【文章內(nèi)容簡介】 自動保護(hù)系統(tǒng)。礦井提升機(jī)自動保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在提升司機(jī)不參與的情況下，發(fā)生故障的時候能夠自動將主電動機(jī)斷開并同時進(jìn)行安全制動從而實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)。提升機(jī)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(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計 提升機(jī)電控系統(tǒng)五階段速度圖分析12 / 56提升機(jī)控制系統(tǒng)方案的選用應(yīng)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(jī)電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)的給定速度 如下圖所示，根據(jù)動力學(xué)方程)(tfV?式 ????3751nedT電動機(jī)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(shè)定頻率mV為 f2,在此期間提升機(jī)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(jī)保持電動狀態(tài)，重車提升機(jī)以額定運行速度穩(wěn)定運行。下放時，由測速發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)子下放速度，當(dāng)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(jìn)入爬行階段。如減速時間設(shè)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(dá)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(luò)信號到井底，整個提升過程結(jié)束。 提升機(jī)電控系統(tǒng)四象限運行分析提升機(jī)的負(fù)載靜力 FL，決定于提升機(jī)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(fù)載為位式負(fù)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(guān)。因此在電動機(jī)不帶電時候，為了使很重的箕斗處于靜止?fàn)顟B(tài)（便于箕斗的裝卸載） ，對輥筒必須施加機(jī)械閘。從下圖可以看出，要使提升機(jī)按照給定的速度圖運行，電動力矩 TE 可能為正，也可能為負(fù)。這就意味著電動機(jī)不僅要工作在電動狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制動狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機(jī)運行階段，電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的運行狀態(tài)應(yīng)切換兩次.(3) 重物下放 , 靜載量較?。?） 。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(jī)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(jī)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(fù)。根據(jù)力圖可知,電動機(jī)在整個提升階段始終工作在正向制動狀態(tài)。要使提升機(jī)按給定速度圖運行，電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)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(jī)電控系統(tǒng)的要求綜合以上提升機(jī)的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機(jī)工藝對提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下：(1) 加（減）速度符合國家有關(guān)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(jī)不同于其它機(jī)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(fù)載變化時候，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時候速度過大，影響系統(tǒng)正常工作（當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一定的限度時候，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動停車，具備挖土機(jī)機(jī)械特性） 。(5) 工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)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(shù)和節(jié)能設(shè)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(hù)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(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 礦井提升機(jī)系統(tǒng)組成及控制工作原理 礦井提升機(jī)系統(tǒng)組成礦井提升機(jī)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(jī)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(jī)、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物料的運輸任務(wù)。主電機(jī)通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力。對于礦井提升機(jī)這樣的大型機(jī)械來說， ，在電機(jī)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(jī)提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機(jī)械制動力，再取消直流制動力；提升機(jī)起動時，先對電機(jī)施加直流制動，再松開19 / 56機(jī)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(jī)，以達(dá)到控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。(4) 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。它是整個礦井提升機(jī)運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設(shè)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(jī)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(jī)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(jī)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(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視。各傳感器（如位置開關(guān)、停車開關(guān)）信號的監(jiān)視。系統(tǒng)框圖中用旋轉(zhuǎn)編碼器來測試電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制，當(dāng)提升機(jī)司機(jī)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(shè)定的參數(shù)進(jìn)行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出 U,V,W 來驅(qū)動電機(jī)的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)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(jī)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(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機(jī)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(jī)的行走距離。操作人員通過操作臺向 PLC發(fā)送控制提升機(jī)運行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過與 PLC 的通信，將電動機(jī)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(jìn)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(jī)的選型設(shè)計 箕斗的選定(1) 提升高度 5018654SzxH?????(2) 經(jīng)濟(jì)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(jī)選定21 / 56(1) 確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù) ????考慮到箕斗容積選用較大，故預(yù)定同步轉(zhuǎn)速 0/itn(2) 電機(jī)功率確定由 可以估定電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù) ，則實際最大提升速度tn492/mienr???則電動機(jī)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(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：P=2500KW, 額定電壓 ,額定轉(zhuǎn)數(shù) ,電動機(jī)效率6NUkv?10/minenr?，?? (3) 電動機(jī)額定拖動力 ???? 變頻器的選型設(shè)計 變頻器容量選擇礦井提升機(jī)構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)矩一般來說可以為額定力矩值的 倍。考慮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(fù)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(jī)容量來獲得 200%的力矩值。此時變頻器容量： 式中 ： –電機(jī)功率因數(shù)；???????cos?22 / 56提升額定負(fù)載所需功率；P電機(jī)效率；?變頻器容量；CN系數(shù)， ；K2?提升機(jī)構(gòu)變頻器容量依據(jù)負(fù)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(chǔ)上再作電流驗證，在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)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(jī)的額定電流，并且變頻器所適配的電動機(jī)功率大于當(dāng)前該電動機(jī)的功率。另外礦用提升機(jī)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： 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(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動，變頻器容量取決于電動機(jī)容量的 倍，按照本系統(tǒng)的電機(jī)功率，綜合以上各種因素，本設(shè)計最終選用西門子 GM150 系列通用變頻器。 高壓提升機(jī)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(shè)定、調(diào)試簡便，功率電路模塊化設(shè)計，維護(hù)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(jī)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(bǔ)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(jī)絕緣無損害，諧波少，減少軸承；減速器等的機(jī)械振動；(7) 強(qiáng)大的 CPU 處理能力，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要；(8) 自帶風(fēng)冷和水冷設(shè)施，完善的變頻器參數(shù)設(shè)定，優(yōu)異的性能和性價比；(9) 具備 RS485 通訊接口，標(biāo)準(zhǔn) Modbus/Profibus 等通信規(guī)約，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，可以接受和輸出工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(hù)； 變頻器參數(shù)設(shè)置提升機(jī)的速度要求確定變頻器的參數(shù)設(shè)置如表 所示：表 變頻器參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱 參數(shù)號 設(shè)置參數(shù)應(yīng)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(shè)定電路，由 PLC 輸出的模擬量，即電壓或電流信