矿井提升机变频调速控制系统设计【含CAD图纸、说明书】
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矿井提升机控制系统
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机械工程系机械工程系| |毕业设计说明书毕业设计说明书 论文题目论文题目 矿井提升机变频调速控制系统设计 学科专业学科专业 作者姓名作者姓名 指导教师指导教师 日期 年 6 月 8 日 摘 要 矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的 矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回 路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、 电能浪费大、效率低等缺点。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电 控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。因此，对矿井 提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。 本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提 升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。事实表明 ，采用该控制系统， 使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。 关键词：矿井提升机；变频调速；可编程控制器；控制系统 矿井提升机变频调速控制系统设计 2 Abstract The shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment.The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvanges such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy wasting and low efficiency. According to this kind of condition, we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system. So,carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars，both at home and abroad. To these questions existing in the shaft hoist contro1 system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system,and carried on deeper research in feasibility. The fact indicates，adopting control system，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function. Keywords：Shaft hoist；Frequency conversion；PLC；control system 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 设计来源 1 1.2 国内外矿井提升机的现状与发展趋势 2 1.2.1 国内矿井提升机电气控制系统的现状 2 1.2.2 国外提升机电气控制系统的现状 3 1.3 设计内容及意义4 1.3.1 设计内容 4 1.3.2 设计意义 4 第 2 章 矿井提升机的选型设计及运动学分析 6 2.1 箕斗和电机的选型设计 6 2.1.1 箕斗的选定 6 2.1.2 提升机的简单介绍及电动机的选定 7 2.1.3 计算变位质量9 2.2 提升电机的运行方式9 2.3 提升机的速度要求及受力情况.10 2.3.1 提升速度图.10 2.3.2 矿井提升机电控系统六阶段速度图分析 .10 2.3.3 加速度的确定.12 2.4 提升能力校核.16 2.5 电动机等效功率计算.16 2.5.1 运动力计算.16 矿井提升机变频调速控制系统设计 4 2.5.2 等效力计算.18 2.5.3 等效功率.19 2.5.4 校核电动机过负载系数.19 第 3 章 矿井提升机变频调速控制系统总体设计 .20 3.1 矿井提升机电控系统的组成 .20 3.2 矿井提升机控制系统工作原理.21 3.3 矿井提升机变频调速系统的组成.21 3.3.1 变频调速系统变频器简介.22 3.3.4 高压提升机变频器主要特点 .26 3.3.5 变频器参数设置 .27 3.3.6 变频器外部接线图设计 .28 3.3.7 变频调速控制系统主电路主要部件的功能 .28 3.3.8 变频器声光报警回路设计 .29 3.3.9 变频器制动控制回路设计 .29 3.4 PLC 在提升机变频控制系统中的应用 .33 PLC 概述 .33 3.4.1 PLC 的 I/O 点统计.34 3.4.2 PLC 的 I/O 端口统计 .35 3.4.3 PLC 的选型 .36 3.4.4 PLC 的外部电路接线图 .36 3.4.5 PLC 外围电气控制回路设计 .37 3.5 硬件调速控制系统保护措施 .41 3.5.1 空气断路器短路保护 .41 3.5.2 热继电器过载保护 .41 第 4 章 矿井提升机变频调速系统软件设计 .42 4.1 程序设计 .43 4.2 系统抗干扰措施 .46 4.2.1 变频器的抗干扰及防止 .46 4.2.2 PLC 的抗干扰及防止46 4.3 提升机调速系统的程序梯形图 .47 4.4 提升机调速系统的程序调试 .48 第 5 章 人机交互界面 49 5.1 触摸屏概述.50 5.2 触摸屏在工业控制中的应用.50 5.3 PWS3261 触屏简介 51 5.4 触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用.51 6 总 结52 致 谢 .54 参 考 文 献 .55 附录 A57 附录 B 62 1 绪论 1.1 设计来源 矿井提升机在矿井中担负着升降人员、提升矿物、运送材料以及升降设备、工具等 任务，它是联系矿井地面与井下的重要运输设备，是矿井的重要设备之一，在整个矿井 生产中占有重要地位，它被人们称为矿山的“咽喉设备”。就其耗电量来说，提升机的 耗电量大约占全矿井用电量的 15左右。但矿井提升机的动力传输系统是非常复杂的， 牵引电机频繁的前进和后退，经常超负荷运转，电制动不断转换的状态，这严重影响到 提升过程的可靠与安全。因此，研制并制造既安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全 生产的一项重要课题。 从 20 世纪 80 年代末，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以 16 位和 32 位微处理器构成的可编程序控制器得到了快速的发展，使之在概念、设计、性能、性价 比等有了重要突破，尤其使得 PLC 和变频器在提升机调速控制系统中得到了长足的发展。 因为 PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大，适应面广、设计调试简单，维护方 便等独特的优点；而且变频器调速具有优异的调速性能、平稳的起制动性能、工作效率 比较高、功率因数，节能效果也较明显；从而使得矿井提升机调速控制系统的可靠性、 安全性、自动化水平都得到了大大的提高。 我们都知道矿井提升机是联系井下和地面的提升机械。 按工作方式分类如下： 1.单绳缠绕式提升机：它是较早的一种，工作原理比较简单，它是把钢丝绳的一端固 定并缠绕在提升机的滚筒上，另一端绕过井架上的天轮悬挂提升容器，利用滚筒转动方 向的不同，将钢丝绳缠上或是放出，完成提升或下放重物的任务。在我国竖井、斜井、 中小型矿井及凿井中较适用，目前在矿井提升机中占有较大比重。 2.多绳缠绕式提升机：多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车 槽装置、减速器、 深度指示器、制动装置及导向轮等。多绳摩擦式提升机是多根钢丝绳 挂在卷筒上，当卷筒（摩擦轮）转动时依靠钢丝绳依靠钢丝绳与摩擦轮上的衬块之间的 摩擦力带动钢丝绳运行。这种提升机由于具有安全可靠、体积小、质量小，更适用于深 井提升等优点，在我国目前的矿井提升机也已得到广泛应用。 3. 内装式提升机：内装式提升机是将拖动电机直接装在摩擦轮内部，使电机转子 与摩擦轮成为一体。是世界上近年来研制成功的一种全新的新型提升机。它的摩擦轮相 矿井提升机变频调速控制系统设计 当于电动机的转子，主轴相当于电动机定子。同时，主轴可做成空心轴作为冷却风道， 这样既达到了使用内部电动机冷却的目的，减少了设备结构重量，又减少了提升系统的 转动惯量。 内装式提升机的问世，是提升机领域里的一个新的里程碑，是提升机的机械与电气 高度一体化的完美结合，它体积小，重量轻，基础设施要求也简单，设备造价低，运行 费用低，与传统的提升机相比，它的各项指标都显示了较高的优越性。它不但对提升机 制造业产生了巨大影响，也对矿井提升机的使用，维修引起了变革，迫使人们用全新的 概念去评价提升机的性能，重视内装式提升机的研制。 1.2 国内外矿井提升机的现状与发展趋势 随着科学技术的进步和矿井生产的现代化的不断提高，人们对矿井提升设备的运行 特性曲线以及工作特性的进一步认识，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种 各样的新技术，新工艺逐渐的被应用于矿井提升设备中。尤其是模拟技术、微电子技术、 可编程控制系统在提升机控制系统中的应用将成为发展的必然趋势。下面就国内外矿井 提升机电控系统情况作一简单的介绍。 1.2.1 国内矿井提升机电气控制系统的现状 在煤矿实际生产中，矿井提升机起着十分重要的作用，它是矿山生产的过程中必不 可少的设备。提升机电控装置的技术性能，不仅直接影响矿山生产的效率及安全和可靠 性，而且代表着矿井提升机发展的整体水平。如今，我国矿井提升机 85%以上是采用单 机容量在 1000KW 以下传统的交流异步电机来拖动，采用转子串、切电阻调速，用继电 器接触器构成逻辑控制装置来控制。其中一半以上为电动机发电机组(F-D 机组)供电， 采用晶闸管整流传动(SCR-D)的只占一小部分。 但传统交流拖动系统的显著缺点是：调速性能较差，调速时能量要大量消耗在电阻 上，不仅给定方式落后，而且控制精度低，安全保护和监测环节也不完善，安全可靠性 差，维护工作量大，运行还不经济。 