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麵:

(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(dang)料(liao)車(che)空(kong)車(che)下(xia)放(fang)時(shi)，電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)超(chao)過(guo)了(le)同(tong)步(bu)轉(zhuan)速(su)，電(dian)機(ji)處(chu)於(yu)發(fa)電(dian)狀(zhuang)態(tai)，由(you)於(yu)沒(mei)有(you)能(neng)量(liang)處(chu)理(li)環(huan)節(jie)，大(da)量(liang)的(de)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)在(zai)轉(zhuan)子(zi)電(dian)阻(zu)上(shang)，致(zhi)使(shi)電(dian)機(ji)能(neng)耗(hao)增(zeng)加(jia)，不(bu)但(dan)浪(lang)費(fei)大(da)量(liang)的(de)電(dian)能(neng)
，而(er)且(qie)使(shi)電(dian)機(ji)銅(tong)損(sun)、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
，相當於電機的額定電流，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(yuan)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)采(cai)用(yong)繞(rao)線(xian)電(dian)機(ji)轉(zhuan)子(zi)串(chuan)電(dian)阻(zu)的(de)方(fang)式(shi)進(jin)行(xing)調(tiao)速(su)
，不(bu)僅(jin)將(jiang)大(da)量(liang)的(de)轉(zhuan)差(cha)功(gong)率(lv)消(xiao)耗(hao)在(zai)轉(zhuan)子(zi)電(dian)阻(zu)上(shang)
，浪(lang)費(fei)了(le)大(da)量(liang)電(dian)能(neng)，同(tong)時(shi)電(dian)阻(zu)器(qi)的(de)安(an)裝(zhuang)需(xu)要(yao)占(zhan)用(yong)很(hen)大(da)的(de)空(kong)間(jian)，增(zeng)加(jia)了(le)機(ji)房(fang)建(jian)設(she)費(fei)用(yong)。 

(3)這種切換轉子電阻調速的控製係統複雜，導致係統的故障率高

，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製動閘皮摩擦滾筒實現速度控製
，特別是在負載發生變化時，很難實現恒減速控製
，導致調速不連續
、速度控製性能較差。 

(5)啟動和換檔衝擊電流大，造成了很大的機械衝擊，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(zhen)對(dui)以(yi)上(shang)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)，煤(mei)礦(kuang)決(jue)定(ding)對(dui)原(yuan)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)改(gai)造(zao)。采(cai)用(yong)技(ji)術(shu)含(han)量(liang)較(jiao)高(gao)的(de)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)，替(ti)代(dai)原(yuan)來(lai)的(de)繞(rao)線(xian)電(dian)機(ji)串(chuan)電(dian)阻(zu)調(tiao)速(su)
，這(zhe)是(shi)較(jiao)理(li)想(xiang)的(de)方(fang)案(an)。變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)實(shi)現(xian)了(le)電(dian)機(ji)的(de)軟(ruan)啟(qi)動(dong)、軟ruan停ting車che，連lian續xu平ping滑hua調tiao速su，特te別bie是shi帶dai能neng量liang回hui饋kui的de四si象xiang限xian運yun行xing變bian頻pin器qi，可ke以yi將jiang電dian機ji在zai發fa電dian狀zhuang態tai下xia的de再zai生sheng電dian能neng回hui送song電dian網wang，降jiang低di電dian能neng消xiao耗hao，可ke節jie約yue大da量liang的de電dian能neng。

2、　變頻控製方案

2.1　變頻控製的特點

(1)變頻係統甩掉了原電控調速用的交流接觸器及調速電阻
，提高了係統的可靠性，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，機械衝擊小;

(3)啟動及加速過程衝擊電流小，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衝擊;

(4)增加了直流製動功能
，使重車停車時更加平穩;

(5)轉矩補償達到規範要求，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，采用回饋製動，節能效果更明顯;

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

(8)機ji內nei采cai用yong深shen圳zhen加jia能neng回hui饋kui單dan元yuan，回hui饋kui能neng量liang可ke直zhi接jie輸shu給gei電dian網wang，且qie不bu受shou回hui饋kui能neng量liang大da小xiao的de限xian製zhi，適shi應ying範fan圍wei廣guang，節jie能neng效xiao果guo明ming顯xian，係xi統tong可ke以yi實shi現xian四si象xiang限xian運yun行xing; 

(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

，還設有外圍控製的連鎖保護，包括製動閘信號與正、反轉信號的連鎖，變頻器故障信號與係統安全回路的連鎖
，機內備有自動減速程序等。 

2.2　方案的確定

設計時，因絞車係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neng量liang回hui饋kui單dan元yuan，降jiang低di前qian期qi投tou入ru成cheng本ben
，加jia快kuai產chan品pin生sheng產chan周zhou期qi
，同tong時shi也ye能neng降jiang低di維wei修xiu費fei用yong，也ye同tong樣yang能neng達da到dao在zai礦kuang車che下xia放fang時shi將jiang發fa生sheng的de電dian能neng直zhi接jie回hui送song電dian網wang
，節jie約yue大da量liang的de能neng量liang。 

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公司位於北美最大的港口城市Vancouver。在國內生產的IPC-PFH係列提升機專用能量回饋單元 ，特別適用於礦山提升機、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.  功率範圍：30KW～160KW； 
3.  製動方式：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.  製動力矩：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. 設計工作製：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，回饋製動頻度40%。
2. 把再生能量回饋電網
，效率 97% ，增加運行經濟效益。 
3. 熱損耗為耗能製動的 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，不會汙染電網和幹擾其他設備。 
7. 高性能回饋式製動單元。外置大電抗器，可直接和電網駁接使用。

