【正文】 指 導(dǎo) 教 師 路金 萍 系（部）主 任 年 月 日 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文）答 辯 委 員會記錄 電力工程系 系 礦山機電 專業(yè) ， 學(xué) 生 張致源 于 年 月 日 進(jìn) 行了 畢業(yè)設(shè)計 （ 論 文）答 辯 。 編 制 設(shè)計 B 設(shè)計本課題是對已學(xué)知識的整理和進(jìn)一步的理解、認(rèn)識、學(xué)習(xí)和掌握發(fā) 礦用提升機 部分設(shè)計的基本方法，培養(yǎng)獨立分析和解決問題的工作能力及實際 工程設(shè)計的基本技能 。上世紀(jì)七十年代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標(biāo)志著用同步電動機來代替直流電機實現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時代已經(jīng)到來。上世紀(jì)八十年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管理。直到目前為止，我國正在服務(wù)的礦井提升機電控系統(tǒng)大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串金屬電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。按提升容器分 :箕斗提升、籠提升、礦車提升 。因此在 20 世紀(jì) 60 年代開始單繩纏繞式礦井提升機采用較多。盡管轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法很不經(jīng)濟，低速特性也很軟，穩(wěn)定性差，但是由于這種調(diào)速方法比較簡單易行，起動轉(zhuǎn)矩較大在拖動起重機等中、小容量的繞線式異步電動機中仍然應(yīng)用廣泛。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是 :體積小、重量輕、占地面積小 。調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高 。比較國內(nèi)外礦用提升機系統(tǒng)，具體來說國外礦井提升機在電控方面的應(yīng)用特點有以下幾個方面 : l)提升工藝過程微機控制 提升工藝過程大都采用微機控制 ，由于微機功能強，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。 3)提升過程監(jiān)視 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 提升過程監(jiān)視與安全回路一 樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。 在電力拖動方面，近幾年國外出現(xiàn)了不少新拖動方式，交一交變頻供電方式就是最有前途的一種。 課題研究的目的和意義 礦井提升機是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。一旦提升機的行程失去 控制，沒有按照給定速度曲線運行，就會發(fā)生提升機超速、過卷事故，造成楔形罐道、箕斗的損壞，影響礦井正常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡，給煤礦生產(chǎn)帶來極大的經(jīng)濟損失。對礦井提 升機電氣傳動系統(tǒng)的要求是：有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運行，能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運行，動態(tài)響應(yīng)速度快，有準(zhǔn)確的制動和定位功能，可靠性要求高等。這種電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備簡單，但屬于有級調(diào)速，提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別在負(fù)載變動時很難實現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會造成過放或過卷事故。變頻器的調(diào)速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速和恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果 [10]。 本課題擬解決的關(guān)鍵問題是控制策略研究，提升機是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它屬于大轉(zhuǎn)動慣量機 電 液系統(tǒng)，提升機要按所要求的速度圖運行，否則在系統(tǒng)中容易產(chǎn)生大的慣平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 性力，降低機 器的壽命，甚至產(chǎn)生脫軌等惡性事故。尤其在軟件 中采用提升機電控系統(tǒng)中斷模塊及故障處理模塊，使超速報警更加科學(xué)合理。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實現(xiàn)。提升機系統(tǒng)是一個對安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設(shè)計部分應(yīng)有對其系統(tǒng)的故障診斷處理內(nèi)容，在出現(xiàn)故障時應(yīng)能及時報警或停車。所以尋求一種理想的速度給定方式極為重要，以求能夠提高電控系統(tǒng)控制性能，改善控制品質(zhì)。安全回路應(yīng)具有雙重冗余功能。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。提升繩的兩端各連接一個容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。年產(chǎn) 120 萬噸以上、井深小于 2100 米的豎井大多采用這種提升機 。隨著礦井 深度和產(chǎn)量的加大，鋼絲繩的長度和直徑相應(yīng)增加。 ② 雙卷筒提升機，作雙鉤提升（圖1）。深井提升時，由于兩側(cè)鋼絲繩長度變化大，力矩很不平衡。 （二）摩擦式提升機 多繩摩擦式提升機的主要 部件有主軸、主導(dǎo)輪、主軸承、車槽裝置、減速器、 深度指示器、制動裝置及導(dǎo)向輪等。由于鋼絲繩與主導(dǎo)輪襯墊間不可避免的蠕動和滑動，停車時深度指示器偏離零位，故應(yīng)設(shè)自動調(diào)零裝置，在每次停車期間使指針自動指向零位。 機房直接設(shè)在地面上，井架低，投資小，抗震性能好；缺點是鋼平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 絲繩暴露在露天，彎曲次數(shù)多 ,影響鋼絲繩的工作條件及使用壽命（圖 4）。 制動裝置的作用 （ 1）在提升終了或提升機不工作時，可靠的閘住提升機 —— 停車制動； （ 2）減速階段參與提升機的速度控制 —— 工作制動； （ 3）作為安全機構(gòu)，發(fā)生緊急事故時，進(jìn)行安全制動，對提升系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù) —— 緊急制動； （ 4）雙卷筒 提升機動作調(diào)繩離合器時，應(yīng)能閘住活卷筒，動作死卷筒。 