（机械工程专业论文）矿井提升机控制系统设计.pdf

r 摘要 矿井提升机常被人们称为矿山的咽喉，是矿山最重要的关键设 备，是地下矿井与外界的唯一通道，肩负着矿石、物料、人员等的重 要运输责任。对提升机来说，运行的安全性与可靠性是至关重要的。 传统矿井提升机调速性能较差，在启停车、制动、逻辑控制等方面存、 在诸多安全问题，随着计算机和p l c 技术的不断发展，采用先进的 控制技术改造传统矿山行业的传统控制系统，从而使矿井提升机的控 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，并采用现代化的管理和监视手段保障提升机的安全运行。 在该矿井提升机控制系统设计中，采用国内外先进的p l c 控制技 术改造矿井传统、落后的继电器一接触器式罐笼逻辑运行系统；采用 先进的全数字直流调速晶闸管变频技术改造传统的直流电机传动系 统；采用基于数字信号处理器d s p 的多功能数字深度指示器取代原 有粗大笨重的机械传动的牌坊式深度指示器；采用先进的计算机控制 技术实现矿井提升机的微机管理与控制，从而，保证矿井提升机可靠、 准确地运行，实现矿井提升机的计算机控制。 现场调试和运行结果表明，该系统工作可靠、控制精度高，完全 可以满足现场生产运行的要求。 关键字：矿井提升机，计算机控制，直流调速，d s p 深度指示 a b s t r a c t t h em i n ee l e v a t o ri si n t i t u l e da st h et h r o a to fm i n e ，a n di ti st h em o s tv i t a l e q u i p m e n ti nm i n e t h ee l e v a t o rc h a n g ea l o n gw i t hd i s t a n c ea n de n e r g y ，a n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i cp o w e rd r i v ei sv e r yc o m p l e x t h ee l e c t r o m o t o rm o v e f r e q u e n t l yp o s i t i v ea n dn e g a t i v e ，a n da l w a y sr u np a s sl o a d ，a n de l e c t r o m o t i o n a n da p p l yt h eb r a k et r a n s f o r mc o n t i n u a l l y t h es a f e t ym i ds e c u r i t yi st h em o s t v i t a lt oe l e v a t o r s o ，t h es e c u r i 蚵i st i l e k e yt oe l e v a t o r a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fc o m p u t e ra n dp r o g r a n u n a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ， t h ec o n t r o l l e ro fm i n ee l e v a t o rc o m ef o r t hn e wv i s a g e ，t h el e v e lo f a u t o m a t i z a t i o na n ds a f e t ya n ds e c u r i t ya r r i v e da tt h en e wa l t i t u d e ，a n dp r o v i d e d an e wa n dm o d e r nm a n a g ea n dm o n i t o rm e a n s i nt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mo fn l i n ee l e v a t o rt h en e wp l cc o n t r o l t e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a da r ea p p l i e dt oi n s t e a do ft h er e l a ya n dt o u c h t i l e a d v a n c e dd i g i t a ld i r e c tc u r r e n tf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne q u i p m e n ti sa d o p t e di n t h ee l e c t r o m o t o rt r a n s m i s s i o n t h em u l t i f u n c t i o nd i g i t a ld e p t hi n d i c a t o rb a s e d o i ld s pi sa p p l i e dt oi n s t e a do fm e c h a n i c a li