直流矿井提升机电控系统的设计.doc

*大学毕业设计 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 直流矿井提升机电控系统的设计 DESIGN OF DC ELECTRIC CONTROL SYSTEM FOR MINE HOIST *大学毕业设计 I 直流矿井提升机电控系统的设计 摘要 矿井提升机在煤矿生产中起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升 机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机的 发展的整体水平。随着计算机和 PLC 技术的不断发展，使得矿井提升机的控制性能得 到极大的改善，其自动化水平、安全、可靠性都达到了新的高度。现代直流调速技术 因其优越的性能和日益成熟的全数字技术将在包括矿井提升机在内的电力传动系统中 得到更广泛的普及应用。 本文根据安全可靠和运行速度平滑原则，提出了基于双 PLC 控制结构的副井提升 机直流调速电控系统，其中一套 PLC 为操作保护系统，主要完成逻辑操作控制和故障 判断处理两个方面任务；另一套 PLC 为行程控制系统，除上述任务外，主要完成 S 曲 线给定。本系统用 PLC 控制取代人工操车，实现提升机的各种安全保护及自动运行； 并通过上位机监控系统，提高矿井生产现代化管理水平，实现矿井自动化提升。设计 内容主要包括：对直流提升机电控系统作了设计说明，完成了基于双 PLC 的行程控制 系统的硬件设计，给出 S 曲线速度产生计算方法和系统软件设计流程图。 关键词：计算机控制技术，矿井提升机，直流调速系统，关键词：计算机控制技术，矿井提升机，直流调速系统，S S 形速度曲线形速度曲线 *大学毕业设计 II DESIGN OF DC ELECTRIC CONTROL SYSTEM FOR MINE HOIST ABSTRACT The mine hoists are very important for coal production. They are key equipments. The technical performances of hoist electric control devices not only affect the efficiency and safety, also represent the development level of mine hoist. Along with the continuous development of the the computer and PLC technology, mine hoist control performance is greatly improved, and its automation level, safety and reliability are reached a new heights. Because of its superior performance and increasingly mature digital technology, modern DC speed control technology will get more extensive popularization applications in power transmission system which including mine hoist. According to safe and reliable and smooth running speed, this paper puts forward pre grouting hoist electric control system of DC speed control which based on the principle of double PLC control structure, one set of PLC is operating protection system, mainly completes two aspects task: logic operation control and fault judging processing; another set of PLC is travel control system,besides the above-mentioned task outside, mainly completes the S-curve given. This system uses PLC control instead of manual operation, realize all kinds of security protection and