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文档简介

独创性声明 舢f f l l l f i i l 1 i i l l i l i i i l l i f i f l l f l l l i y 17 8 7 9 5 9 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 虢蛆嗍蝴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以公布论文的全部或部 分内容 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 保密的论文在解密后应遵守此规定 躲矧易一名 嘲嘞沙以 刁 l 摘要 担负着运输矿石 物料和工作人员任务的矿用提升机是矿山企业最重要的大 型设备之一 其高效 安全运行关系到矿井的安全 生产效率和企业的效益 目前 大多数矿山企业的现有提升机电力拖动系统主要采用交流电机转子串 电阻的调速方式 而控制系统主要采用继电器 接触器等实现控制 其缺点主要 是 串电阻调速不够平滑 冲击较大 且控制系统存在可靠性差 故障率高 电 能浪费大 效率低 维修困难等缺点 另一方面 提升机运行过程中缺乏有效的 监测手段 不能够实时监测提升机的运行情况 安全系数较低而且不能及时发现 潜在的问题 因此 对矿用提升机的调速系统进行改造 并增加运行状态的有效 监测具有重要的现实意义 本文在介绍了变频器变频调速原理及其控制模式的基础上 设计了基于变频 器的提升机调速系统改造方案 选择了适合于矿用提升机调速性能的变频器 并 根据提升机实际运行需要设计了变频器的多段速运行方案以及p l c 调速控制程 序 完成二者之间接口电路设计 完成变频器运行前的参数配置方式设计 并设 计了变频主回路开关进线和工频 变频切换方式 本课题以p l c 模块为核心构建了提升机监测系统的硬件平台 根据运行参数 采集需要 选择了各类传感器和智能仪表 在此基础上完成了传感器 智能仪表 与p l c 采集模块的通讯方式设置 采用工业交换机建立以太网络 实现了提升机 与调度中心的远程通讯 并采用视频和语音设备实现视频监控和语音通话功能 通过对提升机运行状况的分析和安全运行的具体要求 基于组态王软件开发 了提升机安全运行状态实时监测系统 实现了提升机运行参数 运行状态模拟画 面的实时显示 模拟量超限和故障报警 各监测参数的实时曲线和历史曲线存储 和查询等功能 实现了监测状态的局域网w e b 发布 本项目的状态监测系统已经在大同煤矿集团公司某矿实施 通过现场安装 硬件监测平台与软件系统之间的联机调试和运行 该系统达到了预期目的 为矿 井的安全生产提供了保障 关键词 矿用提升机 状态监测 变频调速 可编程控制器 组态软件 北京 t 业大学工学硕士学位论文 i l a b s t m c t a b s tr a c t m i i l eh o i s ti so n eo fm em o s t 油p o r t 觚te q u i p m e n ti i l 也ec o a l 血n ec o 印o r a t i o n i tp l a y sa 喇t i c a lr o l et oc o n v e yc o a l 而n e m a t 嘶a l sa i l ds t a f rm 既l b e 琏 c u n e i l t l y m o s to ft l l ei i l j m 9h o i s t so f 廿l ec o a le 1 1 t e 叩r i s e sa r eu s i n gs 耐a 1 r e s i s t a n c et 0a d j u s t 廿l es p e e do f 廿1 em 萄o rm o t o ri i lo l l rc 0 啷a n dm ec o n 打o l s y s t 锄u s e dr e l a y sa n dc o n t a c t o r s i t sd i s a d v a n t a g em a i l l l yh a sp a r t s o n ei s 1 a tt 1 1 e s p e e dr e g u l a t i o ni sn o ts r l l o o t l l j m ga i l di th a sas 刮o u si m p a c t a n dt 1 1 ec 0 n t r 0 1s y s t 锄 i sl o wr a b i l i t c o n l p