毕业设计（论文）-电牵引采煤机牵引部电气控制系统设计.doc

完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 中文题目 电牵引采煤机牵引部电气控制系统设计 外文题目 DESIGN OF TRACTION ELECTRICAL CONTROL SYSTEM FOR ELECTRIC TRACTION SHEARER 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 I 摘要摘要 采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一 采煤机牵引技术的发展由 链牵引到无链牵引 进而由液压牵引发展到电牵引 由于电牵引采煤机具有更多的优点 所以 世界各主要采煤国都相继开发了各种形式的电牵引采煤机 采煤机电牵引有两种方 式直流电牵引和交流电牵引 牵引部是采煤机构重要组成部分 采煤机牵引部不但担负 着移动采煤机 使工作机构连续落煤或调动机器的任务 而且牵引速度的大小直接影响 工作机构的效率和质量高低 并对整机的生产能力和工作性能产生很大影响 牵引系统 的可靠性决定着采煤机的质量和使用效果 本次设计题目为交流电牵引采煤机电气控制系统设计 已 MG300 700 WD 电牵引采煤 机为背景 通过对牵引机构类型的选择 牵引电动机型号的确定 变频器的选择 主控 器的设选择 及控制软件程序的设计 最终实现采煤机的牵引调速系统 关键字 采煤机 电气控制系统 变频调速 II Abstract Coal mining machine is one of the important equipment for coal mine production mechanization and modernization The development of the traction technology of the shearer is driven by the chain to the chain without traction and then the traction of the hydraulic traction is developed from the hydraulic traction to the electric traction As the electric traction shearer has more advantages so the main coal mining countries in the world have developed a variety of electric traction shearer There are two ways of traction for traction and AC traction in the traction of coal mining machine Traction is coal mining institutions is an important part Shearer Haulage Unit not only charged with the mobile mining machine working mechanism continuous falling coal or adjustment of the machine and traction speed directly affects the size of the efficiency and quality of the working mechanism and exert a great influence on the whole machine production capacity and performance of system reliability of traction determines the quality of coal mining machine and the effect of using The topic of design for AC traction shearer electrical control system design has MG300 700 WD traction shearer as the background through the mechanism type selection of traction traction motor model determined choice of the converter main controller design selection and control software program design and ultimately shearer traction control system Key words Coal mining machine electrical control system frequency conversion speed control 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 目录目录 1 绪论 1 1 1 采煤机概述 1 1 2 国内外电牵引采煤机研究现况 1 1 2 1 国外研究现况 1 1 2 2 国内研究现况 