automatic operation for hoist;and through the PC monitoring system, improve the production of the modern management level, realize mine automation ascension. Design content mainly includes: make the design descriptions for DC electrical control system, completed the hardware design of travel control system that based on double PLC, given the speed produce calculation method and system software design flow chart for the S- type curve. KEYWORDS：mine hoists, travel control, PLC(programmable logic controller), S-type curve *大学毕业设计 III 目录 摘要 .I ABSTRACT.II 1 绪论.1 1.1 矿井提升机国内外发展状况.1 1.1.1 国内提升机发展现状.1 1.1.2 国外矿机提升机的现状.1 1.2 研究背景.2 1.3 组织结构.2 2 直流矿井提升机电控系统的概述.3 2.1 矿井提升机简介.3 2.2 矿井提升机的构成.4 2.3 提升机行程控制原理.5 2.3.1 理想 S 型速度曲线 .5 2.3.2 矿井提升机速度给定方法.6 2.3.3 对 S 型曲线的分析 .6 2.3.4 S 曲线改进方案 .9 2.4 电控系统主回路及参数选择.12 3 系统的硬件设计.16 3.1 SIEMENS S7-300 的介绍.16 3.1.1 S7-300 的概况.16 3.1.2 S7-300 结构.16 3.1.3 S7-300 模块地址的确定.17 3.1.4 S7-300 模块诊断与过程诊断.19 3.1.5 STEP7 编程软件介绍 .19 3.2 PLC 硬件部分设计 .22 4 系统软件设计.27 4.1 S7-300PLC 的软件配置.27 4.2 PLC 控制软件设计 .27 5 结论.34 参考文献.35 致谢.37 *大学毕业设计 1 1 绪论 1.1 矿井提升机国内外发展状况 1.1.1 国内提升机发展现状 1）交流拖动方式 目前我国提升机约 70%采用串电阻调速的交流拖动方式。有单绳和多绳两种系列， 大都采用改变转差率 S 的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗 在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。极少数提升机采用串级调速方法，其调 速范围窄，且投资大。 2）直流拖动方式 我国提升机采用直流拖动有两种系统:直流发电机电动机机组(F-D)和晶闸管 直流电动机(SCR-D)系统。其生产和使用情况如下:(1)国内研制大型直流提升机主要 有三大厂家:上海电机厂主要生产配套电机，己生产低速直流电机 800 多台，最大容 量 5775kw，额定转速 50r/min，其中长广煤矿及五村煤矿的提升机为 10O0kW、48r/min，淮南潘三矿采用一台 2600kW 低速直联电机;上海冶金矿山机械 厂主要生产主机及信号系统，已生产 80 多台提升机，1979 年生产过一台低速直联落地 式提升机: 北京整流器厂主要生产配套电控系统，己从瑞士 BBC 公司和瑞典 ASEA 公司引进了晶闸管电控整 机系统及元件生产线，直流电控容量可达到 7000kW;还引进 了交流变频调速 (交-直-交)电控生产线，可生产单机 420kw 变频调速电控设备;1986 年 向甘肃 金川矿提供了一套带微机控制的 800kW 直流电控设备。(2)从国外引进的晶闸 管供电的直流提升机 20 多套，其中 AEG 公司 21O0kW 低速直联 6 套、西门子公司低 速直联 4 套、瑞典 ASEA 公司 9 套。另外，还正在引进计算机控制的低速直联电控系 统。 1.1.2 国外矿机提升机的现状 为了适应矿井提升的安全要求和工作特点，近三十年来，国外提升机从开始的通 过减速器传动卷筒的形式到后来的直流慢速和直流电机悬臂安装直接传动，直至 70 年 代交交变频调速传动控制系统的出现才标志着用同步电动机调速的技术时代已经到来。 目前国外矿井提升机的调速传动部分主要有直流调速传动系统和交交变频式交流 调速传动系统两大类，由于直流电机本身固有的缺陷，加上电力电子技术和控制技术 的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美，目前交交变频交流调速的前 景更为看好，交流调速已进人逐步替代直流调速的时代。 *大学毕业设计 2 60 年代西门子公司开发的交交变频器在牵引站成功投入运行后，欧美日各大电气 公司等的产品也相继投入市场。60 年代末至 80 年代初，交交变频调速传动控制系统应 用逐渐趋于广泛，交流调速矢量控制系统(1969 年)，4900Kw 水泥球磨机交交变频传动 装置(1972 年 )8100KW 矿石破碎机交交变频传动装置(1981 年)先后投人使用，而 4000Kw 初轧机交交变频传动装置更是标志了交交变频调速技术已经完全成熟。随后提 升机双交交变频器供电系统也在国外矿井出现，更好的满足了系统安全性要求。80 年 代末，全数字交交变频矢量控制的调速系统在德国豪斯阿登矿新鲁姆贝克井安装投人 使用，这成为矿井提升机已经向着机电一体化的方向发展的重要标志。 1.2 研究背景 煤炭企业是高危行业，矿山安全直接关系到国家、企业和每个家庭的利益。矿井 提升机作为矿山企业的关键设备，对矿山的高效、安全生产和经济运营具有极其重要 的意义。它不仅装机容量大，是矿山的主要耗电大户，而且直接关系到矿山的安全生 产状况。 矿井主提升机作为一个典型的位势力矩负载，要求其拖动电动机在其机械特性的 四个象限内频繁周期性的启动、制动和反向运行，对其在运行过程中的加速度、减速 度以及各阶段的行程和最后的停车位置都有精确的要求和严格的限制。这对提升机提 升性能、安全保护和现场管理人员的安全操作提出了更高的要求。特别是煤炭企业要 走新型工业化道路和矿井大型化、巨型化的发展方向，提升机系统全自动化控制问题 成为矿山企业提高核心竞争力和提升矿山自动化水平的重要标志，它的实现对保证矿 井的安全生产和效益具有重要意义，而且对发展电力传动学科和技术也有重要的价值。 1.3 组织结构 本论文紧紧围绕矿井提升机直流电控系统设计而展开，具体内容如下: 第一章介绍了矿井提升机的国内外发展现状以及本文的研究背景和组织结构。 第二章概述了直流矿井提升机电控系统，主要包括矿井提升机的简介、矿机提升 机的结构、直流矿井提升机行程控制的原理和电控系统主回路及参数。 第三章介绍了直流矿井提升机电控系统的硬件设计，主要包括对 S7-300 的基本介 绍和 PLC 硬件部分设计。 第四章介绍了直流矿井提升机电控系统的软件设计，主要包括 S7-300 的硬件配置 和 PLC 的软件设计。 第五章为结束语，对副井提升机电控系统的设计和应用加以总结，得出矿井提升 机的发展要求和趋势。 *大学毕业设计 3 2 直流矿井提升机电控系统的概述 2.1 矿井提升机简介 图 2-1 塔式多绳摩擦式箕斗提升设备示意图 矿井提升设备是一个系统，矿井提升机系统通常有下列主要部分组成:提升机、 提升容器(箕斗、罐笼、矿车)，提升机钢丝绳，天轮(在塔式摩擦提升时是导向轮)、 井架(在塔式摩擦提升时是井塔)、罐道(在斜井提升时是轨道)、井筒和井筒装备、 装载设备(在罐笼提升时是进车装置)、卸载装置(在罐笼提升时是出车装置)以及井 底装置等。常用的提升容器是罐笼和箕斗，如图 2-1 所示为塔式多绳摩擦式箕斗提 升设备示意图。摩擦式矿井提升机适用于凿井以外的各种竖井提升。提升钢丝绳挂 在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫之间的摩擦力使提升容器上升。提升钢丝绳的两端 各连一个提升容器，或一端连接提升容器，另一端连接平衡重。为提高经济效益和 安全性，摩擦轮矿井提升采用尾绳平衡提升方式，即配有与提升钢丝绳重量相等的 *大学毕业设计 4 尾绳。尾绳两端分别与两个提升容器(提升容器和平衡重)的底部连接，形成提升钢 丝绳提升容器尾绳平衡重提升钢丝绳的闭环回路。提升容器处于 井筒中的任何位置时，摩擦轮两侧的提升钢丝绳和尾绳的重量之和总是相等的。 2.2 矿井提升机的构成 以多绳摩擦式提升机为例，直流传动绳摩擦式矿井提升系统主要由工作机构、 制动系统、机械传动系统、润滑系统、观测和操作系统、拖动控制和自动保护系统， 外加辅助部分等构成。 1. 工作机构 主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置是提升机的主要承载部件，它承担了 提升机的全部转矩，同时也承受着摩擦轮上两侧钢丝绳的拉力，它主要由主轴、摩 擦轮、滚动轴承、轴承座、轴承盖、轴承梁、摩擦衬垫、固定块、压块、夹板、高 强度螺栓等零部件组成。 2. 制动系统 液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成 部分之一，是提升机最为关键也是最后一道安全屏障，制动装置的可靠性直接关系 到提升机的安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运 行。 3. 