l e xo p e r a t i o n 1 1 i 曲a c c i d e n tr a t ea i l d1 0 w e 伍c i e n c y t h eo 也e r h a i l d t 1 1 en l i n eh o i s ts y s t e ml a c k sa ne 虢c t i v ew a yt om o l l i t o r 廿l es y s t e ma i l dt h e 叩酬i o ns i t l j a t i o nc a nn o t 删 t i m er e s p o n s e a 1 1 d 幽ec o n v e i l t i o n a ls y s t e mc o u l dn o t d e t e c tm ep o t e n t i a lf 萄l u r e t l l es t a f fe i l s u r em em i i l eh o i s ta 1 1 dr e d u c et h ee m c i e n c v o n l y b y r c 刚a r c h e c k t l l i sp a p e ri 1 1 t r o d u c e dm e p 矗n c i p l eo f 盘 q u e n c yc o n v e r t e rs p e e dr e g u l a t i o na n d l ec o r l t r 0 1m o d e 丘 e q u e l l c yc o n v e n e ri n s t e a do f rs 嘶e sr e s i s t a n c ew a s d e s i 趴e d a n d s e l e c t e dm ef e q u e n c yc 0 n v e n e rf o rm i n eh o i s t a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to f t 1 1 em i n e h o i s t t h j sp 叩e rs e l e c t e d 廿1 em m t i s e 鲫e n ts p e e dr e g u l a t i o n t l l ec o r l 仃o lp r o 蓼a ma i l d m ei m e r l 沁ec i r t sw e r ed e s i 盟e d a n d c o m p l e t e d 也ep a r 锄e t e rc o n 矗g u r a t i o n d e s i 朗f o rt h e 丘e q u e n c yc o n v e n c r t h eh a r d w a r ep l a t f o n no ft 1 1 em o i l i t o r 内r1 1 1 i n eh o i s tw h i c hb a l s e do np c m o d u l ew 2 l ss u c c e s s 如l l yc o i l s m l c t e di n l i sp a p a c c o r d i n gt om en e e do fn l e p a r a m e t e ra c q u i s i t i o n m es y s t e ms e l e c t e dv a r i o u ss e n s o r sa 1 1 di n t e l l i g e l l ti i l s 饥吼e 1 1 t s a n dc o m p l e 锄c o m m 疵c a t i o n s e t t i n gb e t i e e i lt 1 1 es e l l s o r i n t e l l i g e n ti n s 饥l m e n t sa n d p l ca c q u i s i t i o nm o d u l e t h er i n gn e 铆o r kw a se s t a b l i s h e db yt h ei 1 1 d u s t r i a ls w i t c h a n dc o m p l e t e dc o 删n u l l i c a t i o nb e 铆e e nn l em i n eh o i s ts t a t i o na 1 1 dd i s p a t c m n gc 锄t v i d e os u r v e i l l a i l c ea i l di n s i d et