由于异步电动机在低速运行时的特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动 力矩，因此无法准确地控制提升机的停车位置。现在多采取动力制动或低频拖动加制动 的方式来完成减速、爬行和停车等过程。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用 模拟技术控制的晶闸管装置，但是仍存在调试困难、维护量大的问题。 传统交流电控系统可靠性差的另一原因就是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均 为单线控制系统，且与控制系统相混联，多数都共用一套线路，互相影响。1985 年以来， 面对制约提升安全的重要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测以 及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制， 使得提升安全状况有所提高。 对提升机电气控制系统技术改造的过程中，不仅要有领先于国际先进水平的工作意 识，也要考虑我国实际的国情，凭借自己的力量，去加强与先进国家的合作，虚心学习 引进、消化吸收、合作制备、联合改造创新等多种形式，从而实现符合中国国情的煤矿 提升机电控系统现代化的梦想。 1.2.2 国外提升机电气控制系统的现状 国外从 60 年代末开始，随着微机技术的高速发展，微机控制技术得到了长足的发展， 并己逐步应用于矿井提升机中了。现在看来，国外己达到很成熟的阶段，使整个拖动控 制产生一次伟大的变革。具体应用主要体现在以下几方面: (1) 提升工艺过程微机控制 在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机来控制。由于微机功能强大，使用 灵活方便，运算速度快捷，监视显示易于实现，并具有诊断短路断路等功能，而这是采 用模拟控制所无法实现的。 (2) 提升行程控制 提升机的控制从最本质上说其实是一个对位置的控制，必须要保证提升容器在预定 地点能够准确的停车，准确度要高，目前的控制误差不超过 2cm。当采用微机控制，可通 过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒、钢丝绳磨损等。将这些信 号进行处理，可以计算出提升机的准确的位置而施以保护和控制。在箕斗提升时可实现 无爬行提升，大大的提高了提升能力。如 SIEMENS,ABB,AEG 等公司己采用 32 位微机来构 成行程给定器。而且还提供性能不尽相同的机械行程控制器。多数过程控制用微机作监 视，行程控制也采用独立的微机来完成，从而提高了系统的可靠性。 (3) 提升过程监视 由于近代提升机控制系统设计特别强调安全与可靠性，所以提升过程监视与安全回 路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视： a、提升过程中各工况参数监视；b、各主要设备运行状态监视；c、各传感器(如井筒同 步开关、停车开关)信号的监视。使得各种故障在出现之前就给处理了，防止机械事故的 矿井提升机变频调速控制系统设计 发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，投入到矿井 监测系统中。 (4) 安全回路 安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，这个 过程极为重要。，对不同的故障，我们一般采用不同的处理方法来确保人员和设备的安 全。安全回路是保护的最后一个环节，如今很多公司都采用两台 PLC 微机来构成安全回 路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机，还是安全回路本身出现故障 都能精确地实施安全制动。 (5) 全数字化系统调速控制 西欧一些国家如德国 AEG 公司、西门子公司以及 ABB 公司已经将交流变频调速系统 和全数字化系统应用于提升机上。尤其全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调 整容易、与上位机联网便捷等优点。但是此类系统要求维护人员具有更高的技术水平和 计算机知识才行。 然而，当前国内提升机行程控制水平还是很低的，速度给定环节依然以时间给定和 机械式行程给定为主要工作方式，而以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研 究成果还处于萌芽与测试阶段。截至目前，还未见到采用智能控制装置来实现高性能的 行程控制系统的成套配置装置，而有些先进国家已经逐渐进入工业 4.0，先进水平可想而 知。但对于我国的矿井提升机系统来说，如何实现高性能的行程控制与制动控制系统可 靠安全是一个目前亟需解决的首要问题。 1.3 设计内容及意义 1.3.1 设计内容 本设计是以某煤矿主立井提升机调速控制系统为背景，在已经很成熟但调速方法较 落后、设备陈旧的交流拖动系统的技术基础上，通过变频控制技术在矿井提升机速度、 行程，制动控制中的应用，详细的叙述新型矿井提升机调速控制系统的设计与应用情况。 本设计的主要任务有： (1) 矿井提升机电控调速控制系统的设计； (2) 调速控制系统硬件的选型设计； (3) 调速控制系统软件部分的设计； (4) 对所设计的系统进行分析校验； 1.3.2 设计意义 当前国内提升机的调速控制系统绝大多数还是在电机转子回路串入电阻，用分段控 制的交流绕线式电机和继电器接触器来控制系统。