矿井提升机变频调速控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

矿井提升机变频调速控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。 本文针对制约提升机安全的主要环节设置减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护措施，增加监视系统，对提升机的运行状态及故障来源进行时时刻刻地监视。 矿井提升机的设计 能够 解决实际 生产 问题， 其控制单元 采用了目前适用的工业 PLC控制单元来控制电动驱动系统， 其电力拖动单元采用先进 的变频驱动器，优化 了 矿井提升机速度控制性能。 摆脱 原来控制系统中的 交流接触 器和调速 电阻，提高了系统的可靠性， 改善了 操作人员的工作环境， 降低了 噪 音和温度 ； 分段预设频率，按 根据 负载 情况实现 连续平稳调速，无机械冲击现象，达到了低压 低频 启动 和 停止，停车操作更稳定。 启动和加速时的 冲击 电流小，可 使得矿井提升机在重载下从低速 无级调速 至最大 速度。 目前，这种方法是现代交流传动控制 中比较 先进的速度控制方式。 安全，可靠，高效和经济的 矿井提升机 速度控制系统的设计是 本 设计的 追求 目标。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 4 2 矿井提升机系统的控制要求 矿井提升机结构介绍 矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。 矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系 统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。 提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。 缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。 单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。 双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。 缠绕式矿井提升机大多用于年产量在 120 万吨以下、井深小于 400 米的矿井中。 摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。 提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。 摩 擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。 按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。 后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。 年产 120 万吨以上、井深小于 2100 米的竖井大多采用这种提升机。 目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动，提升过程一般包括：起动、加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。 矿井提升机速度和 受力分析 提升机的速度分析 提升设备在一个提升循环内的运行规律是用提升速度图来表示的，如图 升速度与提升时间变化的关系。 图 提升机速度图 唐 山 学 院 毕 业 设 计 5 分为五个阶段 ： 1t 阶段：为主加速阶段运行时间，此时加速度 1a 较大，速度一直从 0加速到最大的mV。 重车从井底开始上行，重车起动后，开始持续加速到变频器的设定频率为 2f ，在此期间提升机的速度逐渐加快。 2t 阶段：为匀速阶段运动时间，即容器以最大提升速度 mV 等速运行的时间。 上升时，电动机保持电动状态，重车提升机以额定运行速度稳定运行。 下放时， 由测速发电机反应转 子下放速度，当速度高于 mV 时，增大励磁电流，提高制动力矩，使箕斗匀速运行。 一般这段过程最长。 3t 阶段：为主减速阶段运行时间，即容器以最大提升速度 mV 减速运行的时间。 重车快到井口时减速阶段，重车减速到低速，进入爬行阶段。 如减速时间设置较短的时，变频器制动单位和制动电阻起作 用，以防因减速过快而跳闸。 4t 阶段：为爬行阶段运行时间。 重车以变频器频率为 1f 速度低速爬行，便于在规定的位置停车。 5t 阶段：为抱闸停车阶段时间。 到达停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，制动系统闸制动。 操作人员发一个联络信号到井底，整个提升过程结束。 提升机的受力情况 根据动力学方程式 3 7 5/* eTnTiTeTd  () 式中 eT 电动机电动力矩； iT 传动系统的静阻转矩； nT 传动系统的飞轮力矩， gJT 4n ，其中 J为转动惯量 ( 2mkg )， g 为重力加速度； dT 传动系统的动态转矩； e 加速度。 可以得出按给定速度图所需转矩 )(e tfT  的特性，从而可以得到拖动系统所需的力)(f tF ，提升机传动系统给定速度图、力图如图。 (a) 唐 山 学 院 毕 业 设 计 6 (b) （ c） 图 提升机给定力图 图中 （ a），（ b），（ c） 为提升机的给定力图。 其中（ a）为静负载力矩比较大的情况；（ b）为静负载力矩比较小的情况；（ c）为下放重物的 情况。 显然，随着提升物料的重量不同，要求电动机的拖动力矩不同，且在一个提升循环中，在不同阶段电动机的拖动力矩的极性也在变化，矿井提升机要求电力拖动系统能满足四象限运行的条件。 综合以上提升机的运行特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下 : 1. 加 (减 )速度符合国家有关安全生产规程的规定。 升降物料时，加速度 a≦ ,另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。 2. 最大速度符合归家有关安全生产规程的规定。 立井升降物料时，提升容器的最大速度，不得超过用下列公式所求得的数值： Hm  （ ） v最大提升速度， m/s； H提升高度， m。 3. 具有良好的调速性能。 要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段 (加速、减速、等速、爬行等 )。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 7 4. 有较好的起动性能。 提升机不同于其他机械，稳定运行的要求。 不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。 5. 特性 曲线要硬。 要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作 (当然，当负载超过一定的限度时，还要求系统能有效的自我保护。 迅速安全制动停车，即所谓要具备挖土机机械特性 )。 6. 工作方式转换容易。 要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。 7. 