【文章內容簡介】 保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數共用一套線路，互相影響。本文針對制約提升機安全的主要環(huán)節(jié)設置減速、超速報警及過載、松繩、過卷等安全保護措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對提升機的運行狀態(tài)及故障來源進行時時刻刻地監(jiān)視。 礦井提升機的設計 能夠 解決實際 生產 問題， 其控制單元 采用了目前適用的工業(yè) PLC控制單元來控制電動驅動系統(tǒng)， 其電力拖動單元采用先進 的變頻驅動器，優(yōu)化 了 礦井提升機速度控制性能。擺脫 原來控制系統(tǒng)中的 交流接觸 器和調速 電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性， 改善了 操作人員的工作環(huán)境， 降低了 噪 音和溫度 ； 分段預設頻率，按 根據 負載 情況實現(xiàn) 連續(xù)平穩(wěn)調速，無機械沖擊現(xiàn)象，達到了低壓 低頻 啟動 和 停止，停車操作更穩(wěn)定 。啟動和加速時的 沖擊 電流小，可 使得礦井提升機在重載下從低速 無級調速 至最大 速度。目前，這種方法是現(xiàn)代交流傳動控制 中比較 先進的速度控制方式。 安全，可靠，高效和經濟的 礦井提升機 速度控制系統(tǒng)的設計是 本 設計的 追求 目標。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 4 2 礦井提升機系統(tǒng)的控制要求 礦井提升機結構介紹 礦井提升機可分為豎井提升機和斜井提升機兩種。礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系 統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅動。提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。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。纏繞式礦井提升機大多用于年產量在 120 萬噸以下、井深小于 400 米的礦井中。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。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。摩 擦式礦井提升機根據布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房直接設在地面上）兩種。按提升繩的數量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。后者的優(yōu)點是：可采用較細的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產 120 萬噸以上、井深小于 2100 米的豎井大多采用這種提升機。目前，我國單繩纏繞式提升機，廣泛采用交流繞線式電動機拖動，提升過程一般包括：起動、加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。 礦井提升機速度和 受力分析 提升機的速度分析 提升設備在一個提升循環(huán)內的運行規(guī)律是用提升速度圖來表示的，如圖 升速度與提升時間變化的關系。 圖 提升機速度圖 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 5 分為五個階段 ： 1t 階段：為主加速階段運行時間，此時加速度 1a 較大，速度一直從 0加速到最大的mV 。重車從井底開始上行，重車起動后，開始持續(xù)加速到變頻器的設定頻率為 2f ，在此期間提升機的速度逐漸加快。 2t 階段：為勻速階段運動時間，即容器以最大提升速度 mV 等速運行的時間。上升時，電動機保持電動狀態(tài)，重車提升機以額定運行速度穩(wěn)定運行。下放時， 由測速發(fā)電機反應轉 子下放速度，當速度高于 mV 時，增大勵磁電流，提高制動力矩，使箕斗勻速運行。一般這段過程最長。 3t 階段：為主減速階段運行時間，即容器以最大提升速度 mV 減速運行的時間。重車快到井口時減速階段，重車減速到低速，進入爬行階段。如減速時間設置較短的時，變頻器制動單位和制動電阻起作 用，以防因減速過快而跳閘。 4t 階段：為爬行階段運行時間。重車以變頻器頻率為 1f 速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。 5t 階段：為抱閘停車階段時間。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。操作人員發(fā)一個聯(lián)絡信號到井底，整個提升過程結束。 提升機的受力情況 根據動力學方程式 3 7 5/* eTnTiTeTd ??? () 式中 eT 電動機電動力矩； iT 傳動系統(tǒng)的靜阻轉矩； nT 傳動系統(tǒng)的飛輪力矩， gJT 4n? ，其中 J為轉動慣量 ( 2mkg? )， g 為重力加速度； dT 傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉矩； e 加速度。 可以得出按給定速度圖所需轉矩 )(e tfT ? 的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力)(f tF? ，提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖如圖 。 (a) 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 6 (b) （ c） 圖 提升機給定力圖 圖中 （ a），（ b），（ c） 為提升機的給定力圖。其中（ a）為靜負載力矩比較大的情況；（ b）為靜負載力矩比較小的情況；（ c）為下放重物的 情況。 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。 綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下 : 1. 加 (減 )速度符合國家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。升降物料時，加速度 a≦ ,另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。 2. 最大速度符合歸家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。 立井升降物料時，提升容器的最大速度，不得超過用下列公式所求得的數值： Hm ? （ ） v最大提升速度， m/s； H提升高度， m。 3. 具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段 (加速、減速、等速、爬行等 )。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 7 4. 有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，穩(wěn)定運行的要求。不可能待系統(tǒng)運轉后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。 5. 特性 曲線要硬。要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作 (當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性 )。 6. 工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。 7. 采用新技術和節(jié)能設備，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行 .盡量節(jié)約能源和降低運轉費用。 礦井提升機的調速控 制方案分析 為了使提升機調速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，不同類型的負載應根據具體要求選擇不同的控制方案，控制方式是決定提升機使用性能的關鍵所在。