動工作狀態，且工作于第一象限。在重車減速時，雖然重車在斜井面上有一向下的分力，但重車的減速時間較短，電機仍會處于再生狀態，工作于第二象限。當列重車上行時，電機處于反向電動狀態，工作在第三象限和第四象限。另外，有占總運行時間10%的時間單獨運送工具或器材到井下時，電機純粹處于第二或第四象限，此時電機長時間處于再生發電狀態，需要進行有效的制動。用能耗制動方式必將消耗大量的電能;用回饋制動方式，可節省這部分電能。但是，回饋制動單元的價格較高，考慮到單獨運送工具或器材到井下僅占總運行時間的10%，為此選用價格低廉的能耗制動單元加能耗電阻的制動方案。
提升機的負載特性為恒轉矩位能負載，起動力矩較大，選用變頻器時適當地留有余量，因此，三晶132kW變頻器。由于提升機電機絕大部分時間都處于電動狀態，僅在少數時間有再生能量產生，變頻器接入一制動單元和制動電阻，就可以滿足重車下行時的再生制動，實現平穩的下行。井口還有一個液壓機械制動器，類似電磁抱閘，此制動器用于重車靜止時的制動，特別是重車停在斜井的斜坡上，必須有液壓機械制動器制動。液壓機械制動器受PLC和變頻器共同控制，機械制動是否制動受變頻器頻率到達端口的控制，起動時當變頻器的輸出頻率達到設定值，例如0.2Hz，變頻器A、B端口輸出信號，表示電機轉矩已足夠大，打開液壓機械制動器，重車可上行;減速過程中，當變頻器的頻率下降到0.2Hz時，表示電機轉矩已較小，液壓機械制動器制動停車。緊急情況時，按下緊急停車按鈕，變頻器能耗制動和液壓機械制動器同時起作用，使提升機在盡量短的時間內停車。
提升機傳統的操作方式為，操作工人坐在煤礦井口操作臺前，手握操縱桿控制電機正、反轉共三擋速度。為適應操作工人這種操作方式，變頻器采用無級（無檔位）調速。變頻調速原理圖如圖3所示。
圖3 變頻調速原理圖
節電率與投資回報分析
某鐵底礦使用的煤礦提升機,原采用132KW三相異步電動機,轉子串電阻調速,用交流接觸器進行速度切換,由于功率比較大,所以啟動換檔時沖擊電流大,中高速運行不平穩,大量的電能消耗在轉子電阻上,告成能源的極大浪費。同時，工人的操作環境也極惡劣，急需進行改造。
由于變頻器具有軟啟動、大范圍內平滑調速、節能效果顯著等優點，因此我礦經過多方考察，決定采用廣州三晶電氣有限公司生產的系列變頻器對絞車系統進行變頻改造，經過幾個月的運行，證明改造的效果比較理想，主要表現在：
1、實現了啟動時的軟啟動、軟停車，減輕了對電網的沖擊。
2、變頻器的頻率連續調節，使調速更加方便、可靠，運行更平穩。
3、使用變頻器后省去原先的換檔接觸器及調速電阻，即節省了維修費用，又減少了停機維修時間，從而提高了產量。同時改善了惡劣操作環境，使工人避免在夏季調速電阻發熱告成的高溫條件下工作。
4、在低速時節能效果十分明顯。礦井深300多米，測量時用4/50的電度表，在相同耗電量的情況下，用工頻可拉17勾，而使用變頻可拉26勾，即變頻比工頻多拉9勾。經估算節電率約為20%。由于使用了變頻器，設備基本上是滿載運行。即使我們采用保守算法，把132KW的電機功率折扣為120KW，每天只使用20小時，每年工作360天，一年節電仍高達30.24萬度（120*0.35*20*360=302400度)。若以每度電0.5元計算(當地電價0.6元),則每年可節電費15萬多元(302400*0.5=151200元)。
結束語
繞線式電機轉子串電阻調速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用變頻調速，是一種不耗能的高效的調速方式。提升機絕大部分時間都處在電動狀態，節能十分顯著，經測算節能20%以上，取得了很好的經濟效益。另外，提升機變頻調速使系統運行的穩定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經濟效益也很可觀。