a l kr e a l i z e db ym ev i d e 0e q u i p m e i l ta 1 1 dv o i c e g a t e w a y a c c o r d i l l gt ot 1 1 e 锄a l y s i so n 1 es i t l l a t i o na 1 1 d 出er e q u i 彻m e l l to fs a f e o p e r a t i o n t l l es y s t 锄o fo p e r a t i o nc o n d i t i o nm o i l i t o rf o rm i n eh o i s tw a se x p l o i t e d b a s e do n 磁n g v i e w t h i s s y s t 锄 r e a l i z c d0 p 删o np a r 锄e t e r s g a m e r i n ga n d s 妇u l a t i o np i c t u r er e a j 缸ed i s p l a xa i l a l o gs i 口a l so v e r l l 瑚a n d 矗m l t sa l a m l 锄dr e a l t i n l ea i l d 1 1 i s t o d c u r v ed i s p l a yo fs o m em o i l i t o rp a r 锄酏e r s a 工l di ta l s oh a st l l e 缸l c t i o no f p a r 锄e t e r sq u e 巧a i l dw e bp u b l i s ho fm es i t u a t i o n t h e0 p 酬i o nm o n i t o r i n gs y s t 锄h 2 l sb e e i lu s e di i lm ed a t o n gc o 印o r a t i o n m m o u y a om i i l e b ym ef i e l di 1 1 s t a l l a t i o n 甜l do n l i i l ed e b u 雒j n gb e t w e e n 吐l e m 目录 目录 摘要 i a b s tr a c t i i i 目录 v 第一章绪论 1 1 1 课题的背景 1 1 2 国内外现状 2 1 3 课题的意义 3 1 4 课题的内容及目的 4 第二章提升机设备介绍及传感器位置确定 5 2 1 传动装置及其信号采集 5 2 2 制动系统介绍 6 2 3 原有控制和调速系统 7 2 4d 结 9 第三章变频调速方案设计 1 1 3 1 变频调速原理 1 1 3 1 1 异步电动机原理 1 1 3 1 2 改变频率和电压的方法 1 2 3 2 变频控制模式 1 2 3 2 1u f 控制模式 1 3 3 2 2 矢量控制方式 1 4 3 2 3 其他控制方式 16 3 3 变频器系统制动功能 1 6 3 3 1 变频器制动方式 1 7 3 3 2 变频器直流制动 18 3 4 变频器设备选型 j 1 9 3 4 1 变频器选型 2 0 3 4 2 变频主回路设计 2 3 3 5 小结 2 5 第四章监测和控制系统搭建 2 7 4 1 传感器的选择 2 7 4 1 1 传感器选型 2 7 4 1 2 智能仪表介绍 2 9 4 2p l c 信号采集方式 31 4 2 1 模块介绍 3 2 4 2 2i o 点数统计 3 3 4 3p l c 与变频器连接 3 5 4 4p l c 软件设计 3 7 4 5 工业交换机网络通信 4 1 4 5 1 环网结构 4 1 4 5 2 视频监控和网络电话系统设计 4 2 v 北京工业大学工学硕士学位论文 4 6 控制柜的设计 4 4 4 7d 结 4 7 第五章上位机监控软件开发 4 9 5 1 组态王软件功能介绍 4 9 5 1 1 组态王软件特点 4 9 5 1 2 组态王软件结构介绍 5 0 5 2 图形与动画设计 j 5 l 5 3 系统参数处理和显示方式 5 4 5 3 1 添加设备 5 5 5 3 2 数据词典 5 6 5 3 3 数据显示连接 5 8 5 4 上位机软件曲线显示和命令语言 5 9 5 4 1 描绘曲线 6 0 5 4 2 命令语言 6l 5 5 监控软件报表和数据库 6 2 5 6 网络配置和发布 6 5 5 7 小结 6 7 结论和展望 6 9 参考文献 7 1 攻读硕士学位期间所发表的学术论文 7 5 致谢 7 7 第一章绪论 1 1 课题的背景 