机械传动系统 机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的作用是减速和传 递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 4. 润滑系统 润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保 证轴承和齿轮的正常工作。润滑系统必须与电动机和自动保护系统之间连锁，即润 滑系统失灵时，主电动机断电，确保机器的正常工作。 5. 观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。深度指示器的 作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减 速信号。 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主拖动电动机、电气控制系统和自动保护系统。 矿井提升机自动保护系统的作用是:在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将 主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。 *大学毕业设计 5 2.3 提升机行程控制原理 2.3.1 理想 S 型速度曲线 提升机在运行过程中必须要求高效、平稳、安全，在副井提人时还应保证矿井上 下人员的舒适感。梯形速度图是我国提升机运行中广泛采用的一种速度图，具有代表 性的如图 2-2 所示，能够基本满足控制要求，但也存在不足：一是对电网造成有功及 无功冲击，形成尖峰负荷，影响整个电网系统的正常运行；二是对提升系统机械部分 产生动态冲击，加大钢丝绳的摆动，对提升机的稳定运行造成不良影响。究其原因， 主要是这种折线形速度图的速度过渡不平滑，在速度的变化转折处加速度变化率过大 而造成的。 Vmax 0t v 图 2-2 折线形提升速度给定曲线 为了解决折线形速度曲线所产生的问题，实现速度图的平稳变化，我们可以利用 PLC 技术，由软件实现提升运行速度曲线的 S 化（即限制加速度 a 的变化率） ，产生 S 形速度给定曲线，如图 2-3 所示。并且通过修改有关提升控制参数，使得无论是加速 起动段，还是减速制动段，也无论是单层运行还是多层运行都可以产生所期望的速度 给定曲线。 a 加加速度 加速度 a 速度 v t t tt 1t 2 t 3t 4t 5t 6t 7t 8 Vmax 0 0 0 A1 A2 A3 A4 am1 am2 图 2-3 理想 S 形给定曲线图 *大学毕业设计 6 2.3.2 矿井提升机速度给定方法 提升机速度给定采用行程控制方式，其给定信号是由提升机在并筒中的实际位置 决定的，其特点是任一位置都对应一个由该行程位置产生的速度给定信号，而与时间 无关。但在提升机加速运行阶段，不应采用行程给定方式，一是由于在初始加速度阶 段，其行程为零；再一个是由于在手动操作方式下，主令手柄也参与加速过程。因此 在加速段采用时间给定，其基本公式都是时间的函数，算法简单，容易实现。为了减 速段的可靠运行、准确停车，在减速运行过程中应按行程原则来确定给定速度。 提升机的速度在设计时均设定好，但当其运行在手动情况下时，其给定速度 是依据控制台的速度手柄状态进行设定，也就是说此时的给定速度是一个变 REF v REF v 量。 目前我矿提升机采用以下几种速度给定方式，速度给定方式依据提升机运行模式 而不同。在手动运行时，手柄负责给定速度，由提升方式选择开关设定相应的速度最 大值。速度手柄的输出信号从-10v 至+10v 线性变化，与该电压信号成正比关系。 REF v 如表 2-1 所示： 表 2-1 手动给定速度表 手柄位置 提升方式 VREF +10V 10.6m/s 3m/s 0.3m/s -10V -10.6m/s -3m/s -0.3m/s (0V,+10V) (0,10.6)m/s (0,3)m/s (0,0.3)m/s (-10V,0V) (-10.6,0)m/s (-3,0)m/s (-0.3,0)m/s 全速 检修 验绳 在自动模式下，手柄不参与速度的给定，由逻辑控制程序给定=10.6m/s。 REF v 在 PLC 逻辑程序中，S 曲线将接收到的外部给定速度信号按 v=f(t)的函数表达式从 0 递增至，在减速期间将实际给定速度按 v=f(t)的函数表达式递减至。逻辑程 REF v REF v 序中的实际给定速度实时的送入传动系统以供其用于控制。所以 S 曲线是否是平滑直 接影响到系统是否运行平稳以及相关机械设备的使用寿命。 