这种控制方式设备陈旧、控制复杂、 运行速度快、技术落后，总之问题很多，具体如下： (1) 在转子回路中串联电阻，大量电能被消耗，这会造成能源的浪费。 (2) 电子分级切换，是为有级调速，这样运行不平稳，电气及机械冲击明显； (3) 继电器、接触器动作频繁，电弧会烧蚀触点，使用寿命降低，维修成本增加。 (4) 系统安全性、可靠性也不高（如交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题） ，容易引起设备故障。 (5) 电动机通过转子电阻获得的低速，其运行特性较软。 (6) 提升容器通过预定好的减速点时，由于负载的不同，将得到不同的减速值，就 不能达到稳定的低速爬行过程，最终使停车位置不准确，不能正常装卸载货物或人员。 以上得问题将使得提升机的可靠性以及安全性得不到保证。所以，更加安全可靠的 控制系统的研制，将变得很重要，这会使提升机运行的可靠性、安全性、经济性和高效 性得到改善。在提升机控制系统中计算机控制技术和变频器调速技术的应用，是对原有 提升机控制系统的升级与换代。 本设计从解决实际矿井提升机调速控制系统的问题出发，控制单元采用当今工控适 配的 PLC 控制；电力拖动系统中，选用领先的变频传动装置；优化了矿井提升机调速控 制系统的性能。改进了原来电控调速用的交流接触器及电阻，提高了系统的稳定性，提 高了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低了许多；调速连续方便，可分段预置频率； 能根据负荷情况来连续平滑的进行调节转速，无机械冲击的现象；实现并完成了低频低 压的软启动和软停止，使停车运行更加平稳；启动和加速过程对电流冲击小，能够实现 矿井提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速。目前，这一控制方法是现代交 流调速中相对较先进的调速控制方式之一。 但安全、可靠、经济、适用、高效依然是本设计的任务和追求的目标。 矿井提升机变频调速控制系统设计 2. 矿井提升机的选型设计及运动学分析 假设某煤矿设计年产量:, 采用立井开采已知数据：tAn万300 (1) 提升机工作制度为每年工作日；天360 n B (2) 每日工作小时数；hTr18 (3) 单水平提升，井筒深度；mHS550 (4) 箕斗卸载高度,装载高度；mHx16mHz18 (5) 散煤容重密度 ； 3 /95. 0mt (6) 一套箕斗提升设备，采用多绳摩擦式提升机。 根据这个煤矿的实际生产情况，并且广泛调查国内外矿井提升机调速控制系统的发 展状况来设计出适合该煤矿的安全可靠、效率高的提升机调速控制系统。 2.1 箕斗和电机的选型设计 2.1.1 箕斗的选定 (1) 提升高度 ： 550 18 16584 Szx HHHH (2) 经济提升速度 ：0.40.4 5849/ m vHm s (3) 一次提升循环估算时间： 2011 63.42094 m g m vH Ts av (4) 初估算加速度： 2 0.8/am s (5) 每小时提升次数： 36003600 38 94 s X n T (6) 每小时提升量 ：ht tb CCA A rr fn n /639 18360 2 . 115 . 1 10300 4 (7) 一次合理提升量： t TA Q gn 7 . 16 3600 94639 3600 要考虑到为以后矿井生产能力的加大留有余地，选择 JDS16，有效容积为。 3 17.6m 根据煤矿安全规程规定，考虑到实际的提升速度得低于 8m/s，因此，取过卷高 度 H=8m,天轮直径来确定井架高度。3.5 t Dm 3.5 0.7516 1080.7536.5 22 t jxrg D HHHHm 17.6 0.9516.7Qt 2.1.2 提升机的简单介绍及电动机的选定 矿井提升设备的主要组成部分有：提升钢丝绳、提升容器、提升机（包括拖动系统） 、井架、天轮、导向轮及装卸载设备等等。 由于井筒条件及选用的提升容器和提升机的类型不尽相同，所以可组成的矿井提升 系统各有特点。最为常见的提升系统有：竖井单绳缠绕式箕斗提升系统、竖井多绳摩擦 式箕斗提升系统、竖井单绳缠绕式罐笼提升系统、竖井多绳摩擦式罐笼提升系统、斜井 串车提升系统、斜井箕斗提升系统。矿井提升机是一个完整的机械-电气系统，主要由以 下这几部分组成。 (1) 工作机构 主要是指主轴装置和主轴承，主轴装置：主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、 调绳离合器。 (2) 制动系统 液压制动系统装置由制动器和液压传动装置组成，它们是提升机不可缺少的重要 组成部分之一，还是最后一道安全保障装置。制动装置的可靠性直接影响到提升机是否 能安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机的卷筒，使提升机停止继续运行。 (3) 机械传动系统 机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的功能是减速和传递动力，联轴器的作 用是用来联接提升机的旋转部分，并且传递机械动力。 (4) 润滑系统 润滑系统是矿井提升机在矿井提升运行的过程中，连续不断的向轴承和啮合齿面压 送润滑油，来保证轴承和齿轮的正常工作。