2 1 3 采煤机的组成及工作原理 3 1 4 设计意义 5 2 采煤机牵引部介绍 6 2 1 采煤机牵引部概述 6 2 2 电牵引的优越性 7 2 3 采煤机行走机构的选择 8 3 采煤机牵引部电气设备 11 3 1 牵引电动机选择及其特性 11 3 1 1 牵引电动机型号确定 11 3 1 2 电动机的结构特征 12 3 1 3 牵引电动机的机械特性 12 3 1 4 三相异步电动机的启动特性 14 3 1 5 三相异步电动机的制动特性 16 3 1 6 三相异步电动机的调速性能 19 3 2 变频器的选型设计 19 3 2 1 变频器的工作原理 19 3 2 2 变频器的选择 21 3 3 牵引变压器的选择 23 4 电气控制系统总体设计与 PLC 硬件选型 24 4 1 采煤机电气控制系统功能设计 24 4 2 主控器设计 25 4 3 FPG C32T PLC 简介 26 4 4 PLC 硬件设计 27 4 5 变频器 IO 端子定义 29 4 6 变频器设置 30 4 7 人机界面的设计 31 5 PLC 软件程序设计 32 5 1 牵引启动 32 5 2 牵引停止 33 5 3 向左运行时加减速 34 5 4 向右运行加减速 35 5 5 减速到 0 时停牵引 36 6 故障分析 37 7 结论 38 致谢 39 参考文献 40 附录 A 41 附录 B 47 1 1 绪论 1 1 采煤机概述 采煤机是一个集机械 电气和液压为一体的大型复杂系统 工作环境恶劣 如果出现 故障将会导致整个采煤工作的中断 造成巨大的经济损失 随着煤炭工业的发展 采煤机 的功能越来越多 其自身的结构 组成愈加复杂 因而发生故障的原因也随之复杂 电 牵引采煤机以其性能参数优 可靠性高 自动化程度高 操作方便 控制灵敏 监控保 护及检测功能完善和经济效益好等众多优点在国际上被迅速推广使用 1 2 国内外电牵引采煤机研究现况 1 2 1 国外研究现况 早期的电牵引采煤机大多数采用直流调速系统 自日本 20 世纪 80 年代中期研制成 功第一台交流电牵引采煤机以来 特别是进入 90 年代 随着交流调速技术和装置的飞速 发展 交流调速系统以其技术先进 可靠性高 维护管理简单 价格低廉等优点 近几 年被迅速推广使用 美国 德国 英国 法国 波兰和俄罗斯等都先后研制成功交流电 牵引采煤机 90 年代中后期研制的大功率电牵引采煤机均用交流调速系统 正逐渐取代 直流调速 成为今后电牵引采煤机的发展方向 从变频器对电机的拖动方式来看 多数交流电牵引采煤机均采用一个变频器拖动两 台牵引电机的方式 变频器对电机的性能参数难以准确检测 控制和保护性能无法完全 发挥 德国开发的 SL300 型采煤机 采用了两台牵引电机由两个变频器分别拖动的方式 使牵引系统的控制和保护性能更加完善 这种一拖一的牵引系统也正逐步采用 成为电 牵引技术发展的又一特点 国外现代电牵引采煤机均具有建立在微处理机基础上的智能化监控 监测和保护系 统 可实现交互式人机对话 远程控制 无线电遥控 工况监测及状态显示 数据采集 存储及传输 故障诊断及预警 自动控制 自动调高等多种功能 以保证采煤机最低的 维护量和最高的利用率 并可实现与液压支架 工作面输送机的信息交互和联动控制等 功能 如 英国 Long Airdox 公司在 EL 系列机型上装置的 Impact 集成保护及监控系统 德国 Eickhoff 公司的 Eickhoff 数据汇集技术系统 美国 JOY 公司 6LS 型电牵引采煤机 的 JNA 网络信息中心等 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 2 1 2 2 国内研究现况 目前国内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有 3 种 交流变频调速系 统 电磁滑差离合器调速系统和开关磁阻电动机调速系统 简称 SRD 他们的调速原理 不尽相同 但基本都可分为控制部分和牵引电动机部分 在这三种交流电牵引调速系统 中 交流变频调速技术在采煤机的应用已逐步趋向成熟 SRD 技术在采煤机上的应用虽然 起步不久 但具有发展潜力 电磁滑差离合器调速技术本身比较成熟 但是在采煤机上 的应用存在低速性能等问题 从目前来看 交流变频调速技术和 SRD 技术应该是未来采 煤机应用的主要方向 目前国内采煤机的发展趋势为 1 牵引方式向电牵引方向发展 传统的液压牵引采煤机在国外虽然仍在生产和使用 但已不占主导地位 由于电牵 引采煤机的诸多优点 国外目前新开发的采煤机 特别是大功率采煤机基本上都是采用 电牵引方式 2 装机总功率不断增大 为适应煤矿生产实现高产高效 国外采煤机的功率在不断提高 电动机截割功率通 常在 400kw 以上 据报道已达到 900kw 牵引电动机功率均在 40kw 以上 大的甚至达到 125kw 总装机功率通常超过 1000kw 如 MG900 2210 型总装机功率均在 2210kw 牵引速 度 牵引力也大幅提高 目前大功率电牵引采煤机的牵引速度普遍达到 15 25m min SL500 型电牵引采煤机最大牵引力 998kN 牵引速度的加快 支架随机支护 的实现 使工作面顶板空顶时间缩短 为加大支架步距和滚筒截深创造了条件 采用大 截深滚筒已成为提高采煤机生产能力的重要途径 目前普遍采用的截深为 1000 1200mm 个别已达到 1500mm 3 截割滚筒的革新和改进 增大截深 