n s t r u m e n t a d v a n c e di n d u s t r y c o n t r o lc o m p u t e ra r eu s e dt om o n i t o ra n dm a n a g et h ec o u r s eo fe l e v a t o r l o c a ld e b u g g i n ga n dr u n n i n gr e s u l ti n d i c a t et h a tt h es y s t e mi sc r e d i b l e ，t h e p r e c i s i o no fc o n t r o li sh i g h ，a n dc a n f u l f i lt h er e q u i r eo ft h el o c a ll n a n u f a c t u r e k e yw o r d s ：m i n ee l e v a t o r ，c o m p u t e rc o n t r o l ，d i g i t a ld i r e c tc u r r e n tf r e q u e n c y c o n v e r s i o ne q u i p m e n t ，t h en m l t i f u n c t i o nd i g i t a ld e p t hi n d i c a t o rb a s e do nd s p 中南大学碳：i ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 项目简介 该项目( 矿井提升机控制系统设计) 是针对中金岭南有色金属股份有限公 司某矿井提升机进行丌发设计。 1 1 1 项目提出及研究意义 中金岭南有色金属股份有限公司某矿山，有十分丰富的铅锌矿资源，品位高， 储量大，是我国目前最大的铅锌生产矿山，具备日产铝锌矿石4 0 0 0 5 0 0 0 吨、年 产铅锌金属含量1 5 万吨的采选综合能力。目前矿山有主井一口，用于提升矿石和 废石；新老副井两口，用于提升人员、设备、村料等；风井四口，用于通风降温； 斜坡道一条，用于无轨设备的进出和部分材料的运输。 该铅锌矿于1 9 6 5 年开始建设，1 9 6 8 年建成投产，二十多年来开采消耗地质矿 量约1 1 6 9 万吨，为了使矿山持续稳产和延长服务年限，需要进行深部开采。为此， 主井和新副井均需向下延伸约3 0 0 米，老副井不再延伸，另掘一盲副井至深部。 延伸前，新副井提升高度为5 8 7 米，运行中段1 3 个，提升机为j k m - - 2 2 5 x 4 型提升机，最大提升速度为5 米秒，采用直流电动机拖动，电动机为z d 3 一1 5 3 6 ， 4 0 0 千瓦，4 4 0 伏，9 9 1 安培，4 0 0 1 1 0 0 0 转分，采用电动机一发电机组供电。 延伸后新副井提升高度为8 8 2 米，提升中段增加至2 0 个，成为一个贯通上部 和深部全程的副井，担负提升人员、矿石、设备等多种提升任务。在深部工程中 首先将其建成贯通，可为深部建设中人员、设备及废石上下提供快捷的运输通道。 将来深部工程竣工后，新副井乃是从地面直接贯穿到深部的唯一的服务通道，在 生产和应急情况下都具有特殊的重要意义。因此，建设好新副井，对加快当前深 部工程的建设、对将来井下的正常生产都将起着十分重要的作用。鉴于此，矿方 要求新副井控制系统，要建设成为安全可靠、高效率、自动化程度高的系统。 对于新副井这样的要求，全部采用现有的国产提升机电控系统显然是无法满 足的，办法只有两个：一是从国外成套引进设备，二是自己另行开发一个新的系 统。由于从国外成套引进设备投资额过于庞大，日后维护费用也高；且核心部件 和技术完全掌握在外商手中，将必受其挟持，因此矿方决定在原矿井提升机传统 控制系统基础上，采用先进控制设备和控制技术对矿井提升机控制系统进行改 造，即开发“矿井提升机控制系统设计”。 1 1 2 研究目标 针对该矿井提升机故障率高，安全系数低，对生产己造成严重影响的现象， 对矿山提升机采用先进的控制技术进行改造势在必行，为了实现矿井提升控制系 中南大学顾：i ：学位论文第一章绪论 统具有先进的控制性能和高的可靠性，我们提出了以下研究思路和研究目标： 1 ) 此项目采用国内外先进的p l c 控制技术，改造矿井传统、落后的继电器 一接触器式罐笼逻辑运行系统； 2 ) 采用先进的晶闸管变频技术改造传统的发电机一直流电机调速系统； 3 ) 采用基于d s p 的数字深度指示器取代原粗大笨重的机械传动的圆盘式、 牌坊式深度指示器； 4 ) 采用先进的工业控制计算机监测和管理矿井提升机的运行状况。 从而实现矿井提升机控制具有先进的控制性能和高可靠性。 1 2 矿井提升机的现状与发展趋势 矿井提升装置是采矿业的重要设备，随着科学技术的进步和矿井生产现代化 要求的不断提高，人们对提升机工作特性的认识进一步深化，提升设备及拖动控 制系统也逐步趋于完善，各种新技术、新工艺逐步应用于矿井提升设备中。特别 是模拟技术、微电子技术、微电脑技术在提升机控制中的应用已成为必然的发展 方向【1 。 1 2 1 国外矿井提升机的现状 l - 晶闸管一电动机( s c r - - d ) 直流低速直联拖动系统 部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管一电动机f 以下简称s c r d ) 系统所取代。