但润滑系统一定要与自动保护系统和电动机 进行联锁，就是当润滑系统失灵时，主电动机能够断电，来确保机器的正常运转。 (5) 观测和操纵系统 矿井提升机变频调速控制系统设计 观测和操纵系统主要由斜面操纵台，深度指示器和测速发电机组成。深度指示器的 作用是显示提升容器当前的运行位置，当容器接近井口卸载位置和井底车场时，发出减 速和制动信号，使得矿井提升机迅速制动停止。 (6) 拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括拖动电动机、变频器、PLC 电气控制系统和自动保护系 统等。矿井提升机的自动保护系统的功能与作用是：在提升机不参与工作的情况下，发 生故障的时候能够自动将主电动机断开，同时进行安全制动以达到对系统的安全保护的 作用。提升机系统图如图 2-1 所示： 表 2-1 立井双箕斗底卸式提升系统图 Table 2-1double shaft skip unloading hoisting system diagram (1) 确定电机额定转数 6060 11.5 9 565 / min 3.14 3.5 m e t iv nr D 考虑到箕斗容积选用比较大，故选预定的同步转速为 500 / min t nr (2) 电机功率确定 由可以大致估定电机额定转数为，所以实际最大提升速度为 t n492 / min e nr 3.14 3.5 492 7.84/ 6060 11.5 e m Dn vm s i 则电动机功率 1.15 167200 7.84 1.22124 10001000 0.85 m e j KQv PKW 取矿井阻力系数，箕斗提升 K=1.15，减速器传动效率（减速度传动效率，单级传动 =0.92，双级传动时=0.85）为。Q 为一次提升货物重力，动力系数 j j 0.85 j 1.2 。 根据以上这些的计算，最终选择 YR2500-6/1430 大型三相异步电动机，查电动机产 品样本，其技术参数如下见表 2-3。 表 2-2 YR2500-6/1430 型电动机技术参数 Table 2-2 technical parameters of YR2500-6/1430 motor 额定功率=2500kw e P 额定转速=1000r/min d n 过负载系数=2.0 转子转动惯量=12480kg. 2 GD 2 m 电动机效率=94.0% d 电压 V=6kv (3) 电动机作用于滚筒上的额定拖动力： 1000 1000 2500 0.94 299745 7.84 ej e m P FN v 2.1.3 计算变位质量 变位质量见式(2.1.3) 式(2.1.3) g G M =8803.6（kg/m） 2 s 矿井提升机变频调速控制系统设计 2.2 提升电机的运行方式 提升电动机的运行方式 ，主要根据系统的力图来确定： 加速阶段：提升时为正力，电动加速。下放时为负力，如果负力值较小，可考虑自 由下落加速，并配合使用盘式制动器来制动，如果负力值较大，则采用动力制动加速。 匀速阶段：提升时为正力，采用电动拖动。下放时为负力，采用能耗制动、闭环控 制，单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID 调节 器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成，下放速度由 PID 调节。 主减速阶段：提升时为正力，采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放 时为负力，一方面接入转子附加电阻，另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。 爬行阶段：当为正力时，转子接入几段附加电阻，用 PLC 控制运行；当为负力时， 在能耗制动方式下接入转子附加电阻。 2.3 提升机的速度要求及受力情况 2.3.1 提升速度图 提升速度图的确定：多绳摩擦轮提升机的速度图和单绳缠绕式提升机相同。即箕斗 提升采用六阶段速度图；罐笼提升采用五阶段速度图。 由于多绳提升机多用于较深的矿井，更多的是在大型矿井使用，因此，电动机功率 大都比较大，使用直流电动机拖动的可能性较单绳提升机为大。当采用直流拖动时，速 度图的加速段可能有二种：一是等加速度：另一种是变加速度，又称为抛物线加速度。 抛物线加速度有以下特点： (1)加速阶段与等速阶段的功率式连续变化的，加速段的尖峰功率较小，因此，要求 电动机及变流设备的过载能力较小，加速段启动功率也小。 (2)加速阶段的时间较长，大约为等加速度所需时间的二倍，因此，在同样的条件下， 提升能力较小。 由于箕斗提升一般要求有最小的一次提升时间，因而限制了抛物线加速度的速度图 的使用，只有在副井提升，对一次提升时间要求不严格的情况下，才考虑选用抛物线加 速度的速度图，以降低电动机，电源设备的过载和电网的高峰负荷。由于本文中属于主 井箕斗提升，因而使用等加速度的速度图。 2.3.2 矿井提升机电控系统六阶段速度图分析 (1)初加速阶段 t0 由于这时井上空箕斗在卸载曲轨内运行，故加速度不可过高，以免对设备产生过大 冲击，煤炭工业设计规范规定，箕斗滑轮离开曲轨时的加速度 V01.5m/s。 (2)主加速阶段 t1 正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大 3%5%，产生比较低的加速度 a 0.3m/s2。当 V0 上升到 Vm 时，电动机运行在自然特性曲线上。