相应的滚筒轴 轴承和摇臂等强度也加大 并适当增大螺旋叶片的升角 以改善装煤效果 采用强力截齿 为减少截齿数 降低截齿消耗 增加块煤率 降低煤 尘创造了条件 采用双行星传动滚筒 降低滚筒转速 滚筒筒毂采用锥形或指数曲线形 使截割的煤流快速排出 减少二次破碎 在螺旋叶片上使用盘形滚刀 以及采用吸尘滚 筒 将滚筒内喷雾水压增大到 10 15MPa 以上 能有效降尘和防止截割火花 机载高压 泵经喷嘴形成高压细射流辅助截割 减小截齿受力 降低比能耗 加固滚筒结构 提高 其刚度 强度和耐磨性 3 4 电牵引方式趋向交流变频调速 电牵引采煤机的牵引方式按牵引电动机的类型可分为直流牵引和交流牵引 由于交 流变频调速电牵引系统具有技术先进 可靠性高 维护管理简单 价格低廉等特点 近 几年发展很快 20 世纪 90 年代中后期研制的大功率电牵引采煤机均采用交流变频调速牵 引系统 交流牵引正逐步代替直流牵引 成为今后电牵引采煤机的发展方向 早起交流 牵引均采用一个变频器拖动两台牵引电动机 变频器对电动机的性能参数难以准确检测 控制和保护功能无法完全发挥 德国在开发 SL300 时 采用了两个变频器分别拖动两台 牵引电动机的牵引系统 使牵引的控制和保护性能更加完善 这种一拖一的牵引系统也 正被逐步采用 成为电牵引技术发展的又一特点 5 无链牵引向齿轮 齿轨式演变 随着牵引力的不断增大 销轮 齿轨式无链牵引已近淘汰 齿轮 链轨式无链牵引也 已使用不多 现在采煤机无链牵引正逐步趋向于采用齿轮 齿轨式无链牵引 这是一种从 齿轮 销轨式演变而来的无链牵引结构 圆柱销被齿轨所取代 焊接结构改成了整体精密 铸造或锻造 宽度增大 节距由 125mm 增加到 175mm 6 元部件可靠性大幅提高 为提高采煤机的可靠性 减小故障率 提高开机率 提高易维修性 快速换装元部 件 采煤机齿轮的设计寿命已提高到 20000h 以上 轴承的寿命提高到 30000h 以上 并 且还有进一步提高的趋势 7 开发难采煤层的机型 来发极薄煤层 厚煤层一次采全高 大倾角条件下工作的采煤机 对于不适合布置 长壁短壁工作面和前进长壁综采端头及宽巷道掘进条件下 短机身采煤机有很好的适应 性 窄机身和浅截深采煤机对诸如顶板破碎等特定条件下仍有用武之地 8 普遍采用中 高压供电 由于装机功率大幅度提高以及工作面的不断加长 达到 300m 整个工作面供电容量 超过 5000kw 为了减少输电线路损耗 保证供电质量和电动机性能 新研制的大功率电 牵引采煤机几乎都采用中 高电压供电 主要供电等级有 3300V 4160V 和 5000V 等 9 监控保护系统的智能化 新型的电牵引采煤机具有建立在微处理机基础上的智能监控 监测和保护系统 可 实现交互式人机对话 运程控制 无线电随机遥控 工况监测及状态显示 数据采集存 储及传输 故障诊断及预警 自动控制等多种功能 以保证采煤机具有最低的维修量和 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 4 最高的利用率 并可实现采煤机滚筒沿工作面煤层自动调节采高等控制功能 1 3 采煤机的组成及工作原理 采煤机的种类很多 但基本上以双滚筒采煤机为主 其基本组成也大体相同 图 1 1 为 MG300 700 WD 型电牵引采煤机的总体结构图 图 1 1 MG300 700 WD 电牵引采煤机总体结构图 Fig1 1 MG300 700 WD traction shearer overall structure diagram 型号的组成及其代表意义 MG 采煤机代号 M 采煤机 G 滚筒式 300 截割电机功率 kw 分割符号 代表多电机横向布置方式 700 装机总功率 kw WD 无链电牵引 该采煤机由七大部分 三大系统及附属装置等组成 七大部分是 左牵引部 右牵 引部 电控部 左截割部 右截割部 左行走部 右行走部 三大系统是 电气 控制系统 液压调高系统 喷雾冷却系统 附属装置有 支撑组件 拖缆装置 配 套滚筒和 机外管路 整机连接 操作站等组成 牵引部由控制系统 主要由变频调速 箱组成 内含牵引变压器 变频调速装置等 和传动箱 包括牵引电机或液压马达 牵 引箱组成 电气控制系统 主要由电控箱 端头控制站 无线电遥控装置等组成 实现 采煤机的操作控制 机器状态检测 保护 显示等功能 截割部由滚筒 摇臂及截割电 动机组成 液压调高系统由液压系统 主要由调高泵箱 阀组等组成 调高油缸及管路 等组成 完成采煤机摇臂的高度调节功能 喷雾冷却系统由水阀 管路及喷嘴等组成 5 实现采煤机各部件的冷却 外喷雾及滚筒的内喷雾等功能 MG300 700 WD 电牵引采煤机技术参数 煤层倾角 40 总装机功率 KW 700 供电电压 V 1140 牵引力 kN 740 438 牵引速度 m min 0 7 9 0 9 7 牵引方式 齿轮 销轨 机器总重量 kg 45000 1 4 设计意义 我国经济发展对煤炭的需求量逐年增加 良好的采煤设备对于提高煤炭的生产率起 到非常关键的作用 目前 煤矿生产的安全性要求日益受到国家安全生产管理局的重视 因此 大力发展综采设备是当前和今后的主流 而采煤机是综采设备中非常重要的一环 采煤机的发展对于煤矿生产率的提高非常重要 由于电牵引采煤机具有良好的牵引特性 可用于大倾角煤层 运行可靠使用寿命长 反应灵敏 动态特性好 结构简单 效率高等特点 已逐渐取代液压牵引采煤机 成为 国家重点研究对象 本设计以 MG300 700 WD 