CN112901255A - 一种矿井应急提升驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于提升机及其控制技术，提出的一种矿井提升应急驱动系统，主要由备用应急电源、一组切换开关、三相整流变压器、整流器、逆变器、制动斩波器和制动电阻等组成；不必对提升主机设备作任何的改动，结合提升电控设备中控制系统，在网电“双停”或者提升电控设备中变频系统严重故障的情况下，满足应急提升的需要，为矿井提升特别是运送人员的罐笼、人车、吊桶提升等，备用了应急提升动力，故障当次能够在较短的时间内将被困在井筒中的乘员安全撤离到井口（地面），并为井下需要紧急撤离的人员或应急救援人员和物资提供安全通道，提高了矿井提升的安全可靠性，同时，本发明的设备投资和运维成本较低，社会和经济效益显著。

Description

一种矿井应急提升驱动系统
技术领域
本发明属于提升机及其控制技术领域，具体提出一种矿井应急提升驱动系统。
背景技术
矿井提升机是矿井的咽喉设备并作为一级负荷，通常具有双回路供电，但这双回路均来自网路供电，来源性质相同，有同时失败的可能。具体原因可能是不可预料的天灾如台风、冰雹等，甚至是管理不善、操作不当等人祸，双回路供电均失败的“双停”事故在全国矿井中时有发生。停电造成矿井提升机在运行过程中途急停，如果不能在短时间内恢复供电，故障的当次提升容器中的乘员就被困在井筒中，井下的人员也无法通过矿井提升机撤离，安全隐患陡增；“双停”电网事故往往伴随着全矿停电，井下的通风、水泵等设备停运，可能需要应急救援的人员和物资也无法通过矿井提升机运送到井下。
传统的做法是借助两只提升容器不在交峰区域所具有的张力差，通过一定措施人为控制制动闸进行重力滑行，将困在井筒中的乘罐人员滑行至井底、中段水平或井口。由于网路供电失败造成的矿井提升机急停后，两只提升容器间的张力差具有随机性，通过重力滑行撤离困在井筒中的乘员，滑行速度和目的地具有不确定性，同时可能产生新的不可预见的危险。没有动力驱动的重力滑行不符合《煤矿安全规程》、《金属非金属矿山安全规程》等要求。
所以，传统的另一做法是备用应急电源如柴油发电机组等。用来运送人员的矿井提升机通常装机容量在数百至数千千瓦，考虑一定的裕量，备用应急电源的装机容量通常为矿井提升机装机容量的1.3倍及以上，价格不菲，而且又不常用，一次投资和运维的成本都较高；这种做法，还有一定的安全隐患，即矿井提升机在负力减速和重物下放过程中，提升电动机处于发电状态，能量逆向传输，泵升导致柴油发电机组输出侧主回路的电压升高，因过电压可能损坏包括发电机在内的有关设备和器件，应急提升过程中出现设备的严重故障，其后果更加严重。
发明内容
本发明的目的是提出一种矿井应急提升驱动系统，使其在“双停”或提升电控设备中的变频系统出现严重故障、同时无法在短时间内恢复设备运行的情况下，借助所述矿井应急提升驱动系统并结合提升电控设备中的控制系统，进行应急提升，将被困在井筒中的乘员紧急撤离至井口（地面），并为井下需要紧急撤离的人员或应急救援人员和物资提供安全通道。
本发明采取以下技术方案完成其发明目的：
一种矿井应急提升驱动系统，矿井应急提升驱动系统设置在已有的提升电控设备上；矿井应急提升驱动系统主要由备用应急电源、一组分别用于应急电源、控制电源和主回路切换的切换开关、三相整流变压器、整流器、逆变器、制动斩波器和制动电阻组成；所述控制电源切换开关的两组输入端分别连接网电的控制电源和应急电源的三相，使所述的控制电源具备了来源性质不同的双回路供电：一路为所述网路电源、一路为所述应急电源；所述应急电源和来自网电的控制电源的三相分别连至所述应急电源切换开关的两组输入端，使所述的应急提升驱动系统具有来源性