下放时，由于负力较大， 需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。 (3)匀速阶段 t2 上升时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度 Vm=7.84ms。下放时，由测 速发电机反映转子下放速度 ，当速度高于 Vm 时，增大励磁电流，提高制动力矩，使观 览车在斜坡上匀速运行。 (4)主减速阶段 t3 为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行，由装在斜 坡上的位置开关动作发出信号，PLC 再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲 数进行比较发出指令，增大励磁电流，使下放速度在规定的时间内降低。 (5)爬行阶段 t4 V4 在 0.3 m/ s 左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的 Vm 不可能 很准确的变为速度 V4。 (6)停车阶段 t5 将盘式制动器的 KT 线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。 采用的六阶段速度图，如下图 2-3 所示： 矿井提升机变频调速控制系统设计 表 2-3 提升机的六阶速度图 Table 2-3 six order speed chart of the hoist 2.3.3 加速度的确定 （1) 初加速度 箕斗提升初加速度的确定，见式(2.3.3.1) 式(2.3.3.1) 0 2 0 0 2h v a = 35 . 2 2 5 . 1 2 =0.479（m/） 2 s 式中：箕斗脱离卸载轨时的速度，为了保证提升开始时，空箕斗对卸载曲轨 0 v 及井架的冲击不致过大，箕斗离开卸载曲轨的速度被限制在1.5，取 =1.5（m/s）； 0 v 0 v 箕斗在卸载曲轨中的行程，目前大量通用的箕斗卸载曲轨行程为 0 h h0=2.13m，新标准系列箕斗的卸载曲轨行程为 2.35m，所以初加速度 a0 一般采用 0.5m/s2。 按防滑条件计算 在计算容器最小自重时已定。 2 1 /8 . 0sma 综合考虑上述三个条件，按其中最小者确定主加速度的大小。所以综上所述，本 1 a 设计加速度=0.8是可取的。 1 a 2 /sm （2)提升减速度的确定 根据防滑条件查表,最终选取=1.120（） 3 a 2 /sm （3)爬行速度和距离 根据爬行距离及速度选择表，按自动控制：（m/s）；=3（m）5 . 0 4 v 4 h （4)速度图计算 已知：7.84（m/s）；=584（m）；=1.5（m/s）；=2.35（m）； max V t H 0 v 0 h （）；（）；（）；（m/s）；5 . 0 0 a 2 /sm8 . 0 1 a 2 /sm120. 1 3 a 2 /sm5 . 0 4 v =3（m） 4 h 1) 初加速阶段： 卸载曲轨中初加速时间见式(2.3.3.2) 0 t 式(2.3.3.2) 0 0 0 a v t = 5 . 0 5 . 1 =5（s） 箕斗在卸曲轨内的行程见式(2.3.3.3) 0 h 式(2.3.3.3) 000 2 1 tvh =55 . 1 2 1 =3.75（m） 矿井提升机变频调速控制系统设计 2) 正常加速阶段： 时间见式(2.3.3.4) 1 t 式(2.3.3.4) 1 0max 1 a vv t = 8 . 0 5 . 184 . 7 =8（s） 距离见式(2.3.3.5) 1 h 式(2.3.3.5) 1 0max 1 2 t vv h =8 2 5 . 184. 7 =37.4（m） 3) 正常减速阶段： 时间见式(2.3.3.6) 3 t 式(2.3.3.6) 3 4max 3 a vv t = 120 . 1 5 . 084 . 7 =6.6（s） 距离见式(2.3.3.7) 3 h 式(2.3.3.7) 3 4max 3 2 t vv h =6 . 6 2 5 . 084 . 7 =27.5（m） 4) 爬行阶段： 时间见式(2.3.3.8) 4 t 式(2.3.3.8) 4 4 4 v h t = 5 . 0 3 =6（s） 5) 制动阶段（抱闸停车）： 末减速度：，一般取 0.30.5（m/），本设计取=0.5（m/） 5 a 2 s 5 a 2 s 时间见式(2.3.3.9) 5 t 式(2.3.3.9) 5 4 5 a v t = 5 . 0 5 . 0 =1（s） 6) 等速阶段： 距离见式(2.3.3.10) 2 h 式(2.3.3.10) 43102 hhhhHh t =3 5 . 27 4 . 3775 . 3 584 =512.4（m） 时间见式(2.3.3.11) 2 t 式(2.3.3.11) max 2 2 V h t = 84 . 7 4 . 512 =65.4（s） （5) 提升一次循环所需时间 提升一次循环所需时间(除去休止时间)，见式(2.3.3.12) 式(2.3.3.12) 543210 ttttttTc =166 . 64 .6585 92（s） 提升一次循环所需时间，见式(2.3.3.13) 矿井提升机变频调速控制系统设计 式(2.3.3.13) cg TT =92+16 =108（s） 2.4 提升能力校核 年实际提升能力见式(2.4) 式(2.4) g r TC Qtb A 3600 = 10815 . 1 7 . 