型采煤机为例 设计了其牵引部电气控制系 统 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 6 2 采煤机牵引部介绍 2 1 采煤机牵引部概述 牵引部是采煤机构重要组成部分 采煤机牵引部不但担负着移动采煤机 使工作机 构连续落煤或调动机器的任务 而且牵引速度的大小直接影响工作机构的效率和质量的 高低 并对整机的生产能力和工作性能产生很大影响 采煤机的类型很多 但基本上以 双滚筒采煤机为主 其基本组成部分也大体相同 牵引部一般分为左 右牵引部 为不 完全对称结构 牵引部包括牵引机构及传动装置 其中牵引传动装置为左右完全相同 牵引机构是直接移动机器的装置 分为有链牵引和无链牵引两种类型 为了工作面 更加安全可靠 无链牵引机构方式已逐渐取代了有链牵引 传动装置用来驱动牵引机构 并实现牵引速度的调节 传动装置有机械传动 液压传动和电传动等类型 分别称为机 械牵引 液压牵引和电牵引 机械牵引是指全部采用机械传动装置的牵引 其特点是工作可靠 但只能有级调速 结构复杂 目前已很少使用 液压牵引是利用液压泵和液压马达组成的容积调速系统来驱动牵引机构的 液压传 动的牵引部具有无极调速的特性 且换向 停止 过载保护易于实现 便于操作及实现 根据负载自动调速 保护系统比较完善 因而获得广泛应用 缺点是效率低及油液易污 染 致使零件容易损坏 使用寿命较低 电牵引采煤机是专门驱动牵引部的电动机调速从而调节牵引速度的采煤机 牵引传 动箱有两个 分别装在底托架两端的采空区侧 牵引传动箱中的电机将动力分别通过齿 轮传给二级齿轮减速器 最后由行星架输出 传给行走箱内的驱动滚轮 滚轮与行走轮 相啮合 而行走轮又与固定在输送机采空区侧槽榜上的齿条啮合 从而使采煤机沿工作面 全长移动 根据牵引电动机的型式可以分为直流电牵引和交流电牵引两类 传动装置位于采煤机上的称为内牵引 位于工作面两端的称为外牵引 大部分采煤 机都采用内牵引 只有在某些薄煤层采煤机中 为了充分利用电动机功率来割煤并缩短 机身 才采用外牵引 另外 牵引力和牵引速度受诸多因素的影响 比如截割阻力 工作面的坡度 截割 深度 等 因此有可能出现实际可以达到的最大牵引速度和标注的牵引速度有差异 7 2 2 电牵引的优越性 国内从 20 世纪 90 年代初已逐步停止研究开发液压牵引采煤机 并将研究重点转向 电牵引采煤机 后者已成为国内采煤机的研究重点 其特点如下 1 牵引特性好 电牵引或液压牵引都具有良好的调速特性 但液压牵引的机械特性除了受负载影响 外 还受油液的泄漏 粘度 温度 清洁度 制造和维修质量的影响 特性曲线慢慢变 软 而电动机特性除了受负载影响外 就没有像液压传动那么多的影响 也就是电牵引 的牵引特性好 调速平稳性好 牵引特性曲线可长时间的保持稳定 在实际应用中 对于液压牵引牵引力增加一倍时 需要使泵和马达的排量增加一倍 但液压元件的体积要增加很多 电牵引的动力源是电源 就没有此问题 直流和交流电牵引可以在负载特性坐标系中 4 个象限运行 采煤机的牵引系统除要 求能两个方向牵引外还要做到既能提供与采煤机运行方向一致的牵引力 又能提供与采 煤机运行方向相反的制动力 四象限牵引特性 能向采煤机提供牵引力或制动力 而液 压牵引只能在一 三象限运行 只能提供牵引力 制动力由制动闸提供 2 机械传动效率高 电牵引没有能量多次转换问题 总效率可达到 0 9 以上 而液压牵引一般在 0 65 0 70 3 牵引力大 牵引速度高 液压牵引性能指标的提高 必须采用大功率液压泵和液压马达 其寿命较短 可靠 性差 这也限制了截割功率的进一步增大 电牵引采煤机牵引力可达 950kN 牵引速度最 大可达 25m min 总装机功率可达 2210kw 其牵引速度和可用率都明显高于液压牵引采 煤机 4 工作可靠性提高 电牵引采煤机的可用率在 90 以上 液压牵引可用率在 50 60 以下 5 易于实现微机自动控制 由于微机控制的功能齐全 计算速度极快 与电牵引电控的电参数容易配合 因此 易于实现工况监测 机电保护 故障诊断 数据显示 特别是动态响应很快 电牵引微 机控制的自动调整时间都在 15s 以内 而液压牵引的自动调整时间一般在 10 20s 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 8 6 机械传动和结构简单 电牵引采煤机采用了多电机和独立驱动 模块式结构设计 使传动系统和结构简化 特别是截割电机横向布置 取消了寿命较短 传动效率较低 调整啮合间隙较复杂的圆 锥齿轮 7 生产率显著提高 由于牵引力大 牵引速度高 截割电机功率大 尤其是故障率低 因而使生产力大 大提高 2 3 采煤机行走机构的选择 采煤机向强力化 重型化及大倾角发展 装机功率增大到 2000kw 牵引力达到 600 1000kN 牵引链不能满足要求 且牵引链一旦断裂 其存储的弹性能被释放 严重 危机人身安全 无链牵引机构 无链牵引机构取消了固定在工作面两端的牵引链 以采 煤机牵引部的驱动轮或再经中间轮与铺设在输送机槽帮上的齿轨相啮合 从而使采煤机 沿工作面移动 无链牵引的结构形式很多 主要有以下几种 1 齿轨式无链牵引机构 2 销轨式无链牵引机构 3 链轨式无链牵引机构 无链牵引优点 取消了工作面的牵引链 消除了断链和跳链伤人事故 工作安全可靠 同一工作面可同时使用两台或多台采煤机 从而可降低生产成本 提高工作效率 牵引速度的脉动比连牵引小得多 使采煤机运行较平稳 