【正文】 第 2 頁 平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文） 任 務 書 姓名 張致源 專業(yè) 礦山機電 任 務 下 達 日 期 2021 年 3 月 6 日 設計 （ 論 文） 開 始日期 2021 年 3 月 8 日 設計 （ 論 文）完成日期 2021 年 5 月 19 日 設計 （ 論 文） 題 目： 提升機電控系統(tǒng)設計 A起初的提升機是電動機通過減速器傳動卷筒的系統(tǒng)，后來出現了直流慢速電動機和直流電動機懸臂安裝直接傳動的提升機。 就在國外科學技術突飛猛進發(fā)展的時候，我國提升機電控系統(tǒng)很長時間都處于落后的狀況。我國的礦井與世界上礦業(yè)較發(fā)達的國家相比，開采的井型較小、礦井提升高度較淺，煤礦用提升機較多，其他平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 礦 (如金屬礦、非金屬礦 )則較少。我國自己生產的晶閘 管 — 直流電動機控制系統(tǒng)應用于 20 世紀 90 年代。 礦井提升機對安全性、可靠性和調速性能的特殊要求，使得提升機電控系統(tǒng)的技術水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術水平。使各種故障在出現之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數進行存儲、保留或打印輸出。變頻調速方式類似于它勵直流電動機取得很寬的調速范圍、很好的調速平滑性和 有足夠硬度的機械特性，在提升機應用中顯示了其獨特的優(yōu)勢。隨著礦井提升系統(tǒng)自動化，改善提統(tǒng)的性能，以及提高提升設備的提升能力等的要求，對 電氣傳動方式提出了更高的要求。對于現采用 TKD 電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調速技術的發(fā)展，交一直一交電壓 型變頻調速技術已開始在礦井提升機改造中應用。設計中充分考慮到保護系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強大的 PLC 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡化了控制線路，并應用各種現場抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開 關、及 RC 防浪涌震蕩電路等。對于復雜的礦山提升機變頻調速電控系統(tǒng)采用 PLC 控制，在本文中設計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖及控制程序編程語言。 為了保證其安全生產，在系統(tǒng)設計上應采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。中 國制造的卷筒直徑為 2～ 5m。等直徑卷筒的結構簡單，制造容易，價格低，得到普遍應用。目前使用較多的襯墊材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡膠等。制動器按其結構可分為塊閘 (角移式和平移式 )和盤問；傳動裝置按傳動能源可分為液壓、氣動及彈簧等。 （二） 《煤礦安全規(guī)程》第 429 條規(guī)定：保險閘必須采用配重式或彈簧式的制動裝置，除可由司機操縱外，還必須能自動抱閘，并同時自動切斷提升裝置電源。的傾斜井巷，提升裝置的保險閘發(fā)生作用時，減速度必須符合：下放重載時，不得小于 。 松繩保護裝置：纏繞式提升絞車必須設置松繩保護裝置并接入安全回路和報警回路，平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 在鋼絲繩松弛時能自動斷電并報警。 變頻調速器：是動力裝置的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉速的目的。 旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，并將此信號傳送給可編程控制器， PLC 通過該信號可以累計計算提升機的行走距離。此時的變頻器輸出頻率與設定電壓輸入成正比。同時具有短路、接地和過載保護功能。其對負載的變化和瞬時掉電，能做出迅速響應；開環(huán)控制精度可以達到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差 %～ %），開環(huán)轉矩階躍上升時間小于 5 ms，起動轉矩可達 200%，并具有有效的磁通 制動來提供最大可能的制動力矩。 另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯阻容吸收電路，以保護變頻器內部報警繼電器觸點。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。其選擇方法如下： 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 （ 1）的阻值一般情況下，的大小以使制動電流不超過變頻器額定電流的一半為宜，即 （ 2）的功率由于的工況屬于短時工作，幫其標稱功率可以比長期通電時消耗的功率小很多： 式中，為選用系數，取值范圍約為 =～ ,取決于電動機的容量和工況。 （ II）功率管 的選用的常用器件是 GTR 或 IGBT。 直流制動功能預置 A、直流制動的起始頻率，通常直流制動都是和再生制動配合使用的。預置直流制動時間的主要依據是負載是否有“爬行”現象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者，應適當長一些。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 圖 4— 1 礦井提升機箕斗 5 類運行曲線 （ 2）礦井提升機速度給定方式 礦井提升機的實際速度運行曲線是由其控制部分的給定速度曲線決定。 （ 3） defg 為箕斗從額定速度 v1減速到爬行速度 v4以 d點為起始 0點，包括 de段 （ 0 t≤ t1′）、 ef（ t1′ t≤ t2′）段和 fg（ t2′ t≤ t3′）段，其計算方法同第一段，理想 S 形速度曲線數學模型為： 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 上述各式有關常數與確定的額定運行速度 v爬行速度 v最大加速度 a1和最大加加速度ρ 1之間關系為： （ 4） gh為提升機以額定速度 v4作勻速爬行段。 礦井提升機速度給定曲線的優(yōu)劣對其性能的好壞有著重要影響，應用上述理想 S 形速度給定曲線可極大地改善礦井提升機運行特性，延長其使用壽命。重車從井底開始上行，重車起動后，開始持續(xù)加速達到變頻器 的設定頻率 f2，在此期間提升機的速度逐漸加快。 （ 5）第五階段～：到達停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，制動系統(tǒng)閘制動。顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動機的拖動力矩不同，且在一個提升循環(huán)中，在不同階段電動機的拖動力矩的極性也在變化，礦井提升機要求電力拖動系統(tǒng)能滿足四象限運行的條件。 （ II）提升機給定力 根據動力學方程式： 式中： Te— 電動機產生的轉矩； T1— 單軸傳動系統(tǒng)的負載轉矩； J— 單軸傳動系統(tǒng)的轉動慣量；ω — 單軸傳動系統(tǒng)的角速度； GD2— 飛輪慣量（飛輪轉矩）； 圖 4— 5 提升系統(tǒng)給定力圖 圖 4— 5中 (a),(b),(c)為提升機的給定力圖。如減速時間設置較短時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，不致因減速過快跳閘。由此得到實際 S 形速度給定曲線（見圖 4— 4），其可以通過 PLC 編程控制實現 ,圖中加速和減速段的時間均在變頻器上設置。然后按照上述 S 形速度曲線公式確定每段所需運行時間及各拐點時間，求出各拐點速度，再按插值法求出速度曲線并存入 CPU 的 RAM 中。（ 1） oabc 為提升機箕斗的啟動加速階段（ 30 t≤ t），它包括 oa、 ab、bc 三小段曲線形成一理想 S形啟動加速曲線段。 礦井提升機在啟動加速階段不外乎有 5 類主要運行速度曲線：加速度 時間曲線和 加加速度時間曲線兩組曲線（見圖 4— 1）。一般情況下，直流電壓以不超過 50 V 為宜。因為轉子繞組切割磁力線的速度較大，所產生的制動轉矩比較強烈，從而可縮短停機時間。 圖 3— 4能耗制動和制動單元電路 b）電壓取樣與比較電路由于 的驅動電路是低壓電路，故只能按比例取出的一部分作為采樣電壓，和基準電壓進行比較，得到控制導通或截止的指令信號。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。電動機處于發(fā)電機狀態(tài)。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 (2)、聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“ 30B30A”控制，當變頻器跳閘時，觸點“ 30B30A”閉合 ，將報警指示燈 HL和電笛 HA接通，進行聲光報警。 考慮到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，變頻器容量取電動機容量的 倍，本系統(tǒng)中所需電動機的軸上功率為 75KW，按 倍容量就選擇 105KW 以上變頻器。與標準的電壓 — 頻率控制裝置相比較，在速度參數和負載轉矩都改變的情況下， VVCPLus 的動態(tài)和 穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實現一個全數字化的保護，即使在最惡劣的操作條件下，也可確保可靠運行。 根據變頻調速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設定電路，由 PLC 輸出的模平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出頻率，實現電機速度控制。這樣，就起到了調速的作用。各部分功能如下：動力裝置：包括主電機、減速器 、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運輸任務。 深度指示器失效保護裝置：當指示器失效時，能自動停電并能使保險閘發(fā)生作用。在調整雙卷筒提升絞車卷筒旋轉的相對位置時（此時游動卷筒與主軸脫離連接），制動裝置在各滾筒閘輪上所發(fā)生的力矩，不得小于該滾筒所懸重量（鋼絲繩重量與提升容量重量之和）形成的旋轉力矩的 倍。 提升絞車除設有機械制動閘外，還應設有電氣制 動裝置。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 第 3 章 礦 井提升機的制 動 裝置及安全裝置 礦井提升機的制動裝置 制動裝置的組成及種類 提升機制動系統(tǒng)是提升機重要組成部分，它直接關系到提升機設備得安全運行，它由制動器（閘）和傳動裝置組成。主導輪表面裝有帶繩槽的摩擦襯墊。兩根鋼絲繩各固定在一個卷筒上 ,分別從卷筒上、下方引出 ,卷筒轉動時，一個提升容器上升，另一個容器下降。 （一）纏繞式提升機： 纏繞式提升機的主要部件有主軸、卷筒、主軸承、調繩離合器、減速器、深度指示器平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術學 院 畢業(yè)設計說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 和制動器等（圖 2）。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉時一個容器上升，另一個容器下降。 4．保護及抗干擾措施 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，