如德国、瑞典等国家已有9 0 以上采用直流提升机，传动系 统大都采用低速直联式( 省去减速机) ，使系统大为简化。如a e g 公司采用低速 直联的s c i 卜d 系统，电机功率3 0 0 0 k w ，额定转速5 5 8 r m i n ，滚筒直径6 5 m ， 提人速度1 7 m s ，提物速度2 0 m s ，提升高度1 2 0 0 m ，具有完善的保护系统；采 用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置：采用积分给定与行程给定相 结合的双重给定信号；主回路采用两组三相桥组成1 2 脉动顺抗整流，大大提高 了功率因数。s i e m e n s ( 西门子) 公司、a b b 公司、c e g e l e c 公司以及a s e a 公 司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。此类系统的优点在于：体积小，重 量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少； 维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精 度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠；节电显著，5 8 年可回收设备 投资，是矿井节电的有效途径。其缺点在于：功率因数低，如三相桥平均功率因 数只有o 4 5 左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序 控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的 允许范围内。 2 交流变频调速同步机驱动提升系统 s c r d 直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因 中南大学颁：l ：学位论文第一章绪论 数，但其功率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因 数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。再则，直流电机制造成本高， 电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流子，碳刷易磨损，加大 了维护工作量，故障率高。因此换相整流子是个薄弱环节。由于存在上述两个问 题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。自8 0 年代初以来，交流变频供电的同 步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。如 s i e m e n s 公司1 9 7 9 年投运的2 x 4 2 0 0 k w 、1 2 6 5 0 k w ，额定转速5 5 8 r m i n ； c e g e l e c 公司1 9 8 3 年投运的l 5 4 8 0 k w ，额定转速6 9 5 r m i n ；a e g 公司1 9 8 5 年投运的l 3 0 0 0 k w ，额定转速5 5 8 r m i n ，a b b 公司投运的l 4 2 0 0 k w 额定转 速4 5 8 6 r m i n ：s i e m a g 公司投运的2 4 6 0 0 k w 等变频调速同步机拖动的提升 机，经过多年的运行，均获得成功。 这种拖动系统主要有如下优点：提升容量几乎不受限制，最大可达 1 0 0 0 0 k w ，提升速度可达2 0 m s 以上，提升高度1 2 0 0 m 以上，滚筒直径达6 5 m ， 这是直流系统难以达到的；没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可 靠运行和降低了运行消耗；功率因数高，可达0 9 一l ，极大地节省了电能： 动态品质好( 和直流系统相同) ，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；由于机 械特性好，故起动转矩大。同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；调 速范围宽。因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的 必然发展方向1 5 j 。 这种拖动系统的缺点是：必须有专用的变频电源；在恒转矩调速时，低 速段电机的过载倍数有所降低；高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器 等补偿措施加以缓解。 3 微机控制在提升机上的应用 从7 0 年代丌始，随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井提 升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次重大的变 革。其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控制。