链轨式虽然也有链条 但强度余量较大 弹性变形对牵引速度的影响较小 牵引力大 能适应大功率采煤机和高产高效的需要 取消了连牵引的张紧装置 使工作面切口缩短 对底板起伏 工作面弯曲 煤层 不规则等的适应性增强 适应采煤机在大倾角 可达 54 条件下工作 利用制动器还可使采煤机的防滑 问题得到解决 无链牵引的缺点是 对输送机的弯曲和起伏不平要求高 输送机的弯曲段较长 约 15m 对煤层地质条件变化的适应性差 此外 无链牵引机构使机道宽度增加约 100mm 加长了支架的控顶距离 现在绝大多数无链牵引采煤机采用齿轮 销轨型牵引 图 2 1 本次设计采用齿轮 销轨型牵引 它具有良好的运行平稳性 对地板的起伏 中心距和销轨节距的变化有较 9 强的适应性 齿轮 销轨传动副通过接触把圆周运动转换成直线运动 图 2 1 齿轮 销轨式无链牵引机构 Fig 2 1 gear pin rail type chain traction mechanism 这种无链牵引机构是以采煤机牵引部的驱动齿轮或再经中间轮与铺设在输送机上的 圆柱销排式 即销轨 相啮合使采煤机移动 为适应底板起伏不平以及与销轨啮合 齿 轨轮选为摆线齿轮 驱动轮的齿形则为圆弧曲线 对于装机功率在 600 1000kw 的采 煤机 销轨的圆柱销 直径 55mm 与两侧厚钢板焊接成节段 销子节距 125mm 每节销 轨长度是输送机中部槽长度的一半 750mm 销轨接口与溜槽接口相互错开 当相邻溜 槽的偏转角为 时 相邻齿轨的偏转角为 2 以保证齿轮和销轨的啮合 本次设计牵引机构包括牵引减速箱和行走箱两大部分组成 牵引减速箱内有三级直 齿传动和一级行星传动 行走箱内有驱动轮 行走轮和导向滑靴 牵引电机输出的动力 经减速后 传到行走箱的行走轮 与刮板输送机销轨相啮合 使采煤机行走 导向滑靴 通过销轨对采煤机进行导向 保证行走轮与销轨正常啮合 为使采煤机能在较大倾角条件下安全工作 在牵引减速箱内设有液压制动器 能可 靠防滑 牵引减速箱有如下特点 采用销轨牵引 承载能力大 导向好 拆装 维修方便 采用双浮动 四行星轮行星减速机构 轴承寿命和齿轮的强度裕度大 可靠 性高 导向滑靴回转中心与行走轮中心同轴 保证行走轮与销轨的正常啮合 牵引机构传动系统 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 10 牵引机构传动系统如图 2 2 所示 牵引电机输出轴花键与牵一轴齿轮相联 将电机 输出转矩通过齿轮 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 传给行星机构 经行星减速 最后由行星架输出 传给行走箱内的驱动轮 Z11 驱动轮 Z11 与行走轮 Z12 相啮合 再由行走轮 Z12 与工作面 刮板输送机上的销轨啮合 使采煤机来回行走 齿轮 Z2 还与 Z13 啮合 Z13 出轴通过花 键与液压制动器相连 实现牵引机构的制动 牵引机构的传动比 i 302 4 图 2 2 牵引机构传动系统图 Fig2 2 traction mechanism drive system diagram 11 3 采煤机牵引部电气设备 3 1 牵引电动机选择及其特性 3 1 1 牵引电动机型号确定 采煤机用电动机为专用的隔爆型三相异步电动机 为了适应采煤机的工况需要 采 煤机用电动机的特性与结构都有许多特殊要求 采煤机在作业过程中 其功率消耗是随煤层构造的变化 煤中可能有夹石等 电动 机负荷为波动的 有时出现过载与强烈振动 有时需要频繁启动或电动 也可能出现堵 转情况 虽然电控箱内配置有恒功率调节装置 但负荷瞬变是经常的 为使采煤机用电 动机适应这种负荷变化的工况 MT4 84 标准规定采煤机电动机堵转转矩不低于 2 倍额定 转矩 最大转矩不低于 2 2 倍额定转矩 为减少频繁启动可能导致的绕组过热 标准规 定了启动电流倍数不高于额定电流的 5 5 倍 要求电动机转矩 转速曲线为硬外特性曲线 为保证电动机有一定的容量裕度 规定采煤机电动机温升按降低一级绝缘等级考核 牵引阻力的估算 采煤机移动时必须克服的牵引阻力为 Tp YN1 YN2 f Gcos FN1 FN2 FX1 FX2 Gsin 3 1 K1G fG cos K2 2K3 sin 式中 f 摩擦系数 平均可取 0 18 工作面倾角 40 G 采煤机自重 KN 由 MG300 700 WD 采煤机技术参数可知取 441 Tp 采煤机牵引力 KN K1 经验系数 K1 YN1 YN2 G 可取 K1 0 6 0 8 取 0 7 K2 估算系数 K2 FN1 FN2 G 可取 K2 0 0 2 取 0 1 K3 侧面导向反力对牵引阻力影响系数 可取 K3 0 15 0 21 取 0 18 Tp 0 7 441 0 18 441 cos40 0 1 2 0 18 sin40 379 9 为了确保安全 通常将 Tp再乘上一个安全系数 K K 1 2 1 25 取 1 2 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 12 Tp K Tp 1 2 379 9 455 88KN 则 P Tp V 455 88KN 9 7m min 73 7KW 采用双电机牵引方式 选用额定功率为 40KW 的电机即可满足要求 根据所选电动机 的功率和采煤机用电动机的要求 通过查阅资料选择牵引电动机的型号为 YBCS 40 YBCS 40 型电动机参数为 