采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制和提高整个系统的工作效率。 具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行 .尽量节约能源和降低运转费用。 矿井提升机的调速控 制方案分析 为了使提升机调速控制系统能取得良好的控制性能，不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方案，控制方式是决定提升机使用性能的关键所在。 目前在实际生产中得到应用的很多，其中有高精度的还有一般性能的，种类五花八门，价格也高低相差悬殊。 所以在选用调速控制系统时要按负载的特性要求，并结合矿井的生产规模，以达到经济、实用为准。 常用的控制方式主要有：转子回路串电阻调速、模糊控制、直接转矩等。 传统转子回路串电阻调速系统 在加速过程中，交流接触器 KM1， KM2， KM3， KM4逐级吸合，转子回路电阻 依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。 如果要求提升机低速运行，则需在转子回路中串较大电阻。 为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电状态。 转子回路串电阻调速的主电路结构如图 ： 图 转子回路串电阻调速图 模糊控制调速系统 在 对提升机的转速控制中，采用二维的输入变量即使用误差和误差变化率。 PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号 e、误差变化率 te dd ，把误差信号和误差变化率的精确值模糊化变成模糊量 E、 EC再进过模糊推理唐 山 学 院 毕 业 设 计 8 得到模糊控制量 U，进行解模糊处理得到控制信号 u，送入控制电路。 与传统控制方式相比，模糊控制是一种非线性的控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合非线性系统的控制。 但信息简单的模糊处理导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度，则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。 实现模糊控制的原理框图如下图所示： 图 模糊 控制原理框图 直接转矩控制系统 直 接转矩控制系统采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，采用定子磁场定向，借助于离散的两点式控制产生脉宽信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动能性态。 其控制效果取决于转矩的实际情况，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。 直接转矩控制系统结构图如下图所示： 图 直接转矩控制系统结构图 变频器调速控制系 统 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。 我们现在使用的变频器主要采用交－直－交方式，先把工频交流电源通过整流器唐 山 学 院 毕 业 设 计 9 转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。 变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4个部分组成。 整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT三相桥式逆变器，且输出为 PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 [4]。 结构图如下图所示： 图 变频器的基本结构 矿井提升机调速系统的 确定 转子回路串接电阻调速方法调速范围小，串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低。 信息简单的模糊控制调速处理会导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度，则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。 直接转矩控制系统的 转矩和磁链调节器采用滞环比较器， 会 造成转矩脉动 ， 在电动机运行一段时间之后 ,电机的温度升高 ,定子电阻的阻值发生变化 ,使定子磁链的估计精度 降低， 也会 导致电磁转矩出现较大的脉动 ，同时 逆变器开关 频率低 也会造成 转矩脉动。 变频调速控制系统电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能控制系统。 同时还可以实现大范围的高效连续调速控制，并且能够达到节能的效果。 本设计结合煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点，对各种调速系统进行分析和比较，最终确定了提升机系统的整体控方案：变频调速控制系统。 采用 PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，能够满足提 升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果。 采用 PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。 因此本次设计选用交流电动机交－交变频调速系统。 交 直 交变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过二极管整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源 [5]。 唐 山 学 院 毕 业 设 计 10 3 提升机调速控制系统硬件设计 矿井提升机也称矿井卷扬机。 作为井上与井下的唯一输送通道，使得矿井提升机成为矿山的关键设备之一，也是矿山的咽喉部位。 矿井提升机运行性能的优劣，不仅直接影响到矿山的正常 生产与产品质量，而且还与设备及人身安全密切相关。 矿井提升机工艺工况图如图 ： 图 工艺工况图 根据矿山实际情况矿井提升机提升最大高度大约在 480m，根据公式 升速度为 ，为安全起见，最大提升速度取 7m/s。 矿井提升机系统框图主要包括主电动机、动力制动电源、 PLC、旋转编码器、换向器和操作台等。 系统框图如下图： 图 系统框图 唐 山 学 院 毕 业 设 计 11 主电动机：为箕斗的提升和下降提供机械力，根据实际需要这里选择使用额定电压v380EU ，额定电流 AIE 380 输出功率为 kw90MP ，电动机效率  ,功率因数  ，额定转速 min/1410n rN  的三相鼠笼式异步 交流电动机。 变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。 操作台：操作台设置五个按钮，分别用于变频器的启动、停止、复位，箕斗的上升和下降控制。 它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。 旋转编码器：旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给变频器。 变频器 通过该信号可以计算出提升。