【文章內(nèi)容簡介】 自動保護系統(tǒng)。礦井提升機自動保護系統(tǒng)的作用是：在提升司機不參與的情況下，發(fā)生故障的時候能夠自動將主電動機斷開并同時進行安全制動從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。提升機系統(tǒng)圖如圖 23 所示：圖 23 立井雙箕斗提升系統(tǒng)圖 礦井提升機變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設計 提升機電控系統(tǒng)五階段速度圖分析12 / 56提升機控制系統(tǒng)方案的選用應滿足生產(chǎn)工藝的要求，即滿足各種可能出現(xiàn)的運行速度圖和力圖。所以需要先來分析提升機電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機的電氣傳動系統(tǒng)的給定速度 如下圖所示，根據(jù)動力學方程)(tfV?式 ????3751nedT電動機電動力矩；傳動系統(tǒng)的靜阻力矩；1傳動系統(tǒng)的飛輪慣量；nT傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩；d加速度?可以按給定速度圖得出所需轉(zhuǎn)矩 的特性，從而得到拖動系統(tǒng)所需)(tfTe?的力 ??,tfF?如下圖 24 所示：圖 24 提升系統(tǒng)五階段速度圖t1 階段：為主加速階段運行時間，此時加速度 a1 較大，速度一直從 0 加速到最大的 重車從井底上行，重車啟動后，開始持續(xù)加速到變頻器的設定頻率mV為 f2,在此期間提升機的速度逐漸加速。t2 階段：為勻速階段運動時間，即容器以最大提升速度 等速運行的時間。mV13 / 56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(zhuǎn)子下放速度，當速度高于 時，增大勵磁電流，提高制動mV力矩，使箕斗勻速運行。一般這段過程最長。t3 階段：為主減速階段運行，即容器以最大提升速度 減速運行的時間。m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時，變頻器制動單元和制動電阻起作用，以防止因減速過快而跳閘。t4 階段：為爬行階段時間。重車以變頻器頻率為 f1 速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。t5 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(jié)束。 提升機電控系統(tǒng)四象限運行分析提升機的負載靜力 FL，決定于提升機滾筒承受的靜張力差，在雙箕斗的平衡提升系統(tǒng)中，力 FL 也就是提升重物的凈載量。由于提升系統(tǒng)的負載為位式負載，所以靜力 FL 的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運動狀態(tài)和方向無關。因此在電動機不帶電時候，為了使很重的箕斗處于靜止狀態(tài)（便于箕斗的裝卸載） ，對輥筒必須施加機械閘。從下圖可以看出，要使提升機按照給定的速度圖運行，電動力矩 TE 可能為正，也可能為負。這就意味著電動機不僅要工作在電動狀態(tài)，還應能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負載，不同的提升機運行階段，電動機的運行狀態(tài)也個不同。圖 25 表示出了平衡提升系統(tǒng)的四種不同的運行狀態(tài)。14 / 56圖 25 給定速度圖與力圖(1) 重物上提，靜載量較大（ ） 。其給定速度圖與力圖如圖所示。LdF?3在加速段 )0(37521???dtnGDF其中 為加速力矩與等速力矩之差。1d加速力矩為： 110Ld?在等速段，等速力矩為： 2LF??在減速段， 33,|dd?但所以減速段力矩為： 0L?其中 為減速力矩與等速力矩之差。3dF在爬行段，爬行力矩為： 3dLF??根據(jù)此力圖可知，電動機在各級段均工作在正向電動狀態(tài)。(2) 重物上提，靜載量較?。?） 。其給定速度圖與力圖如圖所示。3dL在加速段,加速力矩為： 110LF???在等速段，等速力矩為： 215 / 56在減速段，減速段力矩為： 所以 330,|,ddLFF??但 3|||0dLF??=在爬行段，爬行力矩 4L?? 根據(jù)力圖可知,電動機在加速度段和等速度段,工作在正向電動狀態(tài),在減速度段,工作在正向制動狀態(tài):在爬行階段,又工作在正向電動狀態(tài) .也就是說,在整個提升過程中,電動機的運行狀態(tài)應切換兩次.(3) 重物下放 , 靜載量較小（ ） 。其給定速度圖與力圖如圖所示。1dLF?在加速段,加速力矩為： 10,|d?110LdF???在等速段，等速力矩為： 21?在減速段，減速段力矩為： 33|||0,dLdF??=在爬行段，爬行力矩: 41?根據(jù)力圖可知,電動機在加速階段,工作在正向電動狀態(tài)。在等速\ 減速和爬行階段,電動機均工作在正向制動狀態(tài).(4) 重物下放 , 靜載量較大（ ） 。其給定速度圖與力圖如圖所示。LdF?3在加速階段 110,|dLF??110LdF??在等速、減速和爬行階段，F(xiàn) 均為負。根據(jù)力圖可知,電動機在整個提升階段始終工作在正向制動狀態(tài)。要使提升機按給定速度圖運行，電氣傳動系統(tǒng)應能根據(jù)負載的變化而自動的工作在電動或制動狀態(tài)，也就是說要求電氣傳動系統(tǒng)能滿足四象限運行。 