额定功率 KW 40 额定电压 V 380 额定电流 A 77 额定转速 r s 1470 额定频率 Hz 50 冷却方式 外壳水冷 额定负载时功率因数 cos 0 85 效率 89 3 1 2 电动机的结构特征 YBC 系列电动机为采煤机截割部专用电机 本系列电动机的防爆性能符合 GB3836 1 2010 爆炸性气体环境用电气设备第 1 部分 通用要求 和 GB3836 2 2010 爆炸性气 体环境用电气设备第 2 部分 隔爆型 d MT T476 2011 YBC 系列采煤机截割部用隔 爆型三相异步电动机 标准的规定 隔爆等级为 ExdI Mb 主要特点 1 电动机的主体外壳防护等级为 IP55 机座采用钢板焊接 强度高 刚性好 外 型协调 2 电动机绝缘等级为 H 级 定子绕组温升预度大 寿命长 3 电动机定子绕组采用双玻璃丝双聚酰亚胺绕包线 经 VPI 真空压力浸漆处理 绕 组及绝缘具有良好防潮性能和热稳定性 电气及机械性能 4 电动机转子采用鼠笼结构 转子经动平衡校验 电动机整体振动小于标准振动限 制 噪声低 5 电动机轴承选用进口电机专用轴承 振动小 噪声低 寿命长 使用范围 YBC 系列电动机可在海拔不超过 1000 米 环境温度处于 0 40 之间 空 气相对湿度不大于 95 3 在 25 时 含有甲烷爆炸性气体混合物的矿井中安全使用 13 3 1 3 牵引电动机的机械特性 异步电动机在额定电压和额定频率下 用规定的接线方式 定子和转子电路中不串 联任何电阻或电抗时的机械特性称为固有机械特性 如图 2 1 所示为三相异步电动机的 固有机械特性曲线 从特性曲线可以看出 曲线有四个特殊点可以决定特性曲线的基本 形状和异步电动机的运行性能 这四个特殊点如下所示 图 3 1 异步电动机的固有机械特性 Fig3 1 the inherent mechanical properties of asynchronous motor 1 T 0 n n0 S 0 为电动机的理想空载工作点 此时电动机的转速为 n0 1500r min 2 T TN n nN 1470r min S SN 为电动机的额定工作点 此时额定转矩和额定转差率分别为 3 m260 1470 40000 55 9 n 55 9 N P T N N N 2 3 02 0 1500 14701500 0 0 n nn S N N 3 3 T Tst n 0 S 1 为电动机的启动工作点 其计算公式为 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 14 3 4 2 20 2 2 2 2 st XR UR KT 可见 异步电动机的启动转矩 Tst与 U R2 及 X20有关 当施加在定子每相绕组上的 电压 U 降低时 启动转矩会明显减小 当转子电阻适当增大时 启动转矩又会增大 而 转子电抗增大时 启动转矩则会大为减小 这是我们不需要的 通常把在固有机械特性 上启动转矩与额定转矩之比 3 5 N TTst st 作为衡量异步电动机能力的一个重要数据 一般 st 1 0 1 2 因此 m2862601 11 1 st NTT N 4 T Tmax n nm S Sm 为电动机的临界工作点 异步电动机在运行中经常会遇到 短时冲击负载 如果冲击负载转矩小与最大电磁转矩 电动机仍能运行 而且电动机短 时过载也不会引起剧烈发热 通常把在固有机械特性上最大电磁转矩与额定转矩之比 3 6 N TTmax m 称为电动机的过载能力系数 它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小 是电动机 的又一个重要运行参数 各种电动机的过载能力系数在国家标准中有规定 如普通的 Y 系列笼型异步电动机的 m 2 0 2 2 供起重机械和冶金机械用的 YZ 和 YZR 型绕线异步 电动机的 m 2 5 3 0 m5722602 22 2 max NTT N 结合公式 3 7 得 min 1380n 08 0 m m r S 在实际应用中 用公式 3 7 计算机械特性 称为转矩 转差率特性的实用表达式 也叫规格化转矩 转差率特性 3 7 S S S S T T m m max 2 3 1 4 三相异步电动机的启动特性 采用电动机拖动生产机械 对电动机启动的主要要求如下 15 1 有足够大的启动转矩 保证生产机械能正常启动 一般场合下希望启动越快越好 以提高生产效率 即要求电动机的启动转矩大于负载转矩 否则电动机不能启动 2 在满足启动转矩要求的前提下 启动电流越小越好 因为过大启动电流的冲击 对于电网和电动机本身都是不利的 3 要求启动平滑 即要求启动时加速平滑 以减小对生产机械的冲击 4 启动设备安全可靠 力求结构简单 操作方便 5 启动过程中的功率损耗越小越好 其中 1 和 2 两条是衡量电动机启动性能的主要技术指标 异步电动机本身的启动特性为 a 定子电流大 Ist 5 7 IN 异步电动机在接入电网启动的瞬时 由于转子处于静止状态 定子旋转磁场以最快 的相对速度 即同步转速 切割转子导体 在转子绕组中感应出很大的转子电势和转子 电流 从而引起很大的定子电流 b 启动转矩较小 Tst 0 8 1 5 TN 启动时 S 1 转子功率因数很低 因而启动转矩 Tst 也不大 显 2 20 2 2 2 cos XR R 然 异步电动机的这种启动性能与生产机械对电动机的要求是相互矛盾的 为了解决这 个矛盾 