由于微机功能强，使 用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制 无法实现的。如a e g 公司采用c p 一8 0 微机、a b b 公司采用m a s t e r - - 2 0 0 和 s i e m e n s 公司采用s 5 一1 5 0 等微机实现的变频控制，都获得了相当成功。它们 把控制、监视、基准值预测以及模拟控制等组合在公共的微机控制总线上组成 静止变流器的传动控制，计算机实现速度及多个变量的调节【6 】。 ( 2 ) 提升行程控制 中南大学母i ：l ：学位论文 第一章绪论 提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升罐笼在预定地点准确 停车，要求准确度高，目前可达_ 2 c m 。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、井筒位置、滚筒及钢丝绳磨损等信号进行处 理，计算出罐笼准确的位置而施以控制和保护。在罐笼提升时可实现无爬行提升， 大大提高了提升能力。如a e g 、a b b 、s i e m e n s 等公司已采用3 2 位微机来构 成行程给定器，并还提供性能不尽相同的机械行程控制器1 7 、1 0 l 。一般过程控制用 微机不同时用于监视，行程控制也采用单独微机完成，从而大大提高了系统的可 靠性。 ( 3 ) 提升过程监视 由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，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：提升过程中各工况参数( 如速度、电流) 监视；各主要设备运行 状态监视；各传感器( 如位鼍开关、停车开关) 信号的监视。其目的在于使各种 故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存贮、保 留或打印输出，甚至与上位机联网，合并于矿井监测系统中1 1 1 2 1 。 ( 4 ) 安全回路 安全回路旨在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态。为确保 人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法，大致分为以下四种情 况：报警显示，如冷却器温度过高等；二次不能开车，如电机绕组过热、制 动油过热等；立即进行电气制动，如停车终点设备出现故障时本次提升应尽快 停下来；立即进行安全制动，如过卷、超速等。安全回路极为重要，它是保护 的最后环节之一，英，德等公司都采用两台p c 微机构成安全回路，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时都能准确 地实施安全制动m 1 。 ( 5 ) 制动系统的控制与监视 制动( 可调闸) 控制系统除要可靠地完成工作制动和安全制动外，还要完成对 液压站的控制以及各环节参数( 如油压、闸瓦磨损等) 的监视，其技术要求与安全 回路相似。如西门子公司采用两套可编程序控制器( p l c ) 的双重控制与保护系统。 ( 6 ) 全数字化调速控制系统 德国a e g 公司的l o g i d y nd ( 3 2 位机) 、西门子公司的s i e m a d y nd ( 1 6 位机) 以及a b b 公司的t y r a k ( 1 6 位机) 系统都已应用于提升机上。全数字化系统具有硬 件结构单一，参数稳定且调整方便，可方便地与上位机联网等优点。当然此类系 统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。 4 内装式提升机 中南犬学坝：i ? 学位论文第一章绪论 a e g 公司生产的内装式提升机，将提升主电机与滚筒合为一体，即转子固 定，转动的定子充当滚筒，使机构大为简化，占地面积小，制造成本低。 1 2 2 国内提升机的现状与发展趋向 1 交流拖动方式 目前我国提升机约7 0 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：直流发电机一直流电动机机组( f d ) 和晶闸管一直流电动机( s c r - - 1 9 ) 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，已生产低速直流电机8 0 0 多台，最大容量5 7 7 5 k w ，额定转速5 0 r m i n ， 其中长广煤矿及五村煤矿的提升机为1 0 0 0 k w 、4 8 r m i n ，淮南潘三矿采用一台 2 6 0 0 k w 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8 0 多台提升机，1 9 7 9 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，己从瑞士b b c 公司和瑞典a s e a 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7 0 0 0 k w ：还引进了交流变频调速( 交一 直一交) 电控生产线，可生产单机4 2 0 0 k w 变频调速电控设备：1 9 8 6 年向甘肃金 川矿提供了一套带微机控制的8 0 0 k w 直流电控设备。 ( 2 ) 从国外引进的晶闸管供电的直流提升机2 0 多套，其中a e g 公司2 1 0 0 k w 低速直联6 套、西门子公司低速直联4 套、瑞典a s e a 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。 3 研制与发展 ( 1 ) 国产大型直流提升机及电控系统正在逐步完善和推广使用。 ( 2 ) 大功率变频调速电控提升机其效率可达9 8 ，国内正在组织研究这种 系统，不少院校和研究单位都在着手研制。如天津电气传动研究所已研制了台 3 0 0 k w 的变频调速装置。 ( 3 ) 可编程序控制器在提升机电控系统的应用 可编程序控制器具有可靠性高、抗干扰能力强、实现继电逻辑容易，基本免 于维护等独特优点，特别适用于对我国占大部分的交流提升机继电一接触器电控 系统进行技术改造；因此有不少单位都在着手研制，如焦作矿务局，韩城矿务局 均用可编程序控制器对t k d 电控系统进行改造，已投入正常运行和使用，已经 中南人学硕士学位论文第一章绪论 显示出了很强的生命力。这是今后一段时期乃至几十年对我国占绝大多数采用继 电控制的交流提升系统进行技术改造的必由之路。 1 3 本章小结 本章在对中金岭南有色金属股份有限公司某矿山矿井提升机的现状分析的 基础上，讲述了项目的来源、项目研究的重要性和意义、以及研制目标提出系统 改造的要求与目标，详细分析了国内外矿井提升机的控制系统，对矿井提升机的 现状、运行状况进行了详细的分析，分析比较了几种提升机调速方式：晶闸管一 电动机( s c r d ) 直流低速直联拖动系统、交流变频调速同步机驱动提升系统、微 机控制在提升机上的应用。比较了常用的几种电机拖动方式：交流拖动方式与直 流拖动方式。在该矿井提升机控制系统改造中，沿用原来的直流电动机，采用 直流拖动方式，调速方式采用s c r d 全数字直流变频调速方式。 中南大学硕士学位论文 第二章方案设计发技术路线实现 第二章方案设计及技术路线实现 2 1 系统方案的选择 2 1 1 矿井提升机对电气控制系统的要求 为了设计出满足有关规程规定要求的副井提升机控制系统，我们将首先根据 矿井提升机的工艺过程和特点，分析矿井提升机电控系统的动、静态性能。 提升机电气传动系统的给定速度u = f ( t ) 如图2 1 所示，根据动力学方程式 ，7 1 t d = i 一耳= 羔s ( 2 一1 ) j 3 式中疋电动机电动力矩：巧传动系统的静阻转矩；l 传动系 统的飞轮力矩，z = 4 9 j ，其中j 为转动惯量( 堙所2 ) ，g 为重力加速度( r r g s 2 ) ； t d 传动系统的动态转矩( | m ) ，加速度。 可以得出按给定速度图所需转矩i = f ( t ) 的特性，从而可以得到拖动系统 所需的力f = ，( f ) ，如图2 - 1 所示。 ( 速度) ( 电动提升力) 图c f d 0 t ( 时间) t ( 时间) t ( 时间) t ( 时间) f d 3 图d 图2 - 1 提升机传动系统给定速度图、力图 提升机的负载静力五决定于提升机滚筒承受的静张力差，在双罐笼的平衡 中南火学钡 ：学位论文第二章方案设计及技术路线实现 提升系统中，静力f 也就是提升物体的净载重。由于提升系统的负载为位势负 载，所以静力f 的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态 和方向无关。因此在电动机不带电时，为了使重的罐笼处于静止状态( 便于罐笼 的装卸载) ，对滚筒必须旋加机械闸。 从图2 一l 可以看出，要使提升机按照给定的速度图运行，电动力矩z 可能 为正，也可能为负。这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动 状态。由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。 图2 2 示出了平衡提升系统的四种不同的运行状态。 ( 1 ) 重物上提，静载量较大 其给定速度图与力图如图2 - 2 ( a ) 所示。 在) j 口速段耻豪。争。( 玲o ) ( 2 - 2 ) 其中只，为加速力矩与等速力举之差 加速度力矩为： 只= r + f d 。 0 ( 2 3 ) 在等速段，等速度力矩为：只= f ， 0 ( 2 - 4 ) 在减速段最。 o ( 2 - 6 ) 根据此力图可知，电动机在各阶段均工作在正向电动状态。 ( a ) 重物上提静栽量较大( f ， f 。) v ( b ) 重物上提静载量较大( f 。， f 。) v ，l， 可 。 t 3 ， t l f ( d ) 重物下放静载量较大( f e ) 。其给定速度图和力图如图2 2 ( b ) 所示。 中南大学顾：l 学位论文 第二章方案设计及技术路线实现 在加速段 在等速段 在减速段 加速度力矩e = e + 日。 o 等速度力矩e = e o ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 减速度力矩易。 f l ) 。其给定速度图与力图如图2 - 2 ( c ) 所示。 在加速段日。 o ，e i ei f = e + 历 o ( 2 1 1 ) 在等速段e = f o ( 2 一1 2 ) 在减速段if d 。