提升機電控系統(tǒng)的要求綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)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(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時候，加速度 ,升降物料時，加速度 。? 21./ams?速器所允許的動量矩。(2) 具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿16 / 56足各種運行方式及提升階段（加速、減速、等速、爬行等）穩(wěn)定運行的要求。(3) 有較好的起動性能。提升機不同于其它機械，不可能待系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。(4) 特性曲線要硬。要保證負載變化時候，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時候速度過大，影響系統(tǒng)正常工作（當然，當負載超過一定的限度時候，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護。迅速安全制動停車，具備挖土機機械特性） 。(5) 工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。(6) 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(zhuǎn)費用。17 / 5618 / 56第 3 章 礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設計 礦井提升機系統(tǒng)組成及控制工作原理 礦井提升機系統(tǒng)組成礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由：動力裝置、液壓站、變頻器、旋轉(zhuǎn)編碼器、操作臺、PLC 、控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)框圖如圖 31 所示： 圖 31 礦井提升機系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖中各部分功能如下：(1) 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。主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力。對于礦井提升機這樣的大型機械來說， ，在電機脫離電源后，由于運行慣性較大，往往要經(jīng)過一段時間才能夠停止轉(zhuǎn)動，這將影響生產(chǎn)效率，甚至威脅到生產(chǎn)人員的生命安全和物料的運輸。因此必須在系統(tǒng)里加入制動器，避免產(chǎn)生“蠕動”現(xiàn)象，從而保證運輸?shù)娜撕臀锪系陌踩? (2) 液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開19 / 56機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。(3) 變頻調(diào)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(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。(4) 操作臺：操作臺設置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。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。(5) 控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。提升過程采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：提升過程中各個工況參數(shù)監(jiān)視。各個主要設備運行狀態(tài)監(jiān)視。各傳感器（如位置開關、停車開關）信號的監(jiān)視。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來測試電機的轉(zhuǎn)速。 礦井提升機控制系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制，當提升機司機聽到開車信號時候，按下啟動按鈕，PLC 控制將三相動力電源由隔爆接線腔 R,S,T 3 個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，再松開液壓制動閥并將主令控制器推到正向（或反向） ，大功率變頻可以將工頻三相交流電經(jīng)過交—直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設定的參數(shù)進行逆變，使得輸出為某一相應設定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出 U,V,W 來驅(qū)動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定 S 形速度曲線由 PLC 編程產(chǎn)生，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的轉(zhuǎn)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。