【正文】 第 2 頁 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文） 任 務(wù) 書 姓名 張致源 專業(yè) 礦山機(jī)電 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 2021 年 3 月 6 日 設(shè)計(jì) （ 論 文） 開 始日期 2021 年 3 月 8 日 設(shè)計(jì) （ 論 文）完成日期 2021 年 5 月 19 日 設(shè)計(jì) （ 論 文） 題 目： 提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì) A起初的提升機(jī)是電動(dòng)機(jī)通過減速器傳動(dòng)卷筒的系統(tǒng)，后來出現(xiàn)了直流慢速電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)懸臂安裝直接傳動(dòng)的提升機(jī)。 就在國(guó)外科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的時(shí)候，我國(guó)提升機(jī)電控系統(tǒng)很長(zhǎng)時(shí)間都處于落后的狀況。我國(guó)的礦井與世界上礦業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，開采的井型較小、礦井提升高度較淺，煤礦用提升機(jī)較多，其他平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 礦 (如金屬礦、非金屬礦 )則較少。我國(guó)自己生產(chǎn)的晶閘 管 — 直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于 20 世紀(jì) 90 年代。 礦井提升機(jī)對(duì)安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個(gè)廠或國(guó)家的傳動(dòng)控制技術(shù)水平。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對(duì)各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、保留或打印輸出。變頻調(diào)速方式類似于它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)取得很寬的調(diào)速范圍、很好的調(diào)速平滑性和 有足夠硬度的機(jī)械特性，在提升機(jī)應(yīng)用中顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著礦井提升系統(tǒng)自動(dòng)化，改善提統(tǒng)的性能，以及提高提升設(shè)備的提升能力等的要求，對(duì) 電氣傳動(dòng)方式提出了更高的要求。對(duì)于現(xiàn)采用 TKD 電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交一直一交電壓 型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)改造中應(yīng)用。設(shè)計(jì)中充分考慮到保護(hù)系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強(qiáng)大的 PLC 來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡(jiǎn)化了控制線路，并應(yīng)用各種現(xiàn)場(chǎng)抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開 關(guān)、及 RC 防浪涌震蕩電路等。對(duì)于復(fù)雜的礦山提升機(jī)變頻調(diào)速電控系統(tǒng)采用 PLC 控制，在本文中設(shè)計(jì)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(chǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。摩擦式礦井提升機(jī)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(guó)制造的卷筒直徑為 2～ 5m。等直徑卷筒的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，價(jià)格低，得到普遍應(yīng)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(dòng)器按其結(jié)構(gòu)可分為塊閘 (角移式和平移式 )和盤問；傳動(dòng)裝置按傳動(dòng)能源可分為液壓、氣動(dòng)及彈簧等。 （二） 《煤礦安全規(guī)程》第 429 條規(guī)定：保險(xiǎn)閘必須采用配重式或彈簧式的制動(dòng)裝置，除可由司機(jī)操縱外，還必須能自動(dòng)抱閘，并同時(shí)自動(dòng)切斷提升裝置電源。的傾斜井巷，提升裝置的保險(xiǎn)閘發(fā)生作用時(shí)，減速度必須符合：下放重載時(shí)，不得小于 。 松繩保護(hù)裝置：纏繞式提升絞車必須設(shè)置松繩保護(hù)裝置并接入安全回路和報(bào)警回路，平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 在鋼絲繩松弛時(shí)能自動(dòng)斷電并報(bào)警。 變頻調(diào)速器：是動(dòng)力裝置的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給可編程控制器， PLC 通過該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的行走距離。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入成正比。同時(shí)具有短路、接地和過載保護(hù)功能。其對(duì)負(fù)載的變化和瞬時(shí)掉電，能做出迅速響應(yīng)；開環(huán)控制精度可以達(dá)到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差 %～ %），開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間小于 5 ms，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá) 200%，并具有有效的磁通 制動(dòng)來提供最大可能的制動(dòng)力矩。 另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護(hù)變頻器內(nèi)部報(bào)警繼電器觸點(diǎn)。從電動(dòng)機(jī)的角度來看，處于再生制動(dòng)狀態(tài)。其選擇方法如下： 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 18 頁 （ 1）的阻值一般情況下，的大小以使制動(dòng)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(shí)工作，幫其標(biāo)稱功率可以比長(zhǎng)期通電時(shí)消耗的功率小很多： 式中，為選用系數(shù)，取值范圍約為 =～ ,取決于電動(dòng)機(jī)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(dòng)功能預(yù)置 A、直流制動(dòng)的起始頻率，通常直流制動(dòng)都是和再生制動(dòng)配合使用的。預(yù)置直流制動(dòng)時(shí)間的主要依據(jù)是負(fù)載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對(duì)克服“爬行”的要求，要求越高者，應(yīng)適當(dāng)長(zhǎng)一些。