【導讀】究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。與我一同工作的同事對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了。明確的說明并表示謝意。本人如違反上述聲明，愿意承擔由此引發(fā)的一切責任和后果。授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的全部或部分內(nèi)容。保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。2．論文篇幅一般為8000字以上，最多不超過15000字。和“論文樣板”執(zhí)行。寫畢業(yè)設計報告；

　　

【正文】 I/O 接線圖 變頻器 異步電動機是電力、化工等生產(chǎn)企業(yè)最主要的動力設備。作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥 門的開度來調(diào)節(jié)，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗 。 近年來 ， 隨著變頻器生產(chǎn)技術(shù)的成熟以及變頻器應用范圍的日益廣泛 ， 使用變頻器對電動機電源進行技術(shù)改造成為各企業(yè)節(jié)能降耗、提高效率的重要手段。 n=60f(1－ s)/p (1) 式中 n——— 異步電動機的轉(zhuǎn)速； 22 f——— 異步電動機的頻率； s——— 電動機轉(zhuǎn)差率； p——— 電動機極對數(shù)。 由式 (1)可知，轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 成正比，只要改變頻率 f 即可改變電動機的轉(zhuǎn)速，當頻率 f 在 0～50Hz 的范圍內(nèi)變化時，電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻調(diào)速就是通過改變電動機電源頻率實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)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轉(zhuǎn)換成直流電源 ， 然后再把直流電源轉(zhuǎn)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。 變 頻器的選型和容量的確定 本系統(tǒng)選用的是西門子全新一代標準變頻器 MicroMaster440 功能強大 ， 應用廣泛。它采用高性能的矢量控制技術(shù) ， 提供低速高轉(zhuǎn)矩輸出和良好的動態(tài)特性 ， 同時具備超強的過載能力 ， 以滿足廣泛的應用場合。 在電機的容量確定并選定其型號后 ， 接下來就要確定變頻器的容量 。 確定變頻器容量的主要依據(jù)是輸出電流，其原則為：變頻器的輸出額定電流應大于或等于電機的額定電流。但在連續(xù)的變動負載或斷續(xù)負載中，因電動機允許有短時間的過載，而且這種過載的時間經(jīng)常超過變頻器一般允許的一分鐘。故應考慮選擇變頻器的額定電 流大于或等于電動機運行過程中的最大電流 [9]。 電動機的型號確定后，其額定電流可以從制造商提供的樣本中查到?；蛘?，也可從電機的輸出功率由下式計算 ??cos3UIP ? (2) 式中 ， P 為額定輸出功率（ KW）； U 為額定電壓（ KV）； I 為額定電流（ A）； η為電機效率； ?cos 為功率因數(shù)。 S7200PLC 作為核心控制部件，它有 總線訪問權(quán)，可以讀取或改寫變頻器的狀態(tài) ， 控制軟起動器的運行狀態(tài) ， 從而達到控制和監(jiān)視設備運行狀態(tài)的目的。系統(tǒng)采用總線式拓撲結(jié)構(gòu) ， 兩臺變頻器采用總線接插件連入總線。 S7200 選用 S7222CPU，軟件采用通信口功能，即 RS485 通信口。由用戶程序?qū)崿F(xiàn) USS 協(xié)議與兩臺 MM430 變頻器通信。在硬件連接完畢后 ， 需要對兩臺 MM430 變頻器的通信參數(shù)進行設置，如表 所示。 23 表 變頻器參數(shù)的設定 參數(shù)號 參數(shù)值 說明 Fr 13 固定頻率 1 P01 10 第一加速時間 設定 P02 10 第一 減 速時間 設定 P03 FF 頻率范圍 (v/f 方式 ) P05 20 DC提升水平 P08 1 變頻器起停正反轉(zhuǎn)控制方式 P15 200 電動機運行最大頻率 P16 50 電動機運行基本頻率 P18 2 多段速率加速連動運行 P32 170 固定頻率 2 P33 10 固定頻率 3 P34 23 固定頻率 4 P35 130 固定頻率 5 P39 5 第 二 加速時間設定 P40 5 第二減速時間設定 離心風機 我國礦井使用的離心式通風機主要就是 G4 —73 系列離心式通風機， G4 —73 系列離心式通風機最初是為鍋爐通風 (引風 ) 設計的，后來被引用到礦井通風中并擁有一定的市場占有量。