质不同的双回路供电：一路为所述应急电源、一路为所述网路电源；所述应急电源切换开关的输出端与所述三相整流变压器的一次侧相连，所述三相整流变压器的二次侧与所述整流器的三相输入端相连，为所述整流器提供三相交流的动力电源，所述整流器的直流输出正负两端分别与所述逆变器的正负输入端相连，为所述逆变器提供直流的动力电源，所述逆变器将直流电调制成频率可设定的三相交流电，所述整流器和逆变器的组合为两象限低压变频器；所述提升电控设备中变频系统的三相输出端与所述逆变器的三相输出端分别连至所述主回路切换开关的两组输入端，所述主回路切换开关的输出端与提升主机设备中交流电动机定子相连，为矿井提升机提供来源性质不同的双回路动力电源：一路为所述变频系统、一路为所述应急提升驱动系统；正常情况下，所述交流电动机由所述的变频系统驱动，应急情况下，由所述的应急提升驱动系统驱动，确保在任何情况下，矿井提升机均具有来源性质不同的双回路动力电源；所述的制动斩波器和所述的制动电阻串联后，并接在所述整流器和逆变器的直流母排正负两端，负力即重物下放的应急提升过程中产生的电能通过所述制动电阻消耗掉，所述的电能逆向传输可能损坏所述应急电源等设备和器件的故障将得到避免。
进一步，完善所述应急提升驱动系统和所述控制系统之间的输入输出接口，将所述逆变器的输入输出接口与所述控制系统相连接，用于控制所述逆变器的运行并检测所述逆变器的运行状态；同时，将能够检测所述应急电源切换开关、控制电源切换开关和主回路切换开关的合闸状态信号与所述控制系统相连，在所述控制系统中进行可靠闭锁并增设“应急提升”方式，所述控制系统分别在“正常提升”和“应急提升”方式下对所述变频系统和所述应急提升驱动系统发出有效的指令。
所述的备用应急电源为三相发电机组或不间断电源（UPS），输出三相交流电的额定电压与所述的控制电源一致，国内通常为AC 0.38kV，装机容量与所述三相整流变压器的功率相当，续航能力要满足应急提升的需要，作为优选，所述备用应急电源为三相低压柴油发电机组，可靠、实用，续航能力有保障。
所述三相整流变压器为低压变压器，要求短路阻抗为6%左右，输入额定电压也与所述的控制电源一致，输出电压与所述逆变器的输出电压一致，装机容量至少为所述两象限低压变频器功率的1.3~1.6倍。
所述整流器和逆变器的组合为两象限低压变频器，根据提升主机设备中的交流电动机的电压等级（国内通常为0.38kV、0.66kV、1.14kV、6kV、10kV），选定所述两象限低压变频器的额定输入输出电压为AC 0.38kV~1.14kV，额定输出电流与所述提升电控设备中变频系统的额定电流相当。
所述的制动斩波器可以内置于所述两象限低压变频器中，也可为外置的制动单元，与制动电阻串联后，并接于所述两象限低压变频器的直流母排两端；所述的制动斩波器的开通门槛电压，优选的为所述直流母排额定电压的1.17倍左右；所述交流电动机处于发电状态过程中效率较低，在实用中，所述制动单元的功率可略小于所述两象限低压变频器；在负力（重物下放）应急提升过程中，提升主机设备中交流电动机处于发电状态，所述直流母排电压泵升至所述的开通门槛电压时，所述制动斩波器开通，将所述制动电阻接入所述直流母排两端，所述交流电动机发出的电能通过所述制动电阻发热消耗掉，限制了所述直流母排电压进一步泵升，确保包括所述备用应急电源和所述整流器和逆变器在内的设备和器件不被过高电压损坏。