第一章绪论弟一早三 百了匕 煤炭在我国能源供应中占有十分重要的地位 目前煤炭占能源消费比重达到 7 0 左右 煤炭企业安全生产一直影响着人民日常生活中的各个方面 而矿用提 升机是矿井最重要的大型设备之 是煤炭企业生产运输的主要工具 矿用提升 机在室内设备有主电机 滚筒 液压站 润滑站以及操作台和控制系统等 而室 外部分主要是井架 天轮和罐笼等 矿用提升机负责提升煤炭 矿石 下放材料 运送工作人员 设备的任务 可以说提升机是一座连接井上与井下的桥梁 提升机的重要性决定了它必须具有 良好的机械特性 优越的调速方式 稳定的控制系统 全面的监测系统以及相对 完善的保护措施 乜1 而良好的调速方式和运行状态监测是保证提升机安全运行 的有效手段 其一 提升机系统构造较为复杂 主要设备包括主电机 提升滚筒 天轮 罐笼 液压系统 润滑系统还有其相应的电控系统以及操作台 高压提升机还需 要有高压换向柜等 目前我国煤矿企业提升机的主电机一般采用交流电机拖动 提升机在运行过程中速度是不断变化的 但是交流电机的调速方式相对直流电机 而言比较困难 且矿用提升机的主电动机需要正反向频繁切换 经常处于运转和 制动不断转换的状态中口 钔啼1 所以一个良好的调速和控制系统对于提升机的安 全运行是至关重要 另一方面 提升机在运行过程中 其主要设备的参数不断变化 这些参数的 变化可以反应提升机的运行状况 通过参数变化规律能够判断提升机的安全状 况 及时准确的监测这些参数可避免事故发生 所以能够采集提升机的运行参数 通过处理显示尤其是以曲线形式显示对提升机的安全保障能够起到关键作用 与 此同时 当发生异常情况时 操作人员在操作时更需要直观的提示 便于及时地 进行现场处理 以免酿成严重事故 目前在工业控制领域中 可编程控制器逐步代替了原有复杂的控制电路 可 编程控制器 简称p l c p r o g r a 咖a b l e1 0 9 i cc o n t r 0 1 l e r 是指以计算机技术 为基础的新型工业控制装置 1 9 8 7 年国际电工委员会对p l c 做了如下定义 p l c 是一种专门为工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子设备 是通过编制程 序再将程序在存储器中存储 用于其内部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 计数和算术等操作 并能通过数字式或模拟式的输入和输出 控制各种类型的生 产过程 1 p l c 模块及其相关的外围设备应该与工业控制系统易于形成一个完整 北京 二业大学t 学硕士学位论文 的体系 便于扩展其功能 六十年代美国d e c 公司研发出世界上第一台p l c 并 在工业领域上应用成功 随着工业领域的迫切需要 p l c 在短短的数十年间飞速 发展 并在工业控制领域中得到广泛应用 钉 变频器与p l c 的发展相映成辉 从2 0 世纪7 0 年代到今天 变频器经历了不 断的更新换代的发展 变频器的功能从简易到全面 调速精度不断地完善 低压 和高压变频器都取得了长足进步 其结构相对简单且价格低廉 在交流异步电机 拖动调速中广泛应用 逐渐成为了现代调速领域中的主要设备聃 引 本课题状态监测系统这部分是与大同煤矿集团公司合作项目 大同煤矿集团 煤矿产量和销售额均位于全国前列 年煤炭产销量完成1 1 亿吨 连续五年突破 亿吨 实现利润1 1 亿元 企业成立6 0 年来 累计生产煤炭1 8 亿吨 可以说大 同煤矿集团在我国煤炭供应和电力供给等方面起到了不可估量的作用 但是目前 整个企业所使用的矿用提升机调速和控制系统相对老化 同时缺乏有效的监测手 段 1 2 国内外现状 矿用提升机的电控系统是随着煤矿企业发展的需要和技术的进步而不断改 进 且随着对安全要求的不断提高 逐步引进了状态监测设备 西方一些发达国 家矿用提升机的发展状况代表世界前沿水平 目前矿井提升机正在向高效率 低 能耗 低成本 大负载 高速和重型化的方向发展u 伽 在矿用提升机发展早期 伴随着模拟电子技术逐步发展成熟和交流电机调速 系统研究的逐步深入 以发达国家为代表的煤矿应用这些技术结合提升机系统自 身特点 实现了矿用提升机的转子串电阻调速和继电器一接触器的调速方式 后 来 部分发达国家如德国 瑞典等国的煤矿企业采用直流电机作为提升机的主电 机 直流电机拖动系统的优点在于其体积较小 重量较轻 占地面积小 无复杂 的减速器结构 调速相对平滑 易于实现控制 安全可靠节电显著 适用范围广 缺点是功率低 高次谐波污染大 且直流电机结构相对复杂 寿命与交流提升机 相比要短 随着现代工控技术的不断提高 