該系列離心式通風機的特點是特性曲線較平緩、無駝峰、運行噪聲較小、效率高。啟動時關(guān)閉調(diào)節(jié)門 (也叫前導器 )，具 24 有啟動功率較小，啟動容易的特點。運行時調(diào)節(jié)門可在 0176。～ 70176。范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，用以改變運行工況，還可通過配置不同轉(zhuǎn)速的電動機來改變其運行工況 ,適應性較好。 G4 —73 系列通風機的特性曲線較平緩，運行噪聲較小，效率高，適用于通風阻力不是太大的中小型礦井。我國地方煤礦的礦井中使用該系列通風機較多，由于機型小，配置電 動機的容量也小 ,可配用 380V 或 660V 電壓的電動機，特別適用于無高壓 (6000V)供電的礦井使用。但對初、后期風壓變化大的礦井，離心通風機的調(diào)節(jié)性能差。離心風機的作用：離心風機是依靠輸入的機械能，提高氣體壓力并排送氣體的機械，它是一種從動的流體機械。 離心風機廣泛用于工廠、礦井、隧道、冷卻塔、車輛、船舶和建筑物的通風、排塵和冷卻；鍋爐和工業(yè)爐窯的通風和引風；空氣調(diào)節(jié)設備和家用電器設備中的冷卻和通風；谷物的烘干和選送；風洞風源和氣墊船的充氣和推進等。 離心風機的工作原理與透平壓縮機基本相同，只是由于氣體 流速較低，壓力變化不大，一般不需要考慮氣體比容的變化，即把氣體作為不可壓縮流體處理。離心風機可制成右旋和左旋兩種型式。從電動機一側(cè)正視，葉輪順時針旋轉(zhuǎn)，稱為右旋轉(zhuǎn)風機，逆時針旋轉(zhuǎn)，稱為左旋。 一般的高壓離心風機，其主要的動力設備是電動機，此外還包括用來控制風機風閥位置的電動或手動執(zhí)行器、風機閥門限位開關(guān)等部件。風機動力設備的傳統(tǒng)控制方法是通過手動或繼電器控制，存在可靠性和靈活性較差的問題，比如：由于電機的容量大，就存在啟動時間長、啟動電流大、運行安全可靠性差等問題，為了解決這些問題，需要采取在啟動離心風機時 減少啟動負荷、通過星 — 三角降壓啟動來降低啟動電流、進行安全互鎖控制等措施。離心通風機工作時，動力機 (主要是電動機 )驅(qū)動葉輪在蝸形機殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，空氣經(jīng)吸氣口從葉輪中心處吸入。由于葉片對氣體的動力作用，氣體壓力和速度得以提高，并在離心力作用下沿著葉道甩向機殼，從排氣口排出。因氣體在葉輪內(nèi)的流動主要是在徑向平面內(nèi) [1]。 風機的用途：一般用于高壓強制通風，如冶煉、送料、礦井、隧道、地下室、鐵路等，亦可輸送空氣及其它無腐蝕性、不含粘性物質(zhì)、非易燃、易爆之氣體，介質(zhì)溫度最高不超過八十度，介質(zhì)中硬質(zhì)顆粒物中大于 150mg/m3。 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊分為 A/D 轉(zhuǎn)換模塊和 D/A 轉(zhuǎn)換模塊。 PLC 模擬量處理功能主要通過模擬量輸入輸出模塊及用戶程序來完成。模擬量輸入模塊接受各種傳感器輸出的標準電壓信號或電流信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲到 PLC 中。 PLC 根據(jù)生產(chǎn)實際要求，通過用戶程序?qū)D(zhuǎn)換后的信息進行處理并將處理結(jié)果通過模擬量輸出模塊轉(zhuǎn)換為標準電壓或電流信號去驅(qū)動執(zhí)行元件。 25 4 通風系統(tǒng)硬件的設計 硬件電 路 本系統(tǒng)的硬件電路如下圖 所示，它由 4 臺電動機，一臺智能型電控柜（包括西門子變頻器、 PLC、交流接觸器、繼電器等），一套壓力傳感器、斷相相序保護裝置以及供電主回路等構(gòu)成。該系統(tǒng)的核心是 S7200（ CPU224） 和 MICROMASTER 440。 MICROMASTER 440 是泵和風機類專用變頻器，擴展功能強 ． CPU224 集成了 14 點輸入 10 點輸出，共有 24 點數(shù)字量 I/0，其模擬量擴展模塊具有較大的適應性和靈活性，且安裝方便，滿足設計需要 [2]。 該系統(tǒng)有 4 臺電動機，分別拖動 4 臺電動機。合上空氣開關(guān)后，當交流接觸器 KM KM3, KMKM7 主觸點閉合時，電動機為工頻運行；當 KM KM KM KM8 主觸點閉合時，電動機為變頻運行。 4個熱繼電器 KR1～ KR4 分別對 4 臺電動機進行保護，避免電動機在運作時可能產(chǎn)生的過熱損壞 [8]。 圖 系統(tǒng)主電路 26 系統(tǒng)控制電路設計 （ 1）系統(tǒng)控制電路 如圖 所示， ～ 為 PLC 輸出軟繼電器觸點，其中 , , , 控制變頻運行電路； 、 、 、 控制工頻運行電路。 SA 為轉(zhuǎn)換開關(guān)，實現(xiàn)手動、自動控制切換。當 SA切在手動位時，通過 SB1～ SB4 按鈕分別起動 4 臺水泵工頻運行 ,SB5～ SB8 按鈕分別停止 4 臺離心風機工頻運行．