假设，所述矿井提升设备的额定运行速度为Ve（m/s），所述交流电动机的额定电压为U1，所述两象限低压变频器额定输出电压为U2，所以，所述应急提升过程中的稳定运行速度为Ve*U1/U2（m/s），所述交流电动机的稳定运行频率为50*U1/U2（Hz）；同样，假设提升电控设备中变频系统的额定容量为Se，所述两象限低压变频器的额定容量约为Se*U1/U2。变频器的额定容量越低，价格越便宜，所述两象限低压变频器的投资相当于所述变频系统的数分之一，基于所述两象限低压变频器的额定容量，所述备用应急电源的额定容量也相应降低，减少了投资成本，所述交流电动机的额定电压U1为6kV或10kV的情况下，投资成本的节省比较明显。
所述一组切换开关，通过切换开关的不同闭合位置的组合和闭锁，可实现“应急提升”方式下，所述两象限低压变频器或所述控制系统可分别由网电或应急电源供电，日常可以模拟应急提升的演练，结合适当的管理，持续确保所述应急提升驱动系统处于完好待命状态，降低运维费用。
本发明提出的一种矿井提升应急驱动系统，结合提升电控设备中控制系统以及提升主机设备包括交流电动机和液压制动系统等，不必对提升主机设备作任何的改动，采用上述技术方案，在网电“双停”或者提升电控设备中变频系统严重故障的情况下，满足应急提升的需要，为矿井提升特别是运送人员的罐笼、人车、吊桶提升等，备用了应急提升动力，故障当次能够在较短的时间内将被困在井筒中的乘员安全撤离到井口（地面），并为井下需要紧急撤离的人员或应急救援人员和物资提供安全通道，提高了矿井提升的安全可靠性，同时，本发明的设备投资和运维成本较低，社会和经济效益显著。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图中：1、备用应急电源，2.1、应急电源切换开关，2.2、控制电源切换开关，2.3、主回路切换开关，3、三相整流变压器，4、整流器，5、逆变器，6、制动斩波器，7、制动电阻，8、提升电控设备，8.1、网路电源，8.2、高压开关柜，8.3、动力变压器，8.4、变频系统，8.5、控制系统，8.6、控制电源，9、提升主机设备，9.1、交流电动机，9.2、减速器，9.3、卷筒，9.4、提升容器。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明实施例加以说明：
结合图1，矿井提升机通常由提升电控设备8和提升主机设备9组成，矿井提升机按规程规定为一级负荷，通常设置有来自供电网络的双回路进线，但供电来源的性质相同；双回路进线的网路电源8.1通过高压开关柜8.2分别为动力变压器8.3和变频系统8.4供电，所述动力变压器8.3将所述网路电源8.1的高压电变成低压控制电源8.6（国内通常为AC0.38kV），为控制系统8.5提供电源，维持矿井提升机的控制和运行；正常情况下，所述变频系统8.4将50Hz的动力电变成0-50Hz频率可调的交流电，驱动所述提升主机设备9中交流电动机9.1进行加速、等速、减速、爬行等阶段的整个提升过程，所述交流电动机9.1通过减速器9.2带动卷筒9.3运转，通过钢丝绳从而带动提升容器9.4的上下运行，人员乘坐于所述提升容器9.4（罐笼或人车、吊桶等）中，从而达到人员上下井筒的目的；所述矿井提升机正在运行的过程中，所述网络电源8.1突然失电，在所述提升容器9.4中的乘员被困在井筒中，按理说，作为一级负荷的双回路供电，一路失电，另一路应该能在较短的时间内恢复供电，恢复供电后，继续将所述的乘员安全送达目的地即可；问题在于，往往因不可预料的天灾原因如台风、冰雹等，甚至人祸原因造成双回路供电均失败即“双停”事故，短时间内无法恢复供电，这种情况下，长时间被困在井筒中的乘员因情绪等原因可能导致过激行为，安全隐患陡增；“双停”事故通常往往造成全矿停电，井下的通风排水等设备也无法运行，井下工作人员的安全隐患也将增加，需要在一定的时间内将这些人员撤离到地面，这种情况下，有时还需要应急救援人员和物资紧急送往井下。