16183603600 =313.7（万吨/年）300（万吨/年） 因此提升能力校核合格。 2.5 电动机等效功率计算 2.5.1 运动力计算 因为提升机的尾绳等重，所以根据平衡系统来计算，=0 t H 1) 提升开始，运动力见式(2.5.1.1) 式(2.5.1.1) 00 MaKQF =5 . 0 6 . 88031670015 . 1 =23606.8（kg） 2) 初加速终了，运动力见式(2.5.1.2) = 式(2.5.1.2) 0 F 0 F =23606.8（kg） 3) 加速开始，运动力见式(2.5.1.3) 式(2.5.1.3) )( 0101 aaMFF =)5 . 08 . 0( 6 . 8803 8 . 23606 =26247.88（kg） 4) 加速终了，运动力见式(2.5.1.4) 式(2.5.1.4) 12 FF =26247.88（kg） 5) 等速开始，运动力见式(2.5.1.5) 式 123 MaFF (2.5.1.5) =8 . 0 6 . 880326247.88 =19205（kg） 6) 等速终了，运动力见式(2.5.1.6) 式(2.5.1.6) 34 FF =19205（kg） 7) 减速开始，由于为自由滑行，运动力见式(2.5.1.7) （kg） 式(2.5.1.7)0 5 F 8) 减速终了，变为自由滑行，运动力见式(2.5.1.8) （kg） 式(2.5.1.8)0 56 FF 9) 爬行开始，运动力见式(2.5.1.9) 式(2.5.1.9) 367 MaFF =120. 1 6 . 88030 =9860.0（kg） 10) 爬行终了，运动力见式(2.5.1.10) 式(2.5.1.10) 78 FF =9860.0（kg） 11) 制动减速开始时，运动力见式(2.5.1.11) 式(2.5.1.11) 589 MaFF =5 . 06 .88030 .9860 =5458.2（kg） 12) 制动终了，运动力见式(2.5.1.12) 矿井提升机变频调速控制系统设计 式(2.5.1.12) 910 FF =5458.2（kg） 表 2-3 力图 Table 2-3 force diagram 2.5.2 等效力计算 1) 求，见式(2.5.2.1) 2 t F 式(2.5.2.1) 5 2 94 2 73 2 52 2 31 2 10 2 0 2 tFtFtFtFtFtFFt =1 2 . 54586 0 . 98606 . 60 4 . 6519205888.262475 8 . 23606 222222 = 10 1030 . 3 各个运行阶段力的平方与该段时间成绩的总和。 2 t F 2) 等效时间，见式(2.5.2.2) 式(2.5.2.2) 3 1 )( 2 1 254310 ttttttTd =16 3 1 4 . 65) 166 . 685( 2 1 =84.1（s） 3) 等效力，见式(2.5.2.3) 式(2.5.2.3) d dx T tF F 2 = 1 . 84 1030 . 3 10 =19808.8（kg） 2.5.3 等效功率 等效功率，见式(2.5.2.4) 式(2.5.2.4)K VF P dx dx 102 max =1 . 1 85 . 0 102 84. 78 .19808 =1970.3（kw）2s井上停车点井下停车点 各行程开关的设置各行程开关的设置 根据以上的计算设定各行程开关的位置如下表3-5： According to the above calculation, the position of the travel switch is as follows: 3-5: 行程开 关 位置（井上 算起） 行程开关 位置（井上 算起） 上过卷-3m下减速点545m 上停车点-2m下制动点550m 上制动点0m下停车点552m 上减速点5m下过卷553m 3.3.4 高压提升机变频器主要特点 (1) 高压主回路与控制器之间为多路光纤连接，安全且可靠； (2) 全中文 WINDOWS 操作界面，彩色液晶触摸屏，安装、设定、调试很简便，功率 电路模块化设计，维护也简单； (3) 高电压源型的变频器，直接 6KV，10KV 输入和输出，不需要输出变压器； (4) 可以满足电动机的四象限的工作要求； (5) 输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因素补偿和谐波抑制等装置； (6) 输出阶梯 SPWM 波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，谐波少， 减少轴承和减速器等所带来的机械振动； (7) 强大的 CPU 处理能力，易于改变控制逻辑关系，适应不同的现场需要； (8) 自带风冷和水冷设施，完善的变频器参数设定功能，优异的性能和性价比； (9) 具备 RS485 通讯接口，标准 Modbus/Profibus 等通信规约，可以实现远程监视， 可以接受和输出标准的工业信号； (10) 完整的故障监测电子电路、精确的故障定位和报警保护功能； 3.3.5 变频器参数设置 根据提升机的速度要求来确定变频器的参数，设置如下表所示： 表 3-6 变频器参数设置 Table 3-6 inverter parameter settings 参数名称参数号设置参数 应用对象P02051 控制方式P13000 工作地区P01000 上限频率P108250Hz 下限频率P10800Hz 上升时间P1120300s 下降时间P1121200s 自动检测方式P19102 矿井提升机变频调速控制系统设计 根据变频器的调速原理，在变频器输入回路中接入频率设定电路，由 PLC 输出的模 拟量，就是我们所说的电压或电流信号来控制变频器的输出频率，来实现电机速度的控 制。