2.3.3 对 S 型曲线的分析 1、 对加速段的分析 目前提升系统中的 S 曲线采用恒定的加速度 a=0.7m/s2，恒定的加加速 =0.35m/s3；曲线认定外部的最大给定速度始终是 10.6m/s，也就是说无论手柄和提a 升方式开关给定速度是多少，该曲线自身都会升至 10.6m/s，在曲线上升段，逻辑程序 比较给定速度与 vt1=f(t1)，较小值有效，当然在下降段也是类似。具体如图 2-4 所 REF v 示： *大学毕业设计 7 a t v t a=0.7m/s2 0 t1 t2 t3 0 t1 t2 t3 v=10.6m/s vt2 vt1 at1 1 图 2-4 S 曲线 a-t 图、v-t 图 由图 2-4 可知各段曲线的加速度和速度的时间函数表达式： 0t1： (2-1) atat (2-2) tadtav t t tt 2 1 0 t1t2： (2-3) 7 . 0 t a (2-4)tavv ttt 1 t2t3： (2-5) atat7 . 0 (2-6)taavvt ttt 2 1 2 计算 t1，t2， t3几个时刻的拐点速度及加速度： 7 . 0 21 aaa tt sm a a tav tt 7 . 0 22 1 2 1 taatvvt tt 2 1 32 又，所以 a a t sm a a vv tt 9 . 9 2 2 32 smvt 6 . 10 3 2、 全速运行及减速段的分析 *大学毕业设计 8 （1） 、全速运行及减速停车段基本公式 经过起动加速段，提升机便以给定最大速度全速运行，并不断检测提升容器的实 际行程。在减速段为保证运行可靠、停车准确，速度给定采用行程方式，也就是在提 升容器到达减速点时，提升机自动进入减速制动（电气制动过程） ，行程计算机不断计 算实际的减速距离，在给定的运行曲线参数下，减速段速度给定便是这个减速距离的 函数。 全速阶段： ， t3 t t4 (2-7) m VtV)( 在减速阶段，为方便分析，将速度图曲线分成三段，如图 2-5 所示。 a a v t t tt4 t5 t6 t7t8 0 0 A3 A4 am2 I Vp R6 R7 图 2-5 减速段速度曲线 各段速度与行程关系式为： 减速段： ， t4 t t5 (2-8) 2 )( 2 1 )( 43 ttAVtV m ， t4 t t5 (2-9) 3 434 )( 6 1 )()(ttAttVtS m 其中：A3该段加速度变化率（m/s3） 减速段： V(t)=V(s)= ， t5 t t6 (2-10) 2 62 2VSam 其中：am2减速段最大减速度值（m/s2） SS6 S(t)，为匀减速段行程值（m） ； S6参考点 R6位置，视具体情形而定，一般距停车点 510m； V6参考点 R6速度值，一般取 2.02.5m/s *大学毕业设计 9 减速段： ， t6 t t7 (2-11) 2 64626 )( 2 1 )()(VttAttaVt m ， t6 1.4 时，可以采用设计加速度 0.7，曲线给定速度按 s 形状达到外部给 REF v 定速度值。 2）当1.4 时，令=，得 REF v REF v a a 2 (2-13)7 . 0ava REF 所以当大于 1.4 时，则采用设计加速度 a=0.7；如果小于等于 1.4 时，则 REF v REF v 采用加速度。由变加速度的计算公式可以知道，只要采用的是变加速，它ava REF 不再具有中间的匀加速段，s 曲线的上升部分仅由两端抛物线构成。 这样选择加速度的原因主要是基于当外部给定速度满足使用自定加速度时，表明 外部给定速度已经很小，如果再使曲线具备中间的匀加速段，必然造成系统的速度上 升时间延长，降低生产效率。如果采用设计加速度，那么上升段包含了匀加速段。一 旦在 0t1 期间确定了加速度，那么在此之后的匀加速段将不允许再次改变加速度。比 如说，在 0t1 期间 s 曲线 检测到外部给定速度大于 1.4m/s，此时采用的加速度为 0.7。 而在之后的匀加速段，由于生产的实际需要，要求操作人员使用 1m/s 的速度开车，那 么势必适当回拉手柄，外部给定速度将小于 1.4m/s，按前面提及的加速度选择逻辑， 曲线就应该采用加速度。若 s 曲线改变加速度，那么 v-t 图中的匀加速段从斜avREF 率为 0.7 的直线变为斜率为的直线，两条直线之间将出现明显的转折点，给定avREF 速度出现不平滑改变。所以一旦确定了加速度，那么在之后的匀加速段便使用该加速 度。 采用利用 s 曲线自定加速的功能，可以消除在用 s 曲线中的非平滑拐点出现的问题， *大学毕业设计 11 可保证曲线给定速度平滑的从 0 上升至任何一个给定值，参见图 2-6 中的曲线 2。 （4） 、系统运行于匀速段时，如果手柄给定速度增加，那么允许 s 曲线从匀速段 进行二次加速。在此时的上升段，加速度的选择根据如下表达式确定： 令 s 曲线匀速段的速度为 vt，当前的给定速度为 vREF2， (2-14) tREF vvv 2 1）当时，则采用设计加速度 a=0.7；4 . 