如图1所示，一种矿井应急提升驱动系统，在所述提升电控设备8的基础上增设，主要由备用应急电源1、一组切换开关2.1（应急电源切换开关）、2.2（控制电源切换开关）和2.3（主回路切换开关）、三相整流变压器3、整流器4、逆变器5、制动斩波器6和制动电阻7等组成。分别将来自网电的控制电源8.6和应急电源1的三相连至所述控制电源切换开关2.2的两组输入端，所述控制电源即具备了来源性质不同的双回路供电（一路为所述网路电源、一路为所述应急电源）；同样，所述应急电源1和来自网电的控制电源8.6的三相分别连至所述应急电源切换开关2.1的两组输入端，所述应急提升驱动系统也具有来源性质不同的双回路供电（一路为所述应急电源、一路为所述网路电源）；所述应急电源切换开关2.1的输出端与所述三相整流变压器3的一次侧相连，所述三相整流变压器3的二次侧与所述整流器4的三相输入端相连，为所述整流器4提供三相交流的动力电源，所述整流器4的直流输出正负两端分别与所述逆变器5的正负输入端相连，为所述逆变器5提供直流的动力电源，所述逆变器5将直流电调制成频率可设定的三相交流电；所述变频系统8.4的三相输出端与所述逆变器5的三相输出端分别连至所述主回路切换开关2.3的两组输入端，所述主回路切换开关2.3的输出端与提升主机设备9中交流电动机9.1定子相连，为矿井提升机提供来源性质不同的双回路动力电源（一路为所述变频系统8.4、一路为所述应急提升驱动系统），正常情况下，所述交流电动机9.1由所述的变频系统8.4驱动，紧急情况下，由所述应急提升驱动系统驱动，确保在任何情况下，矿井提升机均具有来源性质不同的双回路动力电源。将所述制动斩波器6和所述制动电阻7串联后，并接在所述整流器4和所述逆变器5的直流母排正负两端，负力（重物下放）的应急提升过程中产生的电能通过所述制动电阻7消耗掉，所述的电能逆向传输可能损坏包括所述应急电源1、所述整流器4和所述逆变器5在内的设备和器件将得到避免。
进一步，完善所述应急提升驱动系统和所述控制系统8.5之间的输入输出接口，将所述逆变器5的输入输出接口与所述控制系统8.5相连接，用于控制所述逆变器5的运行并检测所述逆变器5的运行状态；同时，将能够检测所述切换开关2.1、2.2和2.3合闸状态的信号与所述控制系统8.5相连（祥见图1中控制线的实线部分）。在所述控制系统8.5中进行可靠闭锁并增设“应急提升”方式，所述控制系统8.5分别在“正常提升”和“应急提升”方式下对所述变频系统8.4和所述应急提升驱动系统发出有效的指令。
图1中，以所述交流电动机9.1和所述变频系统8.4的主要参数（额定功率/电流/电压）分别是1000kW/125A/6kV和1250kW/150A/6kV为例，各关键件的选型及配套关系说明如下。
与所述交流电动机9.1和所述变频系统8.4的主要参数相对应，选定所述整流器4和逆变器5的组合为两象限低压变频器，选取所述两象限低压变频器（4和5）的主要参数（额定功率/电流/电压)为132kW/150A/0.66kV，所述两象限低压变频器（4和5）的额定电流所述变频系统8.4相当，本实例均为150A。
与所述整流器4和逆变器5相对应，选定所述的制动斩波器6为外置式制动单元，选取所述制动单元的主要参数（额定功率/电流/电压)为110kW/100A/0.66kV；选取制动电阻为110#金属电阻（5箱串联），主要参数（额定电阻/电流）为5*2.2Ω/46A；所述制动单元6的开通门槛电压为1042V（1.17*1.35*660V），所述制动单元6开通时流过所述金属电阻的电流约为94A，因为间歇性负载，通常流过所述金属电阻的电流允许为其额定电流的两倍左右；所述交流电动机9.1处于发电状态过程中效率较低，在实用中，所述制动单元6的功率可略小于所述两象限低压变频器（4和5）。