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。控制監(jiān)視系統(tǒng)通過與 PLC 的通信，將電動機20 / 56的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。 箕斗和電機的選型設計 箕斗的選定(1) 提升高度 5018654SzxH?????(2) 經(jīng)濟提升速度 (3) 一次提升循環(huán)估算時間 ?(4) 初估算加速度 ?(5) 每小時提升次數(shù) 3603894sXnT?(6) 每小時提升量 ???(7) 一次合理提升量 考慮為以后礦井生產(chǎn)能力的加大留有余地，選擇 JDL16，有效容積 。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，考慮到實際的提升速度低于 8m/s，取過卷高度 H=8m,天輪直徑 ,確定井架高度。? m?????.? 提升電機選定21 / 56(1) 確定電機額定轉(zhuǎn)數(shù) ????考慮到箕斗容積選用較大，故預定同步轉(zhuǎn)速 0/itn(2) 電機功率確定由 可以估定電機額定轉(zhuǎn)數(shù) ，則實際最大提升速度tn492/mienr???則電動機功率 ????取礦井阻力系數(shù) K=，減速器傳動效率 。動力系數(shù)了 85j???。根據(jù)以上計算，選擇 YR25006/1430 大型三相異步電動機，其主要技術參數(shù)如下：P=2500KW, 額定電壓 ,額定轉(zhuǎn)數(shù) ,電動機效率6NUkv?10/minenr?，?? (3) 電動機額定拖動力 ???? 變頻器的選型設計 變頻器容量選擇礦井提升機構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)矩一般來說可以為額定力矩值的 倍?？紤]到電源電壓的波動因素及需要通過 125%超載試驗要求等因素，其最大轉(zhuǎn)矩必須有 倍的負載力矩值，以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%的超載力矩值，為此可以通過提高變頻器容量或同時提高變頻器和電機容量來獲得 200%的力矩值。此時變頻器容量： 式中 ： –電機功率因數(shù)；???????cos?22 / 56提升額定負載所需功率；P電機效率；?變頻器容量；CN系數(shù)， ；K2?提升機構(gòu)變頻器容量依據(jù)負載功率計算，并考慮 2 倍的安全力矩。在變頻器功率選定的基礎上再作電流驗證，在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，并且變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。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： 05211 KttIIICN???式中： :變頻器額定輸出電流；CNI1 :各運行狀態(tài)的平均電流；52,?:各運行狀態(tài)下的時間；1tt ：安全系數(shù)；0k考慮到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，變頻器容量取決于電動機容量的 倍，按照本系統(tǒng)的電機功率，綜合以上各種因素，本設計最終選用西門子 GM150 系列通用變頻器。 高壓提升機變頻器主要特點(1) 高壓主回路與控制器之間為多路光纖連接，安全可靠；(2) 全中文 WINDOWS 操作界面，彩色液晶觸摸屏，安裝、設定、調(diào)試簡便，功率電路模塊化設計，維護簡單；(3) 高電壓源型變頻器，直接 6KV，10KV 輸入和輸出，不需要輸出變壓器；(4) 可以滿足電動機的四象限工作要求；23 / 56(5) 輸入功率因數(shù)高，電流諧波少，無須功率因素補償和諧波抑制裝置；(6) 輸出階梯 SPWM 波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機絕緣無損害，諧波少，減少軸承；減速器等的機械振動；(7) 強大的 CPU 處理能力，易于改變控制邏輯關系，適應多變的現(xiàn)場需要；(8) 自帶風冷和水冷設施，完善的變頻器參數(shù)設定，優(yōu)異的性能和性價比；(9) 具備 RS485 通訊接口，標準 Modbus/Profibus 等通信規(guī)約，可以實現(xiàn)遠程監(jiān)視，可以接受和輸出工業(yè)標準信號；(10) 完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障定位和報警保護； 變頻器參數(shù)設置提升機的速度要求確定變頻器的參數(shù)設置如表 所示：表 變頻器參數(shù)設置參數(shù)名稱 參數(shù)號 設置參數(shù)應用對象 P0205 1控制方式 P1300 0工作地區(qū) P0100 0上限頻率 P1082 50Hz下限頻率 P1080 0Hz上升時間 P1120 300s下降時間 P1121 200s自動檢測方式 P1910 2根據(jù)變頻器調(diào)速原理，在變頻器輸入回路中接入頻率設定電路，由 PLC 輸出的模擬量，即電壓或電流信