1v 2）当时，令，得4 . 1v a a v 2 (2-15)ava 当时，则采用加速度。4 . 1vava 利用速度差判断 s 曲线二次加速的加速度可以消除原有 s 曲线中出现的跃变情况， 不仅使曲线变得平滑，而且系统可以多次的从某一匀速段平滑过渡到另一匀速段，见 图 2-6 中的曲线 3。 0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t t VREF1 VREF VREF2 1 2 3 图 2-6 改进后的 v-t 图 2、 减速段曲线改进方案 在第 2.3.1 节中的数学模型是在等速段最大运行速度 Vm以及减速度为常数的前提 下建立的，它所生成的 S 形速度曲线为理想速度曲线。但在实际情况中，提升机的运 行受到很多因素的影响，最大运行速度 Vm很难维持为常数，如提升量的多少、电网电 压的波动等等都会影响到最大运行速度 Vm的大小。此外，其他一些因素，如减速点、 加减速度及其变化率、爬行速度等的任何变化都会影响运行曲线的变化。因此，在实 际生成 S 形速度给定时，必须考虑上述参数的影响，尽可能保证提升机高效运行。 下面就 Vm值变化进行运行参数的校正作进一步分析。 设在减速段 I、减速段 II、减速段 III 及爬行段四段，行程距离值分别为 S5、S6、S7及 Sp，则在理想条件下，总减速行程距离为 Sj=S5+S6+S7+Sp。但在实际情 况中，若 Vm值有变化可考虑将实际减速点后移，以降低实际减速行程值（在此考虑最 大运行速度偏低的情形） ，也就是说，在提升容器到达原先设定减速点后，提升机并不 *大学毕业设计 12 立即减速，而是等待一段时间，在提升容器到达实际减速点后，以原先的减速度参数 am2及 A3、A4进入减速制动段，实际上，这是一种定减速校正策略，此时改变的运行 参数只是 S5、S6和 S7，运行减速度 am2及 A3、A4则坚持不变。 根据定减速度控制要求并结合式（2-9） 、式（2-10）和式（2-12）可求出各减速段 行程距离值： (2-16) 2 3 3 2 3 2 5 6 S A a A Va mmm (2-17) 2 2 6 2 5 6 2 m a VV S (2-18) 2 4 2 2 4 62 7 3A a A Va S mm 总减速行程距离为 Sj=S5+S6+S7+Sp，而 Sp 为恒值。在运行减速参数 am2 、A3和 A4不变的情况下，Sj由 Vm唯一确定。行程控制计算机在提升机匀速运行阶段，检测到 实际运行的最大速度 Vm，根据该算法预先计算出 S5、S6、S7，也就是求出了实际减速 点的位置。 2.4 电控系统主回路及参数选择 由于主井提升机在矿井生产中处于非常重要的地位，其工作是否正常直接影响矿 井产量。因此要求提升机电气控制系统具有容错和冗余能力。目前，控制系统多采用 冗余结构，大大提高了系统的安全性和可靠性。从生产角度出发，电控系统的主回路 设计也采用冗余结构，即当一组变流器出现故障时，系统可以旁路故障整流器，以一 组整流器实现提升机全载全速运行。 为保证系统运行的安全性和可靠性，每台电动机的电枢回路采用两台整流变压器 供电，其中一台连接组别为/-0 接法，另一台连接组别为/Y-11。分别接到两台 TCP2 型可逆晶闸管整流柜，构成并联 12 脉可逆整流电路。每台整流柜输出通过平衡 电抗器并联后为电机电枢绕组供电。这种主回路结构具有网侧谐波小，装置容量大的 特点。同时可以实现系统主回路的冗余，即当一组整流装置故障时，可以切换到单组 整流装置以 6 脉动方式运行，并且满足全载全速的要求。励磁电源由一台连接组别为 /Y-11 的整流变压器和一台具有电流闭环控制功能的 SIEMENS SIMOREG 6RA70 全数 字整流装置组成。主回路原理图如图 2-7 所示。 *大学毕业设计 13 高压开关高压开关 M PG 6KV DSZB -1DSZB -22500 KVA 6KV / 800 V 0/ 11/Y 2500 KVA 6KV / 800 V TATA 3000 /0 .13000 /0. 1 TCP 2- 080 / 350 -11 DS -1DS -2 L-1L-2 0.5 mH/ 3000 A0 .5 mH/ 3000 A QFB -1QFB -2 DS 14 -32 / 16DS 14 -32 /16 300 A/75 mV 6 RA 7078 - 6 DV 62 - 0 (3 AC 400 V+ 15 %/- 20 % 233 A) 11/Y 励磁开关 电枢电压检测 励磁分流器 励磁放电电阻 交 流 吸 收 直流吸收 6KV / 400 V 160 KVA ZKTD 250 /50 P型 1250 KW / 750 V/ 1885 A 50 r/ min 励磁 ：110 V/ 267 A 图 2-7 并联 12 脉动电枢换向直流传动系统主回路结构图 电控系统主回路设备包括电枢整流装置、平衡电抗器、直流快速断路器（快开） 、 励磁整流装置和保护回路等。 