特别是上世纪9 0 年代以来 可编程序控制 器 p l c 发展迅速 同时西门子公司发明交一直一交变频原理后 推动交流电机 代替直流电机实现提升机拖动 以此两种技术为依托发展起来的现代控制调速系 统已经在提升系统中得到普遍应用 此类电控系统以变频调速装置代替传统系统 中串电阻电路 可实现无级调速和相对平滑的多段速调速 使提升机的调速性能 更加完善 制动平稳性得到了很大程度的提高 用p l c 模块取代传统电路 使原 系统中复杂的继电器一接触器等硬件电路由软件来实现 这种由p l c 模块和变频 2 第 章绪论 器设备组成的矿用提升机变频调速系统的主要特点是 对提升过程的程序控制可 靠性较高 可实现对速度控制 根据需要可以对提升机进行速度闭环控制 可实 现行程 速度等重要参数及提升状态的监视 提高了提升机系统的可靠性 降低 了电能消耗m 1 2 1 目前 国际先进水平的矿井提升机提升速度高达2 0 m s 以上 提升重量达 5 0 吨左右 提升机的功率已达1 0 0 0 0 k w 以上 井深达2 0 0 0 m 大部分设备实现了 全自动化控制 以计算机和变频技术为基础的现代提升机电控系统是矿山机电设 计及改造的一个重要发展趋势n 鲫n 劓 我国矿用提升机的发展已有相当长的历史 在公元前1 l 世纪年 我国古代 的劳动人民就开始发明提升工具 利用人力或者畜力摇卷筒缠绕绳索的方法 来 提升水桶或地下矿物 这就是现代提升机的始祖 后来由于我国处于封建社会 工业技术没有得到发展 直到建国后 我国才建立了提升机制造厂n 射 相比于发达国家 我国矿用提升机的机械和电控部分 以及调速系统很长时 间都处于相对落后的情况 目前为止 我国使用的矿井提升机电控系统大多数还 是转子回路串金属电阻的交流调速系统 设备陈旧 技术落后 故障率大 提升 能力差 与发达国家相比我们存在很大差距 近几年来 国内一些大型矿井从国 外引进了一些先进的提升机 如a b b 公司 德国西门子等公司产的自动化提升系 统 采用上位计算机监控和下位多p l c 控制的模式n 町 提升机系统得到了很大程 度的提高 但进口设备价格相对较高 维护相对困难 1 3 课题的意义 目前 国内部分矿企提升机设备相对老化 已经不能适应现代矿企的发展需 要 一方面 现在保证提升机系统安全运行的策略是以 定期检修 为主的思 想 这种维修方法存在大量的过维修以及欠维修问题 为此会造成不必要的经济 损失 而提升机的安全直接关系到矿企的正常生产 提升机的故障会导致矿井的 停产 若发生事故会导致人员伤亡和财产损失 另一方面 现有矿用提升机采用 串电阻调速效率低 调速时有冲击噪音大 提升罐笼通过减速点时 由于负载重 量不同 而将会得到不同的速度 不能实现平稳的低速爬行 导致停车位不准 不能正常工作 而控制系统采用的继电器一接触器 其频繁动作 影响设备使用 寿命 维修成本相对大 所以对提升机系统进行改造有以下现实意义 1 提升机运行过程中很多参数随着状态的改变而变化 这些参数的变化可以 反映矿用提升机的整体运行情况 采集提升机这些运行参数 可以有效的掌握提 升机的运行情况 为操作人员提供直观信息 同时提供视频监测和电话通信 可 3 t t 一 j 北京工业大学t 学硕士学位论文 以在调度中心了解提升机运行信息 避免故障发生 2 提升机在p l c 模块控制下代替原有电路 减少维修量提高可靠性 采用在 线监测技术以及变频调速可以减小原有系统在串入电阻上能耗 调速平滑减少冲 击 降低噪声污染 解决了提升机调速和监测的难题 提高了系统的安全运输能 力 增加了系统运行的可靠性和稳定性 同时节省空间 便于维修 3 本系统对矿用提升机的位置和速度进行实时监控及保护的系统 本系统能 够实现语音和画面双重报警提示 当出现故障时立刻指出故障点 有利于在最短 的时间内排除故障 减少损失 提高经济效益 可及时避免事故发生 便于实现 有针对性维修和检查 可以方便矿井提升机操作人员对提升机的行程和速度等参 数实时监控 1 4 课题的内容及目的 本课题针对矿用提升机的实际需求 主要针对变频调速和状态监测两个方 面进行改造 基于以上的设计思路 课题研究内容可分为以下几个方面 1 实现由变频器调速代替原有串电阻调速装置的设计 掌握变频器的运行方 式和控制方式及其参数设置和安装方式 2 用p l c 模块的模拟量输入模块和数字量采集模块采集提升机运行过程中的 重要参数 并通过控制器模块读取和存储 设计p l c 与变频器之间的连接方式并 通过控制器模块读取的操作信号对变频器进行调速控制 3 在组态软件中实现实时自动监测记录提升机运行时罐笼的位置 速度 次数 制动油和润滑油的压力 温度 各种电量参数 和轴承温度等 