對具有 2 套閘瓦只有 1 套傳動裝置的雙滾筒絞車，應(yīng)改為每個滾筒各自有其控制機構(gòu)的彈簧閘。 常用閘必須采用可調(diào)節(jié)的機械制動裝置。 （三） 提升絞車的常用閘和保險閘制動時 ，所產(chǎn)生的力矩與實際提升最大靜載荷旋轉(zhuǎn)力矩之比不得小于 3。 礦井提升機的安全保護(hù)裝置 《煤礦安全規(guī)程》第 427 條規(guī)定：提升機必須具有以下九種安全保護(hù)裝置： 防止過卷裝置、防止過速裝置、過負(fù)荷和欠 電壓保護(hù)裝置、限速裝置、深度指示器失效保護(hù)裝置、閘間隙保護(hù)裝置、松繩保護(hù)裝置、滿倉保護(hù)裝置、減速功能保護(hù)裝置 防止過卷裝置：當(dāng)提升容器超過正常終端停止位置（或出車平臺） 時，必須能自動斷電，并能使保險閘發(fā)生制動作用。如果限速裝置為凸輪板，其在１個提升行程內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)不小于 270176。箕斗提升時，送繩保護(hù)裝置動作后，嚴(yán)禁受煤倉放煤。 第 4章 提升機 調(diào) 速控制系 統(tǒng) 硬件 實現(xiàn) 提升機電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 基于 PLC 控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖 3— 1 所示。 操作臺：操作臺設(shè)置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。操作人員通過操作臺向 PLC 發(fā)送控制提升機運行的控制命令。變頻器選用森蘭公司的通用變頻器系列 SB61G110KW通用變頻器，功率為 110kW。 為了便于監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號送到 PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報警信號及安全制動。 變頻控制部分設(shè)計 變頻調(diào)速單元采用森蘭 SB61系列 SB61G110KW通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖 3— 2 所示。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 調(diào)速控制系統(tǒng)主電路主要部件的功能和原理： ①空氣斷路器：過流過載保護(hù)； ②交流接觸器：切斷電源和啟動； ③交流電抗器 La：降低諧波，抑制浪涌電壓，改善功率因數(shù)； ④噪聲濾波 LB：減小無線電干擾； ⑤電抗器 LA：減小干擾和振動； ⑥熱繼電器 FR：斷相保護(hù)，過載保護(hù)； 1 提升電動機選擇 一般電動機的額定電流可以用如下公式計算，即： 根據(jù)上 述公式對一般三相交流異步電功機的額定電流計算得出：異步電動機的額定電流與電動機額定功率的關(guān)系為：如果 U＝ 380V，電流大約為 1kW 是 2A。另外礦 用提升機屬于頻繁起動、加減速運轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定： 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 式中 ： 變頻器額定輸出電流 (A)； 各運行狀態(tài)平均電流 (A)； 各運行狀態(tài)下的時間（ s）； K0：安全系數(shù) (運行頻繁時取 ，其它條件下為 )。尤其它還提供了絞車應(yīng)用宏程 序，可以實現(xiàn)絞車過載保護(hù)、過卷保護(hù)、超速保護(hù)和各種故障監(jiān)控及報警，模塊化功能可方便實現(xiàn)施工現(xiàn)場多臺絞車同步控制，確保使用時安全快速運行、故障處理容易、維護(hù)簡單。為了保護(hù)報警輸出的觸點，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即 RC 震蕩電路）。 2 制動控制回路 提升機負(fù)載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至 0 Hz時，常常停不住，而有“蠕動”(也稱爬行 )現(xiàn)象，在礦山提升機這種大負(fù)載機械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了 180176。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動機再生的電能經(jīng)如圖 3— 2 所示與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電 容上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而獲得制動轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動狀態(tài)。通常，電動機容量較小時取小值，反之取大值。 （ I）制動單元 BV的組成如圖上劃線框所示， BV的組成如下： a）功率管用于接通與關(guān)斷能耗電路，是制動單元的主體。其主要參數(shù)的一般選擇方法如下： a）擊穿電壓在電源電壓為 380V時，選 =1000V即可。這時，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，是制動轉(zhuǎn)矩。即：首先用再生制動方式將電動機的轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速，然后再轉(zhuǎn)換成直流制動，使電動機迅速停住。預(yù)置 直流制動電壓 (或制動電流 )的主要依據(jù)是負(fù)載慣性的大小，慣性越大者，直流制動強度 (或 )也應(yīng)越大。直流制動功能預(yù)置參數(shù) F40 F40 F405設(shè)置（見附錄：變頻器各項參數(shù)設(shè)定）。它包括啟動加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減制動段 5 個階段，構(gòu)成了礦井提升機一次完整的運行周期 [11]。所以，要實現(xiàn)按理想 S 形速度曲線運行，只需速度給定曲線是理想 S 形速度曲線即可。現(xiàn)在分段來研究圖 5— 3中不同曲線段的數(shù)學(xué)模型。 （ 5） hi為二次減速停車段，其曲線形狀除了無勻加速度段外完全同第（ 3）段，只是此時減速起始速度 v一般較小，所以最大加速度 a1和最大加加速度ρ 1的值和它們之間比值應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整以滿足實際 情況。由前述可知加速段和減速段具有對稱性，這可以簡化程序。在實際應(yīng)用中，只要根據(jù)實際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整最大加速度、加加速度及它們之間的比值，就能快速、方便地得到一條優(yōu)良的 S 形速度給定曲線。 在減速停車段，由于無勻 加速段，故 v5 = v4/2=1m/s,由式 v5 = 解得到 =,= ,求解得到： shi=2m。 （ 2）第二階段 t3～ t′：勻速運行階段。 （ 3）第三階段 t′～ t3′：重車快到井口時減速階段，重車減速到低速，進(jìn)入爬行階段。操作工人發(fā)一個聯(lián)絡(luò)信號到井下，整個提升過程結(jié)束。綜合以上步驟就可以完成 S形給定速度曲線的