为满足所述两象限低压变频器（4和5）供电的要求，选取所述三相整流变压器的主要参数（额定视在功率/输入电压/输出电压)为200kVA/0.38kV/0.66kV，本实例中，所述额定视在功率相当于所述两象限低压变频器功率的1.52倍。
为满足所述应急提升驱动系统的应急供电的需要，选定所述备用应急电源1为三相低压柴油发电机组，选取所述三相柴油发电机组1的主要参数（额定功率/输出电压）为200kW/0.38kV，本实施例中，所述三相低压柴油发电机组1的功率（200kW）与所述三相整流变压器3的额定视在功率（200kVA）相当；所述三相低压柴油发电机组1的燃料为柴油，只要备足燃料，续航能力有保障，除了完成故障当次应急提升外，根据实际需要，可按一定顺序继续撤离井下工作人员或将应急救援人员和物资送至井下。
结合本实施例，假设，所述提升主机设备9的额定运行速度为Ve，所述交流电动机9.1的额定电压为6kV，所述两象限低压变频器（4和5）额定输出电压为0.66kV，本实施例中，所述应急提升过程中的稳定运行速度为0.11Ve，所述交流电动机9.1以5.5Hz的稳定频率运行，尽管应急提升过程速度慢些，但对故障当次安全撤离被困在井筒中的乘员特别有意义；如果按传统的做法，为了达到应急提升的目的，本实施例中，所述三相柴油发电机的额定功率至少选取为1600kW/6kV，与之相比较，本发明所述应急提升驱动系统的总体投资和运维的费用要低廉许多，而且传统的做法，还面临因负力减速和重物下放过程中，导致主回路过电压，可能损坏包括柴油发电机和所述变频系统8.4在内的设备和器件的风险。
所述一组切换开关2.1、2.2和2.3，通过切换开关的不同闭合位置（0、I、II）的组合和闭锁，可实现“应急提升”方式下，所述两象限低压变频器（4和5）或所述控制系统8.4可分别由网电或应急电源供电，可模拟应急提升的演练，结合适当的管理，确保所述应急提升驱动系统处于完好待命状态，降低运维费用。如下表。
切换开关 2.1位置 2.2位置 2.3位置 运行/试验模式
状态组合1 0 I I 正常提升
状态组合2 II II II 应急提升
状态组合3 I I II 低压变频器的运行或性能试验
状态组合4 0 II I 三相柴油发电机组的性能试验
如上表所示，当网电“双停”故障出现并需所述应急提升驱动系统投入使用，将所述切换开关2.1、2.2和2.3按上表切换开关“组合状态2”的位置合闸，启动备用应急电源1，将所述控制系统8.5置于“应急提升”方式，各设备正常，就可以进行应急提升，所述交流电动机9.1按设定的频率（如5.5Hz）稳速运行。正力提升（重物提升）过程中，电能从所述备用应急电源1经所述应急电源切换开关2.1、所述三相整流变压器3、所述整流器4、所述逆变器5和所述主回路切换开关2.3流向所述交流电动机9.1；在负力（重物下放）应急提升过程中，所述交流电动机9.1处于发电状态，电能经所述主回路切换开关2.3流向所述逆变器5，导致所述直流母排（DC+、DC-）电压泵升，当所述直流母排（DC+、DC-）电压升至门槛电压（本实施例为1042V）时，所述制动斩波器6开通，将所述制动电阻7接入所述直流母排（DC+、DC-）两端，将所述交流电动机9.1发出的电能通过所述制动电阻7发热消耗掉，限制了所述直流母排（DC+、DC-）电压进一步泵升，确保包括所述备用应急电源1和所述整流器4、所述逆变器5在内的设备和器件不因此过高电压而损坏。
当所述提升电控设备中变频系统8.4出现故障，将所述切换开关2.1、2.2和2.3按上表切换开关“组合状态3”的位置合闸，进行应急提升，故障当次通过所述两象限低压变频器（4和5）驱动可将困在井筒中的乘员撤离到井口。