并自动生成表格 和曲线 实时直观的模拟显示提升机和罐笼的运行状态图 实现安全回路运行状 态的显示 记录信号 具有提升容器运行速度图的实时显示功能 并根据管理需 要调用和打印报表 4 系统使用工业交换机组成环形网络 与其他分站进行数据交换 同时在调度 中心读取提升机和其他分站信息 系统具有提升机运行出现异常或模拟量超限的 声音报警和画面报警 并且实现视频监控 可观察现场实时画面 同时提供局域 网络电话 方便通话了解现场状况 4 第二章提升机设备及传感器安装位置确定 第二章提升机设备介绍及传感器位置确定 提升机系统的重要地位决定了其安全性必须得到充分的保证 目前煤矿企 业提升机系统主要包括两个部分 部分是提升机电机和辅助设备 如图卜1 所 示 主要有提升主电机和测速电机 减速器 润滑站 液压站 直流制动柜 提 升罐笼 天轮等 另一部分是控制系统和调速系统 主要包括基于继电器一接触 器的电控系统和串电阻式调速设备 图2 1 提升机系统实图 f i g2 1 也ep i c t u r eo f m i n eh o i s ts y s t e m 2 1 传动装置及其信号采集 1 主电机 主电机是整个提升机的动力 是实现提升的最主要的设备 目前矿用提升机 的主电机普遍采用交流电机 大多数主电机电压是6 0 0 0 v 和3 8 0 v 主要根据矿 用提升机的类型和负载大小决定电机的型号和容量 主电机为传动系统提供动 力 再作用到滚筒上 最终通过钢丝绳提升罐笼 调速装置也是需要根据主电机 的运动原理来实现的 与直流电机调速方式不同 交流电机拖动要采用特殊的调 速装置实现 2 主轴 滚筒和减速器 北京工业大学 二学硕十学位论文 提升机滚筒是安装在主轴上 主轴为主要受力器件 通过减速器在主电机的 带动下旋转运动 由于电机的转速和提升速度之间有一定比例的差距 因为提升 机电机的额定转速大体上在每分钟几百转 但是在匀速运行时提升机滚筒的速度 要远小于这个转速 为了能够把电机的转速以恒定比例减少 则在主电机和主轴 之间加入减速装置调节速度 滚筒和主轴之间的是靠离合器实现连接的 当罐笼 停止在预定位置时离合器始终是处于闭合的状态 一旦提升机两个罐笼位置出现 异常情况时通过离合器离开 缓慢开车 调整到正常位置后闭合 实现下一次开 车准备 在减速器之后 主轴上是滚筒 在主轴的带动下滚筒旋转 同时钢缆绳缠绕 或放开 而钢缆绳一段固定在滚筒上另一端连接到罐笼上 通过钢缆绳的缠绕则 可以提升罐笼 提升机的罐笼有两个 当一个罐笼在井下时另一个罐笼在井口 每次提升两个罐笼同时相对或运动 且速度相同 这样既节省能源有保证转矩偏 心不至于太大 目前矿用提升机和日常生活中的电梯广泛采用这种方式 在信号采集系统中 电机主轴上需要安装一个霍尔元件测量其转速 并在轴 瓦上安装温度传感器以测量其温度 3 深度指示器 深度指示器也是提升机系统中不可缺少的组成部分 其主要功能是 方便操 作人员在操作室内观察罐笼在井下的位置 到减速点时向控制系统发送减速信 号 当发生过卷故障时可以发送过卷信号 保护提升机运行安全 深度指示器通 过对外接口在每个特殊位置都可以提供开关量信号 便于控制系统采集 提升机的主轴将旋转运动经深度指示器的传动装置传给丝杠 使丝杠比例旋 转 滑块通过旋转在丝杠上运动 这样滑块的运动就模拟了罐笼在井筒中的位置 和运动 在刻度板上用标出减速点 停车和过卷位置标记 提供操作人员观察 在深度指示器上部设有减速点和过卷开关信号铃 在深度指示器下部设有停车开 关 当滑块接近减速点时 滑块上的装置撞击信号钢铃 发出减速开始信号 同 时行程开关在减速点位置动作 控制系统采集信号实现减速 当提升容器到达停 车位置时 滑块上的装置接触停车开关 指导系统停车 如果系统没有在指定位 置停车 滑块继续移运 接触到过卷开关上 则控制系统立即安全制动 在深度指示器上需要安装两个霍尔元件测量其转速 且相互校正 而且在深 度指示器上还要采集过卷信号 为安全回路判断提供条件 2 2 制动系统介绍 1 盘式制动器 在交流拖动中 实现停车需要多方面共同作用 在接近停车位时 主控系统 6 第二章提升机设备及传感器安装位置确定 切断主电源 同时给电机送入直流制动电流 并且制动器实现制动动作 本课题 所涉及的制动器是盘式制动器 在滚筒的前后左右各有四个制动器 一共十六个 制动器共同作用 在盘式制动器上需要安装1 6 个闸瓦间隙传感器 以测量与传感器对应的1 6 个闸盘和滚筒侧壁之间的距离 2 液压站 为盘式制动器提供动力的装置是液压站 制动力的大小变化可以通过调节液 压系统的油压高低来实现 压力输出由操作台控制 液压调压装置在手动操作方 式时用操作台上的制动手把控制 