提升机电气系统及控制系统的改造

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引言

为了与综采工作面的生产能力及地面生产需求相匹配，一般情况下提升机处于运行的状态，其耗电量极高。为了响应国家绿色生产的号召，煤矿综采工作面的生产也对综采设备的安全性和节能效果提出了更高的要求。本文将对某矿当前提升机电气控制系统的现状进行研究，并在此基础上对当前电气系统进行改造，而且达到煤矿提升机节能的效果。

1课题背景

目前，应用于该矿的提升机为单滚筒立井提升机，该提升机控制系统的设备相对落后。无法实现对提升机实际生产的实时监控和报警；该提升机的保护功能不符合《煤炭安全手册》的相关标准要求；该提升机在实际生产中噪声较大、耗能较高[1-2]。为了提升该矿提升机的生产能力、丰富其功能、降低其功耗，本文将对其进行改造。

2提升机电气自动化系统的改造

目前，变频器在工业生产中的应用相对频繁且应用范围相对广泛，其主要功能是实现对交流异步电机的软启动、变频调速、过载保护、过流保护功能[3]。变频调速原理如式（1）所示：n=60f（1-s）/p.（1）式中：n为提升机电机的转速，f为提升机电机的频率，s为提升机电机的转差率，p为提升机电机的极数。由式（1）可知，通过调整电机的频率实现对电机转速的调节，进而实现对提升机转速的平滑调节[4]。实现对提升机的变频调速是矿井提升机电气控制系统的主要功能之一，而实现这一功能的核心元器件为变频器[5]。因此，矿井提升机电气控制系统的控制效果在一定程度上由变频器决定，即变频器在电气控制系统中的选型极为关键。提升机电机的额定功率为110kW，定子电流为236A。在查阅变频器选型手册和相关选型依据的基础上，最终方案中所选的变频器型号为ACS800-07-0550-7，并根据控制需求完成对变频器主线路的接线、PLC控制信号与变频柜的连接以及变频器相关参数的设置。提升机变频调速实现的核心为PLC控制器对提升机速度的变频调速，其控制系统的稳定性和可靠性尤其重要。以往对提升机变频调速实现的算法为PID控制。为了对提升机速度的理想控制效果，将模糊控制理念应用于PID控制器中，形成了模糊PID控制器。模糊PID控制器实现的关键在于对其中三个环节中的GkP、GkI以及GkD参数的确定。变频调速模块由异步电机矢量控制所实现，为了达到理想的控制效果，需选用恰当的控制器。目前，工业中选用的控制器大部分为PID控制器。基于相关PID控制理论根据实际生产基于Simulink软件建立对应的仿真模型，对GkP、GkI以及GkD三个参数进行不断优化。经过多次调节后整定，三个参数的取值分别为：GkP=0.002；GkI=0.35；GkD=0.05。

3变频调速控制效果分析

经改造后期电气自动化系统能够实现对提升机平稳调速，进而提升了系统的稳定性和可靠性。此外，经改造后系统的提升量得到了显著的提高，从一定程度上提升了该矿提升机的生产效率，为提高整个工作面的生产效率奠定了基础。经统计，改造后的系统用电量得到了明显了缩减，具体如表1所示。分析表1可知，提升机电气系统改造后每提升1t的煤炭到地面消耗2.5kW•h的电能，较改造前节约0.74kW•h的电能。经改造后提升系统的提升量由之前的26t/次提升为当前的29.5t/次，且提升等量煤炭时系统的电流值由之前的800A缩减为当前的735A，单次提升所耗时间为82s，即提升循环时间为82s。按照每天工作16h计算，则改造后每天提升量增加（29.5-26）×（3600÷82）×16=2458.54t。为验证模糊PID控制效果，本文对提升机在加速阶段速度的变化情况进行仿真分析。将模糊PID理念应用于对提升机变频调速的控制中能够实现对速度的平稳控制，系统的动态性能较为优越，能够在7s内完成对提升机速度的调整，且在调整过程中无超调。

4结论

矿井提升机作为综采工作面的主要提升设备，主要实现对煤炭、物料以及人员的运送。为了提升提升机的效率，降低其能耗，将变频调速控制系统应用于其电气自动化系统中，实现对提升机的实时平滑调速。经现场试验可知，改造后提升机的电气控制系统提升每t煤炭时降低0.74kW•h的电能；满载状态下运行时能耗与之前降低8%；启动阶段的能耗降低20%；提升系统的循环周期降低3s。可见变频调速系统在提升机电气自动化控制系统的应用能够有效降低能耗并提升其提升效率。

参考文献

[1]闫桂生，王涛.煤矿提升机电气控制系统的技术改造[J].煤矿安全，2000，31（10）：16.

[2]魏琳.煤矿提升机电气控制系统的技术优化研究[J].通信电源技术，2018，35（4）：73-74.

[3]张益瑞.煤矿提升机电气控制系统的技术改造研究[J].科技经济市场，2016（9）：34-36.

[4]王安山，牛秀金，刘竟雄.矿井提升机电气控制系统的发展[C]//全国煤矿自动化学术会议论文集，2007.

[5]孙社民.浅谈煤矿提升机电气控制系统的技术改造[J].山东煤炭科技，2014（10）：116-117.

作者：田峰 单位：山西山煤国源煤矿安全技术有限公司