2.3　係統的組成

2.3.1  雙電源進線櫃      1台 

2.3.2  變頻櫃            1台 （ABB-ACS800）

2.3.3  回饋製動櫃        1台 （IPC-PFH75-4*3套並聯）

2.3.4  PLC控製櫃        1台  （雙PLC）

2.3.5  司機控製台        1台 （含上位機監控係統）

2.3.6  軸編碼器          2抬

2.3.7  位置傳感器        6套

2.4　控製原理

　　控製核心為ABB ACS 800係列重載型變頻器，利用與變頻提升機係統對接對絞車進行起
、停
、加減速及機械抱閘係統的控製，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製
，並確保停車位置的準確性。

其係統組成如圖所示：圖1由左往右依次為 變頻櫃 回饋製動櫃 PLC控製櫃 雙電源進線櫃。

                    圖2為提升機控製台

 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(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)經(jing)整(zheng)流(liu)濾(lv)波(bo)變(bian)成(cheng)直(zhi)流(liu)電(dian)，為(wei)逆(ni)變(bian)提(ti)供(gong)電(dian)源(yuan)
，逆(ni)變(bian)的(de)功(gong)能(neng)是(shi)將(jiang)整(zheng)流(liu)後(hou)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)轉(zhuan)化(hua)為(wei)調(tiao)頻(pin)調(tiao)壓(ya)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)去(qu)驅(qu)動(dong)電(dian)機(ji)
，電(dian)能(neng)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)機(ji)械(xie)能(neng)
，實(shi)現(xian)提(ti)升(sheng)作(zuo)業(ye);當dang電dian機ji由you高gao速su運yun行xing減jian速su或huo單dan鉤gou絞jiao車che下xia放fang時shi，負fu載zai由you於yu存cun在zai慣guan性xing，電dian機ji的de實shi際ji轉zhuan速su會hui超chao過guo它ta的de同tong步bu轉zhuan速su，機ji械xie能neng轉zhuan化hua為wei電dian能neng

，由you電dian動dong機ji運yun行xing狀zhuang態tai變bian成cheng發fa電dian機ji運yun行xing狀zhuang態tai，發fa出chu的de交jiao流liu電dian經jing逆ni變bian部bu分fen的de續xu流liu二er極ji管guan整zheng流liu成cheng直zhi流liu，使shi母mu線xian電dian壓ya升sheng高gao，直zhi接jie危wei及ji功gong率lv器qi件jian
，必bi須xu把ba這zhe部bu分fen能neng量liang釋shi放fang掉diao，於yu是shi我wo們men做zuo了le回hui饋kui單dan元yuan
，對dui這zhe部bu分fen能neng量liang進jin行xing處chu理li
，反fan送song回hui電dian網wang
，從cong而er保bao證zheng變bian頻pin器qi的de安an全quan工gong作zuo，並bing進jin而er節jie約yue了le電dian能neng。

 (2)控製回路

　　采用cpu統一控製和 變頻器自身的plc 外端接口相結合，使調速係統具有很高的可靠性，同時利用 plc 強大的控製能力實現靈活的控製方式和電氣隔離。

(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、鬆閘信號
、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、鬆閘、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wei全quan數shu字zi單dan片pian機ji控kong製zhi技ji術shu，可ke以yi實shi現xian交jiao流liu電dian動dong機ji大da範fan圍wei內nei的de無wu級ji平ping滑hua調tiao速su，在zai運yun行xing過guo程cheng中zhong能neng隨sui時shi檢jian測ce電dian動dong機ji的de負fu載zai情qing況kuang，自zi動dong調tiao整zheng功gong率lv輸shu出chu，使shi電dian動dong機ji始shi終zhong運yun行xing在zai最zui佳jia狀zhuang態tai，節jie能neng效xiao果guo明ming顯xian。

(4)係統的控製框圖如圖 4所示。

圖4、　控製係統原理

3、　改造後的效果計算

 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

提升過程中每勾低於工頻運行的時間：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；

淨效率（實際效率）=機械效率 x 電機效率 x 驅動控製效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 

E_hoist1 [kWh]={(負載率 x 額定功率) x 淨效率} 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) ：

淨效率（實際效率）=機械效率 x 電機效率 x 驅動控製效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 

E_hoist2 [kWh]={(負載率 x 額定功率) x 淨效率} 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 驅動控製效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負載率 x 額定功率) x 淨效率} 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 驅動控製效率= 0.91 x 0.93 x 0.98 = 0.83 E_lowering [kWh] = -{(負載率 x 額定功率) x 淨效率} 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淨能量消耗（E_net_hoist）

E_net_hoist =1136kWh -440kWh =696kWh

不安裝回饋製動變頻器的功耗

   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、雲南
、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jie電dian顯xian著zhu等deng方fang麵mian都dou體ti現xian出chu明ming顯xian的de優you勢shi。特te別bie是shi近jin幾ji年nian產chan品pin的de優you化hua升sheng級ji
，使shi其qi可ke靠kao性xing應ying用yong得de到dao極ji大da的de提ti高gao。提ti升sheng機ji變bian頻pin器qi實shi現xian了le四si象xiang限xian運yun行xing、電能的回饋等新技術
，其應用前景將會是很廣闊的。