当提升机在提升过程中因突发事件需要紧急制 动时 制动系统油压值迅速下降 制动器在制动盘上施加正压力 闸瓦与制动盘 之间产生磨擦达到减速 制动 提升机处于安全制动状态 为了保证盘形制动器 正常工作 闸瓦间隙需要实时监测 在使用过程中 一旦发生闸瓦磨损量超过规 定值时 故障讯号会立即反馈到保护回路和上位机软件 在完成本次提升后 如 不调节闸瓦间隙或更换碟形弹簧 则安全回路断开下次提升不能进行 在交流拖动系统中 制动器还要参与提升机的速度控制 因此 要求制动力 能在较宽的范围内进行调节 该液压站具体作用是按提升机实际运行情况 产生 不同的工作油压 调节 控制盘闸的制动力矩 从而实现工作制动 安全制动时 能迅速自动回油 并根据提升机的需要以及钢丝绳调绳的需要 控制调绳离合器 的断开和闭合 液压站上需要采集制动油压力和温度过高报警信号等 为监测液压的工作情 况提供条件 2 3 原有控制和调速系统 目前 提升机系统所采用的控制系统是继电器一接触器控制 而调速系统是 采用串电阻调速 1 安全回路 在提升机电控系统中设有必要的保护和联锁装置 当提升机系统发生故障不 能正常工作时 安全回路中的触点断开安全接触器及安全继电器回路 使安全电 磁阀动作 提升机实现制动 如图2 2 中所示 在安全回路中主要有主令零位 主电机失压 液压失压 过卷 减速过速 工作闸以及松绳信号等等 安全回路在提升机系统中占有举足轻重的作用 是保证提升机安全运行的重 要手段 安全回路一旦断开 主电源断开 液压站立即施加抱闸 同时送入制动 电流 使得电机在最短的时间内停下 待检查故障后方能开车运行 7 北京工业大学工学硕士学位论文 a c主令零位 工作闸 主电源失压 n 刈 多 i a c 液压失压 急停 调绳离合 过卷 松绳 第二章提升机设备及传感器安装位置确定 在控制回路中主控系统实现提升机在运行过程中按照起动 等速 减速停车 和转向的要求来改变主电动机的工作状态 并具有必要的电气联锁和保护 控制 回路需要根据调速方法进行控制 现有的转子调速方式如图2 3 所示 交流电机通过串入八段电阻调节电机转 速 在电机的运行过程中 需要不断调节电机的转速 但是当负载恒定时电机的 转速是无法自行调节的 串电阻调速的方式就是把八段可控制切入的电阻加在转 子回路上 这样通过切入不同的电阻 改变电机的电流 进而调节交流电机磁通 量 从而改变电机的转速 但存在串电阻能耗 2 4 小结 本章分析了提升机系统的整体结构及其组成部件功能 介绍了提升机的电 控系统功能和调速方式 并根据提升机运行安全的需要 确定了所要采集的各类 信号以及各种传感器在提升机中的安装位置与布线方式 9 北京工业大学丁学硕士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼皇蔓曼 曼 皇曼曼曼寡曼曼曼 苎曼曼 皇 曼曼曼曼曼 曼 曼曼曼 曼 l o 第三章变频调速方案设计 第三章变频调速方案设计 3 1 变频调速原理 在传统调速系统中 直流电机的调速方式以其控制简单 调速精度较高等特 点占据了主导地位 但是由于结构复杂 过流能力差 难以实现高速度运行等原 因 一直限制了直流调速应用范围进一步扩大 而交流电机结构相对简单 其特 性能够满足矿用提升机需要 但交流电机拖动调速方式不如直流调速简易 需要 调速设备实现 3 1 1 异步电动机原理 同步转速表达式 刀 业 3 1 刀o5 上 3 一1 p 其中n 一同步转速 f 一电源频率 p 一磁极对数 转差表达式 彳力 刀 一万 3 2 其中n 一转子转速 n 一转差 转子转速 刀m z r 1 一垒夕 3 3 刀 可以看出 异步电动机的调速方式可以分成三类 1 改变电动机定子绕组的磁极对数p 2 改变定子供电频率f 3 改变电动机的转差率 n 其中 改变电动机定子绕组的磁极对数p 与改变定子供电频率f 的调速方法 是改变同步转速n 的调速方法 改变电动机转差率s 的方法常用于绕线式异步 电机 它是不改变同步转速的方法 改变转差率的调速方法又有以下几种 1 转子串电阻调速 在绕线式异步电机转子回路串接不同的电阻 2 变电压调速 改变加在异步电动机定子绕组上的电源电压 北京工业大学1 一学硕士学位论文 交流电动机定子旋转磁场的转速公式表明旋转磁场与交流电源的频率成正 比 这实际上表明了变频调速的原理 即改变电源频率就能改变旋转磁场的转速 其中转速差可以是变动的值 但是在同一次运行过程中可以忽略它对电源频率和 转速之间线性的影响 因为转差率是与负载的大小有直接关系的 所以电机转速 与电源频率是成正比关系的 也就是说通过调节电源频率来调节电机转速是实现 调速的最佳方式n 7 1 埔1 