本设计的调速系统是采用 PLC+D/A 模块配合变频器进行实现的，通过 PLC 输出电压 信号（0-10V）来控制变频器的频率变化。此时变频器输出频率与设定电压输入成正比例 的关系。 3.3.6 变频器外部接线图设计 变频器能够输出频率可以改变的交流电源，而且在变频器的外围加设有声光报警输 出及制动单元，能够实现变频器故障报警器和安全制动等功能，能够更加有效的对控制 系统进行安全保护，外部接线图如图 3-7 所示： 图 3-7 提升机系统变频器外部接线图 Figure 3-7 the external wiring diagram of the inverter external converter 3.3.7 变频调速控制系统主电路主要部件的功能 变频调速控制系统主电路如图 3-8 所示： 图 3-8 变频调速控制系统主电路图 Figure 3-8 main circuit of variable frequency speed control system 空气断路器：过流过载保护； 交流接触器：切断电源和启动； 交流电抗器 La：降低谐波，抑制浪涌电压，以改善功率因数； 噪声滤波 LB：减小无线电干扰； 电抗器 LA：减小干扰和振动； 热继电器 FR：断相保护，过载保护； 3.3.8 变频器声光报警回路设计 (1) 变频器的报警是输出的动断（常闭）触点“NC-COM”串联在 KM1 的线圈电路 中，当变频器因为故障而不能正常工作时，会发出报警；同时报警输出的常闭触点动作， 使 KM1 线圈没有电，将变频器与电源断开，从而进行安全保护。为了保护报警输出的触 点，在接触器的线圈两端处，并联阻容来吸收电路（即 RC 震荡电路）。 (2) 声光报警电路是由报警输出的动合（即常开）触点“NO-COM”来控制，当变 频器跳闸时，触点“NO-COM”闭合，使报警指示灯 HL 和电笛 HA 接通，触发声光报警。 与此同时，断电器 KA1 通电，其触点将声光报警电路锁住，使变频器断电后，声光 报警能持续下去，一直到工作人员按下 ST1 为止，报警才得以解除。 另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容来吸收电路，以保护变频器内 部报警继电器的触点。 3.3.9 变频器制动控制回路设计 由于提升机负载惯性较大，当变频器的输出频率下降至 0 Hz 时，往往停不住，而出 矿井提升机变频调速控制系统设计 现“蠕动”(即爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象所造成后果是十 分危险的。因此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动的功能，以避免出现爬行的 现象。 a.能耗制动电路的作用 在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过慢慢减小变频器的频率来实现的。 此时： (1) 电动机的工作状态在频率刚减小的那一瞬间，电动机的同步转速也随之发生下 降，但由于有机械惯性的存在，电动机的转子转速并没有改变。当同步转速低于转子的 转速时，转子电流的相位发生了有 180的改变，此时电动机处于发电状态。与此同时， 电动机轴上的转矩变成了制动转矩，导致电动机的转速迅速下降。但从电动机的角度来 看，是处于再生制动状态。 (2) 变频调速系统的工作状态，电动机再生的电能经过与逆变管反并联的续流二极 管全波整流后反馈给直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，尽管各部分电路 还在消耗着电能，但电容上仍有短时间的电荷堆积，这就形成了“泵生电压”，使直流 电压升高。而过高的直流电压对整个系统有影响，会使各部分器件受到损害。因此，当 直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变 频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降过程中所减少的动能，通过电动机“再生” 电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。换句话说，是通过消耗能量而获得制动转 矩的，所以说是属于能耗制动状态。当用于消耗电动机而再生电能的电路，就是我们常 说的能耗制动电路。 b.能耗制动电路的构成 (1) 制动电阻 能耗制动电路结构如下图所示，图中的 BR 就是制动电阻，它是用于将电动机的再生 电能转变成热能而消耗掉。其选择方法如下： 的阻值在通常情况下，它的大小将使制动电流不超过变频器额定电流的一半，这 B R 是最为合适的取法，即： 2/ NBDB IRUI NDB IUR/2 的功率由于的工况属于短时工作状态，其标称功率可以比长期通电时消耗 B R B P B R 的功率小许多： (2) 制动单元BV 制动单元的功能是，当直流回路的电压超过规定的值时，接通耗能电路，使BV D U 直流回路通过，从而释放出电能。 B R 制动单元的组成如图 3-4 所示：BV 图 3-9 能耗制动和制动单元电路图 Figur
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