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 21 頁 圖 4— 1 礦井提升機(jī)箕斗 5 類運(yùn)行曲線 （ 2）礦井提升機(jī)速度給定方式 礦井提升機(jī)的實(shí)際速度運(yùn)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(diǎn)為起始 0點(diǎn)，包括 de段 （ 0 t≤ t1′）、 ef（ t1′ t≤ t2′）段和 fg（ t2′ t≤ t3′）段，其計(jì)算方法同第一段，理想 S 形速度曲線數(shù)學(xué)模型為： 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 25 頁 上述各式有關(guān)常數(shù)與確定的額定運(yùn)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(guān)系為： （ 4） gh為提升機(jī)以額定速度 v4作勻速爬行段。 礦井提升機(jī)速度給定曲線的優(yōu)劣對(duì)其性能的好壞有著重要影響，應(yīng)用上述理想 S 形速度給定曲線可極大地改善礦井提升機(jī)運(yùn)行特性，延長(zhǎng)其使用壽命。重車從井底開始上行，重車起動(dòng)后，開始持續(xù)加速達(dá)到變頻器 的設(shè)定頻率 f2，在此期間提升機(jī)的速度逐漸加快。 （ 5）第五階段～：到達(dá)停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，制動(dòng)系統(tǒng)閘制動(dòng)。顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩不同，且在一個(gè)提升循環(huán)中，在不同階段電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩的極性也在變化，礦井提升機(jī)要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)能滿足四象限運(yùn)行的條件。 （ II）提升機(jī)給定力 根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式： 式中： Te— 電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩； T1— 單軸傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩； J— 單軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω — 單軸傳動(dòng)系統(tǒng)的角速度； GD2— 飛輪慣量（飛輪轉(zhuǎn)矩）； 圖 4— 5 提升系統(tǒng)給定力圖 圖 4— 5中 (a),(b),(c)為提升機(jī)的給定力圖。如減速時(shí)間設(shè)置較短時(shí)，變頻器制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻起作用，不致因減速過快跳閘。由此得到實(shí)際 S 形速度給定曲線（見圖 4— 4），其可以通過 PLC 編程控制實(shí)現(xiàn) ,圖中加速和減速段的時(shí)間均在變頻器上設(shè)置。然后按照上述 S 形速度曲線公式確定每段所需運(yùn)行時(shí)間及各拐點(diǎn)時(shí)間，求出各拐點(diǎn)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(jī)箕斗的啟動(dòng)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(dòng)加速曲線段。 礦井提升機(jī)在啟動(dòng)加速階段不外乎有 5 類主要運(yùn)行速度曲線：加速度 時(shí)間曲線和 加加速度時(shí)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?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較強(qiáng)烈，從而可縮短停機(jī)時(shí)間。 圖 3— 4能耗制動(dòng)和制動(dòng)單元電路 b）電壓取樣與比較電路由于 的驅(qū)動(dòng)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到控制導(dǎo)通或截止的指令信號(hào)。用于消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 17 頁 (2)、聲光報(bào)警電路由報(bào)警輸出的動(dòng)合（常開）觸點(diǎn)“ 30B30A”控制，當(dāng)變頻器跳閘時(shí)，觸點(diǎn)“ 30B30A”閉合 ，將報(bào)警指示燈 HL和電笛 HA接通，進(jìn)行聲光報(bào)警。 考慮到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)，變頻器容量取電動(dòng)機(jī)容量的 倍，本系統(tǒng)中所需電動(dòng)機(jī)的軸上功率為 75KW，按 倍容量就選擇 105KW 以上變頻器。與標(biāo)準(zhǔn)的電壓 — 頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下， VVCPLus 的動(dòng)態(tài)和 穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)全數(shù)字化的保護(hù)，即使在最惡劣的操作條件下，也可確?？煽窟\(yùn)行。 根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由 PLC 輸出的模平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 擬量，即電壓或電流信號(hào)來控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。這樣，就起到了調(diào)速的作用。各部分功能如下：動(dòng)力裝置：包括主電機(jī)、減速器 、卷筒、制動(dòng)器和底座，完成人、物、料的運(yùn)輸任務(wù)。 深度指示器失效保護(hù)裝置：當(dāng)指示器失效時(shí)，能自動(dòng)停電并能使保險(xiǎn)閘發(fā)生作用。在調(diào)整雙卷筒提升絞車卷筒旋轉(zhuǎn)的相對(duì)位置時(shí)（此時(shí)游動(dòng)卷筒與主軸脫離連接），制動(dòng)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(zhuǎn)力矩的 倍。 提升絞車除設(shè)有機(jī)械制動(dòng)閘外，還應(yīng)設(shè)有電氣制 動(dòng)裝置。 平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 第 3 章 礦 井提升機(jī)的制 動(dòng) 裝置及安全裝置 礦井提升機(jī)的制動(dòng)裝置 制動(dòng)裝置的組成及種類 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)是提升機(jī)重要組成部分，它直接關(guān)系到提升機(jī)設(shè)備得安全運(yùn)行，它由制動(dòng)器（閘）和傳動(dòng)裝置組成。主導(dǎo)輪表面裝有帶繩槽的摩擦襯墊。兩根鋼絲繩各固定在一個(gè)卷筒上 ,分別從卷筒上、下方引出 ,卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)提升容器上升，另一個(gè)容器下降。 （一）纏繞式提升機(jī)： 纏繞式提升機(jī)的主要部件有主軸、卷筒、主軸承、調(diào)繩離合器、減速器、深度指示器平 頂 山工 業(yè)職業(yè) 技 術(shù)學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 和制動(dòng)器等（圖 2）。雙筒的每個(gè)卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個(gè)容器，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)容器上升，另一個(gè)容器下降。 4．保護(hù)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(hù)、閉鎖及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，