當 SA 在自動位時，由 PLC 控制水泵進行變頻或工頻狀態(tài)的起動、切換、停止運行，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自由切換和工作狀態(tài)的靈活選擇 [7]。 圖 系統(tǒng)控制電路 （ 2） PLC 及變頻器控制模塊電路 PLC 及變頻器控制模塊是本系統(tǒng)的核心，它包括時間控制電路、故障報警保護電路、斷相相序保護電路。 5 軟件設計 27 圖 系統(tǒng) 控制 總流 程圖 通風系統(tǒng)的主要參數(shù)監(jiān)控 礦井主要通風機裝置性能測試工作是復雜多變的，涉及主要通風機裝置進、出口空氣的溫度和濕度、大氣壓等氣象參數(shù)，風壓參數(shù)、流經(jīng)主要通風機前后的風量，電氣參數(shù)，還有電動機和主要通風機的轉(zhuǎn)速及傳動效率等參數(shù)。 空氣密度測定 分別用空盒氣壓計、水銀溫度計、濕度計測量大氣物理條件、大氣壓力、溫度和濕度，然后計算空氣的密度。 在距風壓測試點 20m 內(nèi)的巷道內(nèi)，用氣壓計測量絕對靜壓，用干、濕溫度計測量干、濕溫度。每調(diào)節(jié)工況一次測量三次，取其算術(shù)平均值來計算。 瓦斯?jié)舛瓤刂? 瓦 斯?jié)舛冉o定范圍及依據(jù)： 瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，我們把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱為 瓦斯爆炸界限 。瓦斯爆炸界限為 5%～ 16% 。 當瓦斯?jié)舛鹊陀?5%時，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層，當瓦斯?jié)舛葹?%時，其爆炸威力最大 (氧和 瓦 斯 完全反應 )；瓦斯?jié)舛仍?16%以上時，失去其爆炸性，但在空氣中遇火仍會燃燒。 瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體、惰性氣體的混入開始 數(shù)據(jù)采集子程序 DD0 ? F1F2? 風機輪休控制子程序 是否手動 轉(zhuǎn)手動控制 風機連鎖停止并報警 兩組風機同時運行 結(jié)束 F1F2? Y N Y N N Y Y N 28 等因素的影響。 瓦斯?jié)舛瓤刂撇糠趾蜏囟瓤刂撇糠窒嗨?。本設計用到的瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳛?KGJ16B 型 ， 其性能參數(shù)見硬件設計部分 ， 瓦斯?jié)舛葌鞲衅鲗⑦B續(xù)變化的瓦斯?jié)舛刃盘栟D(zhuǎn)換為 4～ 20 毫安的電流，然后經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換模塊 EM235，通過其內(nèi)部的采樣、濾波，轉(zhuǎn)換為 PLC 能識別的二進制信號存儲到 VD196 中。在 離心 風機運行過程中若礦井工作面的瓦斯?jié)舛却笥谠O定 的報警瓦斯?jié)舛壬暇€時， 閉合， 也閉合，系統(tǒng)將發(fā)出指示并報警。以警示工作人員工作面瓦斯涌出量已有安全隱患，做好排放瓦斯的準備。若井巷工作面瓦斯?jié)舛壤^續(xù)增大，當 VD196 的存儲值大于設定的斷電瓦斯?jié)舛壬暇€時， 閉合， PLC 將發(fā)出切斷電源的指令，將 PLC 所有輸出和內(nèi)部位復位，并切斷風機電源各井巷工作面的電源，防止有明火引起與其爆炸。同時并發(fā)出報警。抽放瓦斯后，當瓦斯?jié)舛?VD196 的存儲值再次下降到小于斷電瓦斯?jié)舛壬暇€時，風機組并不能重新運行工作。只有當瓦斯?jié)?VD196 的存儲值下降到小于瓦斯?jié)舛?報警上線時 ， PLC 才恢復風機組再次啟動并將風機組運行工作。 圖 瓦斯?jié)舛瓤刂瞥绦? 壓力的監(jiān)測 （ 1）風壓給定及依據(jù) 在通風中所稱的風壓是指單位體積的空氣所具有的能量，按其類型可分為靜壓、動壓和全壓，其單位為 Pa。礦井自然風壓的計算 但是礦井進、回風井的空氣柱的的容重差（容重差又主要由溫度差造成）以及高差和其它自然因素所形成的壓力差稱為自然風壓 .它對礦井主扇的工況點會產(chǎn)生一定的影響，因此設計中應考慮自然風壓對主扇的影響。其計算公式為： hn＝ z1r1 z2r2 式中： hn—— 自然風壓，單位 Pa， Z1—— 礦井最高點至最低水平間的距離， Z2—— 出風階段的垂高， 29 r1 r2—— 表示進、回風流的平均重率， N/m3 主扇靜風壓計算： 容易時期：東翼通風容易時期主扇靜風壓； 西翼通風容易時期主扇靜風壓； 困難時期：東翼通風困難時期主扇靜風壓； 西翼通風困難時期主扇靜風壓； （ 2）風壓測定及控制 為求得主要通風機裝置的靜壓，應測出主要通風機進風端空氣的相對靜壓，其測定位置應 布置在工況調(diào)節(jié)裝置與主要通風機進風口之間直線段上，盡量選擇在接近主要通風機進風口而又風流穩(wěn)定處。通常軸流式主要通風機可在距離進風口一倍葉輪直徑處測量。對單吸風口的離心式風機則應布置在控制閘門后兩倍