最后说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换均属于本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种矿井应急提升驱动系统，其特征在于：矿井应急提升驱动系统设置在已有的提升电控设备上；矿井应急提升驱动系统主要由备用应急电源、一组分别用于应急电源、控制电源和主回路切换的切换开关、三相整流变压器、整流器、逆变器、制动斩波器和制动电阻组成；所述控制电源切换开关的两组输入端分别连接网电的控制电源和应急电源的三相，使所述的控制电源具备了来源性质不同的双回路供电：一路为所述网路电源、一路为所述应急电源；所述应急电源和来自网电的控制电源的三相分别连至所述应急电源切换开关的两组输入端，使所述的应急提升驱动系统具有来源性质不同的双回路供电：一路为所述应急电源、一路为所述网路电源；所述应急电源切换开关的输出端与所述三相整流变压器的一次侧相连，所述三相整流变压器的二次侧与所述整流器的三相输入端相连，为所述整流器提供三相交流的动力电源，所述整流器的直流输出正负两端分别与所述逆变器的正负输入端相连，为所述逆变器提供直流的动力电源，所述逆变器将直流电调制成频率设定的三相交流电，所述整流器和逆变器的组合为两象限低压变频器；所述提升电控设备中变频系统的三相输出端与所述逆变器的三相输出端分别连至所述主回路切换开关的两组输入端，所述主回路切换开关的输出端与提升主机设备中交流电动机定子相连，为矿井提升机提供来源性质不同的双回路动力电源：一路为所述变频系统、一路为所述应急提升驱动系统；正常情况下，所述交流电动机由所述的变频系统驱动，应急情况下，由所述的应急提升驱动系统驱动，确保在任何情况下，矿井提升机均具有来源性质不同的双回路动力电源；所述的制动斩波器和所述的制动电阻串联后，并接在所述整流器和逆变器的直流母排正负两端，负力即重物下放的应急提升过程中产生的电能通过所述制动电阻消耗掉，所述的电能逆向传输可能损坏所述应急电源等设备和器件的故障将得到避免；
进一步，完善所述应急提升驱动系统和所述控制系统之间的输入输出接口，将所述逆变器的输入输出接口与所述控制系统相连接，用于控制所述逆变器的运行并检测所述逆变器的运行状态；同时，将能够检测所述应急电源切换开关、控制电源切换开关和主回路切换开关的合闸状态信号与所述控制系统相连，在所述控制系统中进行可靠闭锁并增设“应急提升”方式，所述控制系统分别在“正常提升”和“应急提升”方式下对所述变频系统和所述应急提升驱动系统发出有效的指令。
2.如权利要求1所述的一种矿井应急提升驱动系统，其特征在于：所述的备用应急电源为三相发电机组或不间断电源（UPS），输出三相交流电的额定电压与所述的控制电源一致，装机容量与所述三相整流变压器的功率相当。
3.如权利要求1所述的一种矿井应急提升驱动系统，其特征在于：所述三相整流变压器为低压变压器，要求短路阻抗为6%左右，输入额定电压也与所述的控制电源一致，输出电压与所述逆变器的输出电压一致，装机容量至少为所述两象限低压变频器功率的1.3~1.6倍。
4.如权利要求1所述的一种矿井应急提升驱动系统，其特征在于：根据提升主机设备中的交流电动机的电压等级，选定所述两象限低压变频器的额定输入输出电压为AC 0.38kV~1.14kV，额定输出电流与所述提升电控设备中变频系统的额定电流相当。
5.如权利要求1所述的一种矿井应急提升驱动系统，其特征在于：所述的制动斩波器可以内置于所述两象限低压变频器中，也可为外置的制动单元，与制动电阻串联后，并接于所述两象限低压变频器的直流母排两端；所述的制动斩波器的开通门槛电压。
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