i _ f l + 只。i o ( f d 。 o ) ( 2 。1 3 ) 在爬行段只= e o ( 2 - 1 4 ) 根据力图可知，电动机在加速阶段，工作在正向电动状态；在等速、减速和 爬行阶段，电动机均工作在正向制动状态。 ( 3 ) n ：n - f t 孜，且静载量较大( f d 。 o ，e o ，日。 i ei ，只= e + 日。 ，m ( 实际流过管子电流最大有效值) 。因为在任意波形下流过 晶闸管电流的有效值，等于流过管子电流的平均值，。与滤波系数乘积，即 ，= k ，m 。为了使整流元件不因过热而损坏，还考虑1 5 2 倍的安全系数。 所以： 1 5 7 ，r ) ( 1 5 2 ) k ，7 h 7 ，d ( 3 1 0 ) 则元件的额定的电流为： i r ( a v ) o - 5 2 ) 鲁争，d ( 3 1 1 ) 设 k = ( 1 5 2 ) 鬃百l d l r 则 ，r ( 川，d ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 式( 3 1 0 ) 到( 3 1 3 ) 中，i r ( a v ) 晶闸管的通态平均电流，即额定电流； k ，、孕、k 可根据整流电路的形式，负载的性质和控制角口的大小计算求得。 根据一般晶闸管元件的热时间常数，对非标准负载等级，通常取负载循环中 热冲击最重的1 5 m i n 内的均方根值作为直流电流的额定值即宝宝直流电流为： 厂一 l 一5 j 古丢舢“ ( 3 1 4 ) 式( 3 1 4 ) 中。，一负载循环曲线中，热冲击最重的1 5 m i n 内的电流“阶 梯”数；f 。各级电流的持续时间。 按照式( 3 - 1 5 ) ，r ( 棚( 1 5 2 ) 西i f 粤2 ，d ( 3 一1 5 ) 计算整流元件的额定电流，还应注意下面几个因素的影响：周围环境温度 超过4 0 。c 时，应降低元件的额定电流值；元件的冷却条件低于标准要求时，也 应降低元件的额定电流值。 3 闸管的并串联 ( 1 ) 闸管的串联 当晶闸管的额定电压小于实际要求时，可以用两个或两个以上同型号元件 相串联。由于晶闸管特性的分散性很大，对于特性不一致的管子会出现分压不均， 从而不能充分发挥每个元件的性能，严重时甚至会损坏晶闸管。因此，串联使用 晶闸管必须考虑在一定范围内保持电压均衡。为了缩短开通时间之差，对门极触 中南大学硕：i ：学位论文第三章s c r d 直流调速系统设计 发脉冲要求其前沿要陡，电流要大，最好采用强触发脉冲。此外由于串联后不能 保证绝对均压，因此必须视元件工作条件降低( 1 0 2 0 ) 定额使用。 ( 2 ) 闸管的并联 当单个晶闸管的额定电流不能满足负载所需工作电流时，就需将晶闸管并 联使用。由于并联各元件所承受的电压是相等的，而渡过各元件的电流就会因管 子的正向导通伏安特性不致而产生明显的差异，正向电压降小的承受大电流。为 了使并联元件的电流均分配，除了先用特性比较一致的元件外，还必须采取串联 电阻或电感等均流措施。 3 4 全数字直流调速装置的选择 由于副井提升机担负人员、矿石、设备等多种提升任务，其载荷与单纯提升 矿石的主井提升机是完全不一样的。后者的力图是很规则的，而前者则是千变万 化在很大范围内波动的。分析如图( 3 - 6 ) 所示矿井提升机的速度图形和力的图 形可以看出，当下放空提平衡锤时，其力最大，不言而喻，所对应的电动机电流 也就最大。以这种情况计算电动机电流，选择装置容量。 1 ) 电动机额定功率时，折算至卷筒轮缘的额定力 f e = f p e 。r l c ( 3 - 1 6 ) y 式( 3 - 1 6 ) 中： q c = 0 8 5 ( 传动 比i = 0 7 5 二级传动) p e = 4 0 0 k w y 一= 8 o m s ( 实际运行速度 7 7 m j ) f e = 竿= 4 2 5 ( k n ) f i = 糌= 1 7 5 5 6 1 6 6 4 1 3 9 8 9 3 2 4 8 6 i o ：2 03 04 05 0 ：6 05 0 mr 【j 州j ： ： 8 0 7 4 6 1 5 n 6 0 6 1 5 a 4 0 4 l o n 4 0 9 4 2 a 2 0 6 2 0 6 n t f 曲 00 1 02 03 04 05 06 07 0 图3 - 6 矿井提升机速度、力、电流曲线图 2 1 相应于电动机的电流 加速段电流：，。= 1 7 5 5 6 ，。= 1 7 5 5 6 9 9 1 = 1 7 4 0 ( a ) 等速段电流：，2 = 揣，。= 0 9 5 1x 9 9 1 = 9 4 2 ( a ) 减速段电流：1 3 = 勰，。= o 1 4 6 x 9 9 1 = 1 4 5 ( a ) ( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 一1 9 ) v 8 6 4 2 0 中南大学顶：l ：学位论文第三章s c r d 直流调速系统设计 3 ) 选择直流调速器 提升机属于重复短时工作制动电动机，这种断续过载的负载可由西门子提 供的特性曲线查取动态过载曲线能力后，再选取装置容量。s 0 i 啦gk6 r a 2 4 单机制造容量最大为1 2 0 0 a ，为了扩大容量可以与一台相同容量的s i t o r 装置 相并联。