目前在實際生產中得到應用的很多，其中有高精度的還有一般性能的，種類五花八門，價格也高低相差懸殊。所以在選用調速控制系統(tǒng)時要按負載的特性要求，并結合礦井的生產規(guī)模，以達到經濟、實用為準。常用的控制方式主要有：轉子回路串電阻調速、模糊控制、直接轉矩等。 傳統(tǒng)轉子回路串電阻調速系統(tǒng) 在加速過程中，交流接觸器 KM1， KM2， KM3， KM4逐級吸合，轉子回路電阻 依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求提升機低速運行，則需在轉子回路中串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發(fā)電狀態(tài) 。 轉子回路串電阻調速的主電路結構如圖 ： 圖 轉子回路串電阻調速圖 模糊控制調速系統(tǒng) 在 對提升機的轉速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差變化率。 PLC通過采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進行比較得到誤差信號 e、誤差變化率 te dd ，把誤差信號和誤差變化率的精確值模糊化變成模糊量 E、 EC再進過模糊推理唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 8 得到模糊控制量 U，進行解模糊處理得到控制信號 u，送入控制電路。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制是一種非線性的控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。但信息簡單的模糊處理導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差，若要提高精度，則必然增加量化級數，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。 實現(xiàn)模糊控制的原理框圖如下圖所示： 圖 模糊 控制原理框圖 直接轉矩控制系統(tǒng) 直 接轉矩控制系統(tǒng)采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電動機的轉矩和磁鏈，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制產生脈寬信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動能性態(tài)。其控制效果取決于轉矩的實際情況，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。 直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖如下圖所示： 圖 直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖 變頻器調速控制系 統(tǒng) 變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交－直－交方式，先把工頻交流電源通過整流器唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 9 轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制 4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為 IGBT三相橋式逆變器，且輸出為 PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率 [4]。結構圖如下圖所示： 圖 變頻器的基本結構 礦井提升機調速系統(tǒng)的 確定 轉子回路串接電阻調速方法調速范圍小，串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產生較大的轉速變化，即轉速穩(wěn)定性差，而且調速效率較低。信息簡單的模糊控制調速處理會導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差，若要提高精度，則必然增加量化級數，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。直接轉矩控制系統(tǒng)的 轉矩和磁鏈調節(jié)器采用滯環(huán)比較器， 會 造成轉矩脈動 ， 在電動機運行一段時間之后 ,電機的溫度升高 ,定子電阻的阻值發(fā)生變化 ,使定子磁鏈的估計精度 降低， 也會 導致電磁轉矩出現(xiàn)較大的脈動 ，同時 逆變器開關 頻率低 也會造成 轉矩脈動。 變頻調速控制系統(tǒng)電源功率因數大，所需電源容量小，可以組成高性能控制系統(tǒng)。同時還可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調速控制，并且能夠達到節(jié)能的效果。 本設計結合煤礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點，對各種調速系統(tǒng)進行分析和比較，最終確定了提升機系統(tǒng)的整體控方案：變頻調速控制系統(tǒng)。采用 PLC與變頻器相結合的控制方案對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進行改造，變頻調速是通過改變定子供電頻率，成功實現(xiàn)了提升電動機大范圍的無級平滑調速，在運行過程中能隨時根據電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，能夠滿足提 升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果。采用 PLC對提升系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。因此本次設計選用交流電動機交－交變頻調速系統(tǒng)。 交 直 交變頻器的工作原理是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術，先將工頻電源經過二極管整流成直流電，再由電力電子器件把直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電源 [5]。 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 10 3 提升機調速控制系統(tǒng)硬件設計 礦井提升機也稱礦井卷揚機。作為井上與井下的唯一輸送通道，使得礦井提升機成為礦山的關鍵設備之一，也是礦山的咽喉部位。礦井提升機運行性能的優(yōu)劣，不僅直接影響到礦山的正常 生產與產品質量，而且還與設備及人身安全密切相關。礦井提升機工藝工況圖如圖 ： 圖 工藝工況圖 根據礦山實際情況礦井提升機提升最大高度大約在 480m，根據公式 升速度為 ，為安全起見，最大提升速度取 7m/s。礦井提升機系統(tǒng)框圖主要包括主電動機、動力制動電源、 PLC、旋轉編碼器、換向器和操作臺等。系統(tǒng)框圖如下圖： 圖 系統(tǒng)框圖 唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計 11 主電動機：為箕斗的提升和下降提供機械力，根據實際需要這里選擇使用額定電壓v380?EU ，額定電流 AIE 380? 輸出功率為 kw90?MP ，電動機效率 ?? ,功率因數 ?? ，額定轉速 min/1410n rN ? 的三相鼠籠式異步 交流電動機。 變頻器：是動力站的能量供給單元，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。 操作臺：操作臺設置五個按鈕，分別用于變頻器的啟動、停止、復位，箕斗的上升和下降控制。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。 旋轉編碼器：旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，并將此信號傳送給變頻器。 變頻器 通過該信號可以計算出提升