必须根据具体情况 采取不同的启动方法 异步电动机的固有启动特性如图 3 2 所示 图 3 2 异步电动机固有启动特性 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 16 Fig 3 2 intrinsic startup of asynchronous motor 三相异步电动机的启动方式有直接启动 电阻或电抗器降压启动 Y 降压启动 自耦变压器降压启动和软启动 随着现代电力电子技术和微电子技术的迅速发展 以及 生产机械对三相笼型异步电动机启动性能和工作性能上要求的不断提高 采用高性能变 频器对三相笼型异步电动机供电已日趋广泛 在这种情况下 三相异步电动机的启动就 变得相当容易 只要通过控制施加到电动机定子绕组上电压的频率和幅值 就可快速 平滑的启动 本次设计就采取这种启动方式 异步电动机启动过程与电流冲击的关系曲 线如图 3 3 所示 图 3 3 异步电动机启动过程与电流冲击的关系曲线 Fig 3 3 The relationship curve of the starting process of asynchronous motor and current impact 3 1 5 三相异步电动机的制动特性 三相异步电动机与直流电动机一样 也有反馈制动 反接制动和能耗制动三种方式 它们的共同点是电动机的转矩 M 与转速 n 的方向相反 以实现制动 此时电动机由轴上 吸收机械能 并转换成电能 1 反馈制动 反馈制动是在外加转矩的作用下 转子转速超过同步转速 电磁转矩改变方向成为 制动转矩的运行状态 反馈制动与反接制动和能耗制动不同 反馈制动不能制动到停止 状态 以下是反馈制动存在的情况 a 当电网的频率突然下降或者电机的极数突然增高 电机可能工作在发电状态 此时 17 的电机将机械能转变成电能回馈给电网 如图 3 4 当电机在电动状态下运行时工作于 P1 点 在突然变极或者变频时 电机的工作特性会突然在 a 线段部分 蓝线部分 电机的 转矩突然变负 其制动作用 直到最后重新稳定工作于 P2 点为止 电机又回到电动状态 b 当电机在位能负载 如吊车 提升机 的作用下 使其转速 n 高于同步转速 n0 此 时 电机的输出转矩变负 电机由轴上吸收机械能 当电机的转矩 制动转矩 与负载 的位能转矩相平衡时 电机既稳定运行 如图 3 5 中 P3 点 此时电机以高于同步转速 的速度运行 在转子电路中串入不同的电阻 可得到不同的人为机械特性 并可得到不 同的稳定速度 串入的电阻越大 稳定速度越高 一般在回馈制动时不串入电阻 以免 转速过高 图 3 4 反馈制动机械特性 Fig 3 4 feedback braking mechanical properties 2 反接制动 反接制动是在电机定子三根电源线中的任意两根对调而使电机输出转矩反向产生制 动 或者在转子电路上串接较大附加电阻使转速反向 而产生制动 a 电源两相反接的反接制动 如图 3 4 所示 电机原在 P1 点稳定运行 为使电机停转 将定子三根电源线中的任 意两根对调 使旋转磁场反向 电机的转矩反向 起制动作用 电机运行在 a 线段 当 电机制动停止时 应及时将电机与电网分离 否则电机会反转 电源两相反接反接制动 的优点是制动效果强 缺点是能量损耗大 制动准确度差 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 18 图 3 5 反接制动机械特性 Fig 3 5 anti brake mechanical properties b 倒拉制动 如图 3 6 所示 当电机在位能负载 如吊车 提升机 的作用下 在电机的转子电 路中串入较大电阻时 此时负载拉着电机在与转矩相反的方向旋转 电机起制动作用 电机能稳定运行在 P2 点 在转子电路中串入不同的电阻 能得到不同的制动转速 图 3 6 倒拉制动机械特性 Fig 3 6 pull brake mechanical properties 3 能耗制动 电机在正常运行中 如图 3 6 中 P 点 KM1 闭合 KM2 断开 为了迅速停车 KM1 断 开 KM2 闭合 在电机定子线圈中接入直流电源 在定子线圈中通入直流电流 形成磁场 转子由于惯性继续旋转切割磁场 而在转子中形成感应电势和电流 产生的转矩方向与 电机的转速方向相反 产生制动作用 最终使电机停止 在电机的转子中串入不同的电 阻和在电机的定子中接入不同的直流电流 可以产生不同的制动转矩 从图 3 7 中可以 19 看出 当电机的转速下降为零时 制动转矩也将为零 所以能耗制动能使电机准确停车 图 3 7 能耗制动电路原理图和机械特性 Fig 3 7 energy consumption brake circuit schematic and mechanical properties 3 1 6 三相异步电动机的调速性能 电动机转速与交流电源频率成正比关系 当交流电源频率由小到大变化时 电动机 转速也随之由小到大变化 只要平滑地控制频率变化范围和变化时间 就可以控制电动 机的同步转速 n0 从而实现无极调速笼形异步电动机 这个就是变频调速的基本原理 在实际应用中 需要在调节定子频率 f1 的同时 还要调节定子电压 U1 通过 U1 和 f1 的 协调控制实现不同类型的变频调速 变频调速机械特性曲线图如图 3 8 所示 其中 f5 f6 f1n f1 f2 f3 f4 图 3 8 