为了在容量上留有余地，我们先用一台s i m o r e gk6 r a 2 4 1 2 0 0 a 与 一台s h t o r1 2 0 0 a 相并联，总输出容量为2 4 0 0 a ，四象限。s i m o r e g 带直流 电机励磁电源3 0 a ，输入为二相，a c 4 0 0 v ，恒磁。 4 ) 变压器选择 变流装置主回路额定输入电源电压三相，4 0 0 v ；供电电源网络电压6 k v 。 变压器二次侧额定电流按电动机额定直流电流折算： ，日= 去= 西9 9 1 = 8 1 2 ( a ) ( 3 2 0 ) 变压器额定容量： s b = 4 3x 8 1 2 x 4 0 0 = 5 6 2 ( k v a ) ( 3 - 2 1 ) 整流变压器容量套用标准等级确定如下： s b = 6 3 0 ( k v a ) ； v 。= 6 k 矿o 4 k v ； 接线y 一1 l 2 5 。 3 5 速度曲线优化设计 提升机在运行过程中要求高效、平稳、安全，副井提升机还应保证矿井上下 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，能够基 本满足控制要求，但也存在不足：一是对电网造成冲击，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，加剧钢丝绳的 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，在速度的变化拐点处加速度变化率过大而造成突变。因此， 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，利用计算机技 术，实现提升运行速度曲线的s 化，产生s 形速度给定曲线，并且通过修改有关 提升控制参数3 8 i ，使得无论是加速起动段，还是减速制动段，都可以产生所期望 的速度给定曲线。 理想曲线形状及其加速度和加速度变化率如图3 7 所示。图3 7 中，在一个 提升周期中包括以下几段： 0 t 3 ：加速阶段。其中o t l ：初加速度；t l t 2 ：恒加速度；t 2 t 3 ：加速终 了段。 t 3 t 4 ：等速运行段。 中南大学硕：i ：学位论文 第三章s c r d 直流调速系统设计 图3 7 理想s 形给定速度曲线图 t 4 t 7 ：减速阶段。其中，t 4 t 5 ：初减速段：t 5 t 6 ：恒减速段；t 6 t 7 ：减速 终了段。 t 7 8 ：爬行阶段。 t 8 平层阶段。其中，t s t 9 ：初平层段；t 9 t l o ：恒减速平层段；h o l l ： 平层终了段。 图3 7 中：。x 一最大提升速度：一爬行速度；r m - - j j i l 速度变化率 速度计算是加速度的变化率对时间的双重积分，能给出每一计算周期内的实 际给定值，从而产生计算过程的运行曲线u = ，( f ) ，这样，用抛物线和直线综合 成的速度曲线即可实现速度折点处的平滑过渡。 3 5 1s 形速度图提升的优点 s 形速度图提升的优点主要有以下三个方面： 1 ) s 形速度图，对电流的变化率进行了限制，因而可以大大减小提升机加速 终了的有功冲击和无功冲击。 2 ) 采用s 形速度图时，加速度的变化是连续的，相应的拖动力也是连续变 化的。减少了钢丝绳的动应力，缓和了钢丝绳的受力情况，消除了提升系统的冲 击，减少了振动。另外，由于加速度的连续变化，提升机由一个运行阶段转向另 一个运行阶段的过程中速度都是平滑过渡的，理想情况下应不产生反超调的速度 冲击，在实际情况当中确实也大大降低了提升速度反超的程度，对调速系统来说 则降低了由于反超调引起的振荡程度。从而使提升机运行更平稳。 3 ) 采用s 形速度图，对电枢电流的变化率进行了限制，有利于晶闸管整流 元件的保护，对于晶闸管整流元件来说都有允许最大电流变化率的限制，当实际 电流变化率超过其限制时，会由于热损耗功率太大造成晶闸管元件损坏。采用s 形速度图，可人为地将实际电流变化率限制在允许的范围，从而在一定程度上避 中南大学硕士学位论文第三章s c r - d 直流调速系统设计 免了由于电流变化率过大导致可控硅元件损坏的情况发生。 3 5 2s 型速度曲线分析 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a x 很 难维持为常数，如提升负载的变化、电网电压的波动等都会影响最大运行速度 。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。 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矿井中的实际 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。基于上述思想，为了便于实现，本文采用如图3 8 所示速度给定曲线， 具体数学模型如下： 1 ) 启动加速段速度计算 速度曲线在各时间段上的表达式为： 1 k ( f ) = 去o i t 2 0 f ，l ( 3 2 2 ) z ( ，) = 巧+ d l ( t f 1 ) t l f s f 2 ( 3 2 3 ) 1 ( r ) = v m a x 一i i 0 2 + ，2 一，) 2r 2 _ t f 3 ( 3 - 2 4 ) 式中：a 起动加速段最大加速度( m s 2 ) ；r 。