1、整流变压器的选择 1）电枢整流变压器二次侧相电压 2 U )( 100 % cos 1 min 2 V I IU CA nU I I U U Tn Tk V dn dm pdn 式中 整流变压器二次相电压有效值（V） ； 2 U 同步电机定子额定电压（V） ； dn U *大学毕业设计 14 定子绕组电阻压降比，一般为 0.040.08； dnadn URI/ 电枢绕组额定电流（A） ； dn I 电枢绕组电阻（） ； a R 电枢回路其它电阻压降比，一般为 0.020.04； p n 电枢整流器同时导通时串联器件个数； 可控硅正向导通压降平均值（V） ； V U A 整流器接线系数，A=2.34； 电网电压波动系数，一般取 0.9； 整流器最小触发角，对于交-交变频器，通常= 1015； min min C 整流器倾斜系数，对于交-交变频器，C=0.5； 变压器短路阻抗百分值，1004000KVA 变压器， =58；% k U% k U 变压器最大工作电流与额定电流之比。 TnT II/ 将相关参数代入上式， )(462 100 % cos 1 min 2 V I IU CA nU I I U U Tn Tk V dn dm pdn 2）整流变压器二次线电流 L I2 计算公式 dnIL IKI 12 式中 电流系数，=0.816 1I K 1I K 将相关参数代入上式， )0 2 AI L 3）整流变压器容量 S 计算公式 22 3IUS 式中 整流变压器二次相电压； 2 U 整流变压器二次相电流，若整流变压器二次侧为星形联接， 2 I ，若整流变压器二次侧为三角形联接，。 L II 22 3/ 22L II 将相关参数代入上式， )(213166815384623VAS 考虑变压器留有一定余量，电枢整流变压器容量选择 2500KVA。 2、变流器的选择 电枢回路采用冶金自动化研究院生产的获有专利技术的 TCP2 系列晶闸管变流柜， 柜内采用的晶闸管也是由该院制造的。每台晶闸管变流柜构成晶闸管反并联的三相整 流桥，两台晶闸管变流柜经电抗器构成 12 相晶闸管可逆整流器。 *大学毕业设计 15 选用 TCP2-080/350-11 晶闸管变流柜，因每台晶闸管整流柜额定输入交流电压为 800V，额定输出直流电流 3500A。最大电流为 5250A/1 分钟。 电流过载倍数：Kimax =5250/2361=2.22。 3、均衡电抗器选择 电机回路临界连续电流，按不超过每个桥的 0.2考虑： mindN I dN I mHUK WI L VT dN 5.010 067.0 3 2 min 选取均衡电抗器为 0.5mH/3000A。 设计中拟选用空芯自冷电抗器。 4、直流快速断路器（快开）选择 为保护电动机在电枢绕组短路情况下，能够快速地分断故障电流，需在电枢回路 中设快速开关一台。并且为保证快速开关带负荷切断时不损坏快开触头，在快开触头 两侧并联放电电阻，以吸收过电压。 快开型号及参数：DS14-32/16。 5、励磁电路 由于励磁为恒磁，因此选择一台 SIEMENS SIMOREG DC MASTER 6RA70 控制装 置作为励磁装置。 6、保护电路 为吸收变压器的浪涌过压，以及晶闸管换流时由变压器漏感而引起的振荡过电压 等，在交流侧需要加入压敏电阻吸收电路。为吸收直流侧过压，在直流侧也加入压敏 电阻吸收装置。 *大学毕业设计 16 3 系统的硬件设计 3.1 SIEMENS S7-300 的介绍 3.1.1 S7-300 的概况 西门子公司的 PLC 产品有 SIMATIC S7、M7 和 C7 等几大系列。S7 系列是传统意 义的 PLC 产品，S7-300 是针对低性能要求的模块式中小型 PLC，最多可以扩展 32 个 模块，适用与中等性能的控制要求。品种繁多的 CPU 模块、信号模块和功能能满足各 种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换 模块也很方便。 S7-300 的每个 CPU 都有一个编程用的 RS-485 接口，使用西门子的 MPI(多点接口) 通讯协议。有的 CPU 还带有集成的现场总线 PROFIBUSDP 接口或 PTP(点对点)串行 通信接口。S7-300 不需要附加任何硬件、软件和编程，就可以建立一个 MPI 网络，通 过 PROFIBUSDP 接口可以建立一个 DP 网络。功能强大的 CPU 的 RAM 存储容量为 512KB，有 8192 个存储器位，512 个定时器和 512 个计数器，数字量通道最大为 65536 点，模拟量通道最大为 4096 个。S7-300 有很高的电磁兼容性和抗冲击能力。标 准型的环境温度为 060。环境条件扩展型的温度范围为2560，有更强的耐 振