三相异步电动机变频调速机械特性 Figure 3 8 frequency speed mechanical characteristics of three phase asynchronous motor 3 2 变频器的选型设计 电牵引采煤机的牵引方式按牵引电动机的类型分为直流牵引和交流牵引 由于交流 变频调速电牵引系统具有技术先进 可靠性高 维护管理简单 价格低廉等特点 近几 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 20 年发展很快 20 世纪 90 年代中后期研制的电牵引采煤机均采用交流变频调速系统 交流 变频调速器牵引正逐步替代其他类型采煤机 成为今后采煤机的发展方向 3 2 1 变频器的工作原理 矿用变频器与一般通用变频器在电路构成方面没有特殊的地方 矿用时 只要将通 用变频器放置在一个特殊密封的隔爆箱体内即可完成 所以矿用时有关的技术知识和使 用要求和通用的一致 只是矿用时 要解决好对箱体的隔爆方面的技术要求 以及有关 散热技术要求和条件即可 变频器的工作原理就是改变交流电机供电的幅值和频率 进 而改变电动机转速 变频器的每一次进步 使得各种复杂的调速控制简单化 变频器 三 相异步电动机同时取代了原先只能用直流电动机完成的工作 提高了工作效率 变频器 的基本构成电路如图 3 9 所示 图 3 9 变频器的基本构成电路 Fig 3 9 inverter basic component circuit 从结构上看 变频器分为交 直和交 直 交两种形式 本次设计选取交 直 交变频形 式 交 直 交变频器先把工频交流电通过整流变为直流电 然后再把直流电变换成频率 电压均可控制的交流电 其中设有中间直流环节 故又称为间接式变频器 他由主电路 包括整流器 中间直流环节 逆变器 和控制电路组成 1 整流器 整流器的作用是把三相或单相交流电变成直流电 2 逆变器 最常用的逆变器是三相桥式逆变器 有规律的控制逆变器中主开关元器 件的通断 可以得到任意频率的三项交流电输出 3 中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机 属于感性负载 其功率因数总 不会为 1 因此 在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换 这种无功功率要 靠中间直流环节的储能元件 电容器或电抗器 来缓冲 21 4 控制电路 控制电路通常由运算电路 检测电路 控制信号的输入 输出电路和 驱动电路等构成 其主要任务是完成对逆变器的开关控制 对整流器的电压控制以及完 成各种保护功能等 变频器的主电路原理图如图 3 10 所示 图 3 10 变频器主电路原理图 Fig 3 10 converter main circuit diagram 3 2 2 变频器的选择 交流电动机变频调速控制时 除了应选择合适的变频器类型 使其调速范围 调速 精度的等主要技术性能指标必须满足要求外 变频器的容量选择及与使用有关的一些事 项的合理运用 也是电动机调速控制装置安全可靠运行的重要前提 1 变频器调频范围的选择 a 当采煤机高速运行时 采煤机牵引力 Fmax 438kN 采煤机行走轮所需转矩 T Fmin D行走轮 438000 0 3 131400N M 电动机需提供力矩 3 8 m 3 217 4 3022 131400 2 1 N i T T 由式和得 n 9550 P T p f60 n 3 9 T Pp 60 9550 f 将 T1 217 3 7N m 代入公式 3 9 得 完整 CAD 设计文件 资料请加 153893706 22 Hz 6 58 3 21760 2409550 f1 b 当采煤机低速运行时 采煤机牵引力 Fmax kN 采煤机行走轮所需转矩 T Fmax D行走轮 740000 0 3 222000N m 电动机需提供力矩 m 1 367 4 3022 222000 2 Fmax 2 N i T 将 T2 367 1N m 代入公式 3 9 得 Hz 7 34 1 36760 2409550 f1 因此 变频器的调频范围需包括 34 7Hz 58 6Hz 2 变频器容量的选择 变频器的容量可按下式近似计算 3 cos N CN KP P 10 3 NCN IkI 11 式中 PN 负载所要求的电动机的轴输出额定功率 PN 40KW 电动机额定负载时的效率 取 0 85 cos 电动机额定负载时的额定因数 cos 0 75 IN 电动机的额定电流 有效值 A IN 77A k 电流波形的修正系数 k 1 1 PCN 变压器的额定容量 kV A ICN 变压器的额定输出电流 A 计算得 PN 1 1 40 0 85 0 75 69 kV A ICN 1 1 77 84 7A 根据变频器额定容量和额定输出电流选用 ABB 公司生产 ACS600 80 变频器 额定容 23 量为 80kV A 额定电压为 380V 额定输出电流 90A 其调制技术采用空间矢量控制的正 弦波 PWM 技术 输出频率范围 0Hz 70Hz 瞬时过流保护为 200 立即保护 可根据用户 要求定制 过载能力为 120 2 分钟 150 3 秒 3 变频器特点概述 ABB 公司 ACS400 600 系列产品具有集成自动化接口 可方便地进行各种控制功能的 配置和转换 完成这些转换只需对各功能代码进行参数配置 无须添加更多硬件设备