0 t 段加速度的变化率 ( m s 3 ) ：r 。t ：t 。段加速度的变化率( m s 3 ) 。 加速度变化率 加速度 速度 幽3 - 8s 形速度给定曲线 问 t 间 t 中南大学硕二i ：学位论文第三章s c r d 直洫调速系统设计 2 ) 全速运行及减速段速度计算 全速阶段： _ ( t ) = f 3 _ e 胛时产生打滑。在提升系统机械设计中保证了正常工 作中不会打滑，只有在如过载、加减速度过大而使z 兀增大或衬垫、介质污染 致使摩擦系数l l 减少等非正常情况下才会产生打滑现象。 钢丝绳自重载端转向轻载端时其弹性收缩作用会使绳与滚筒间产生微量相 中南大学硕i ：学位论文第四章提升机控制系统设计 对运动，即蠕动。它在一次行程中影响轻微，但如果不加以校f ，会在多次行程 后累积成为巨大的误差。 随着衬垫的磨损，滚筒直径逐渐变小角行程对应的线行和也不断减小，这也 是一个渐变的过程，如不校正同样会产生巨大的误差，而在更换新衬垫后滚筒直 径增大数厘米，则会产生突变的巨大误差。 本装置针对这些误差采取了同步校正的方法，即利用每一中段的停车开关作 为同步校正开关。同步校正的目的是为了消除钢绳与卷筒问蠕动打滑和钢绳弹性 伸长的变化产生相对运动所引起的罐位误差。在罐笼经过某中段并感应该中段开 关时，将该中段对应的脉冲数校正为此瞬间计数器当前值，同时据此计算出脉冲 当量( 脉冲数与实际行程之比) ，进而对罐笼前进方向的各中段设定值进行校正。 校正脉冲是数字深度指示系统、p l c 主控系统和上位机监控系统进行罐位、 速度计算和减速、停车判断的最基础的数据，因此它的可靠性十分重要。在该矿 井提升机系统中，设置了两个脉冲编码器进行独立计数，两个d s p 数字深度指示 系统分别接受两路光电脉冲编码器送来的脉冲信号，分别独立对两路脉冲进行适 配系数校正和同步校正。两个编码器都由主卷筒传动轴传动，脉冲量代表卷筒的 角位移。 脉冲适配系数校正是为了对不同卷筒直径及其磨损变化时，对脉冲进行校 正，使每个脉冲所代表的罐笼在井筒中的移动距离始终为l c m ，即l c m p 。当卷 筒的衬垫更换时，其直径会大些，随着使用时间增长，钢蝇对衬垫的磨损，日积 月累，其直径就会减小，系数就要定期进行调节。调整是由人工进行的，其周期 长短，与衬垫材料、提升机运行状况等许多因数有关。从该矿井使用多情况来看， 大约两个月要重新调整一次。若不及时调整，脉冲误差加大，就可能引起过卷、 超速等误动作。 首次计算适配系数的方法如下： k o = 2 p i x d c o ( 4 2 ) 其中，繇是首次适配系数，p i 是圆周率，d 是卷筒直径，c o 是常数，表示 脉冲编码器每转的脉冲数。 每次重新调整适配系数的方法是：先记下原适配系数k 值和罐位值厶，然 后开车使罐笼走过一段距离上，这段距离应是经过准确测量的数值，停机后记下 新的罐位值厶，则调整后的适配系数疋为： k = k o l ( l o l 。) ( 4 3 ) 同步校正是为了消除由于钢绳与卷筒问蠕动打滑和钢绳弹性伸长的变化所引 起的罐位误差。在提升高度8 8 2 米全程，设置了五个同步点( 开关) ，事先分别 测量出5 个同步开关准确动作值，当罐笼通过同步点时，将罐位强制到同步值。 中南大学顾：l ：学位论文第四章提升机控制系统设计 由于使用了脉冲的适配系数校正和同步校正，就使数字深度指示系统计算的 罐位值始终能准确地反映实际罐位值，将这个罐位值送给p l c 和计算机，再进 行相应处埋，就可实现各种复杂的功能；将罐位值送给深度指示屏，就可以显示 罐笼在井筒中的准确位罱。 4 5 4 罐笼位置指示 1 模拟显示 数字深度指示系统的数字深度指示屏有两列由2 0 0 个发光二极管组成的光 柱，模拟显示罐笼在矿井中的位置。左边一排标有相对值( 0 8 8 2 米) ，右边一 排标有绝对值( + 1 3 2 7 5 0 米) ，均标有中段号码。 模拟深度显示光柱是标准设计，2 0 0 个发光二极营可以代表任何提升高度， 用调整模拟显示系数k 适应不同高度。k = 2 0 0 h ，式中h 为任意提升高度( 单位 c m ) 。该矿井中k = 2 0 0 ，8 8 2 0 0 = o 0 0 2 6 7 6 ，只要把模拟显示系数调整成0 0 0 2 6 7 6 ， 罐笼在井口时第一只l e d 亮：当罐笼位置到达井底时，则最后一只l e d ：c 亮，其 余罐位时，按深度比列点亮相应的l e d ，十分直观明了，也非常准确。 2 数字显示 在两列模拟罐位深度显示的上面，还有数字罐位显示。左边显示相对标高 ( 0 0 0 8 8 2 0 0 米) ，右边显示绝对标高( + 1 3 2 0 0 - - 7 5 0 0 0 米) ，精确度0 0 1 米。 3 精显示 精针显示l e d 布置在深度指示屏的中央，停车点为一红灯。每次提升到达离 停车点1 0 米距离时，启动精针显示，根据离停车点距离大小逐个点亮l e d ，每米 1 灯。精针显示是通过p l c 主控系统的软件实现的。 4 同步点工作监视 在深度指示屏右列光柱的右边，对应同步点的标高上安装有反映同步点工作 的l e d 。当罐笼下放时，自上而下逐个通过各个同步点时，相对应的l e d 灯熄 灭；提升时，相应l e d 点亮，便于监视。若某一个l e d 灯没刷新，则说明对应 的同步点没有工作，要马上检查原因1 3 1 3 3 i 。 4 5 5 罐笼运行监控 在罐笼