3 1 2 改变频率和电压的方法 实现交流变频的方式主要分为 交一交变频和交一直一交变频 两种方式都可 以实现调速的目的 他们的区别主要在于 1 交一交变频 在晶闸管整流过程中 可以通过控制导通角来调节输出电压 导通角为9 0 度时 输出电压为零 当导通角为零度时 输出电压最大 所以通 过控制导通角的大小和频率就可以得到正半波 它与反向整流桥拼在一起就可以 得到完整的新的交流电压 2 交一直一交变频 在交一交变频的基础上 加入滤波电路和逆变电路 如图 3 1 所示 滤波电路使得直流电变得稳定和平滑 提高了变频器性能 变频器使 用过程中由于启动电流过大需要加入制动电路来减少冲击电流 这部分电路可以 加载滤波电路上 f t 整流电路 滤波 逆变电路负载电路 图3 1 交一直一交变频原理 f i g3 一la cd ca c 丘 e q u e n c yc o n v e r t e r 目前 工业用的变频器大部分采用交一直一交变频调速 其优越的调速性能保 证了提升机变频调速的平稳 除了这两种变频方式之外还有其他的变频方式 3 2 变频控制模式 变频调速性能良好 也要有一个良好的控制系统 使实际运行的转速和转矩 1 2 第三章变频调速方案设计 达到给定值的要求 并且能准确稳定 控制系统分为开环和闭环两类 其中开环 系统一般采用u f 原理控制 调速范围较宽也相对平滑 对调速精度和转矩控制 不高的负载较为适合 控制分为u f 控制模式 矢量控制模式还有直接转矩控制 在盘 c ro 3 2 1u f 控制模式 交流异步电机是按照感应原理工作的 定子绕组固定在铁心内 它相对旋转 磁场运动产生感应电动势 感应电动势正比于主磁通中 感应电动势 历乇r 函 喝 3 4 其中e 卜定子感应电动势 c 一定子电动势系数 f 一电源频率 e 一定子电阻压降 u f 控制方式保证转矩磁通恒定 根据公式2 4 在忽略定子压降的情况下 电机的端电压应该与频率成正比 但在考虑定子电阻之后 磁通不再是恒定的了 由于定子压降相对较小 这里可以忽略 当然在实际应用过程中需要对定子压降 进行补偿 在这种控制方式下电机的转速与电压关系如图3 2 所示 u t n a b 图3 2u f 控制模式 f i g3 2u fc o n 臼o lm o d e l 在所有控制模式下 频率超过电动机设计频率以后都只能是弱磁运行 如图 3 2 a 所示 超过工频的运行成为超同步运行 不仅仅存在弱磁问题 而且可能 导致电机超负荷磨损 而在u f 控制模式下 图3 2 b 显示了不同频率下磁通与转差率的变化曲线 这也反应了这种控制方式的电动机机械特性 这种控制方式在性能要求相对较低 的情况下应用较广n 训 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 2 矢量控制方式 直流电机中除主磁场外 当电枢绕组中有电流流过时 还将会产生电枢磁场 电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场 它是直接影响电枢电动势和 电磁转矩大小的 而直流电动机的磁场有定子绕组和点数绕组分别激励 因此器 磁通可以分别控制 交流电动机和直流电动机有一个内在的共同性 即直流电动机的主磁通与电 枢磁通相正交的 交流电机也是一样 二者差别在于 直流电动机励磁回路与和 电枢回路是分开的 可以分别控制 而交流异步电机转矩电流和励磁电流合成了 定子电流 不能简单的直接控制 矢量控制方式 v c 控制方式 就是效仿直流电动机控制方式 2 0 世纪7 0 年 代西门子首先提出了用异步电机矢量控制理论来解决交流电机转矩控制的问题 矢量控制的变频调速方法如下 将异步电机定子电流在空间中分成i i i 在通过空间换向等效两相电流i ie 然后模仿直流电机的控制方法 求得直 流电机的控制量 经过坐标反变换实现对异步电机的控制 实质上 矢量控制是分别对速度和磁场两个分量分别控制 将交流电机等效 直流电机 通过控制转子磁通 以转子磁通定向 然后分解定子电流而获得转矩 和磁场两个分量 矢量控制数学模型主要基于矢量代数与坐标变换 矢量f 即代表旋转磁场中 某一时刻的磁势 电流与线圈匝数的积 如图3 3 所示 a b c 为三相交流 磁通 q b 为两相交流磁通 q d 为直流磁通 q l a 三相交流绕组b 两相交流绕组c 直流绕组 图3 3 矢量坐标关系 f i g3 3p h 弱0 rc o o r d i n a t ec o n v e r s i o n 下面介绍三相交流绕组 两相交流绕组和直流绕组的矢量变换 1 三相交流与两相交流之间坐标变换 1 4 第三章变频调速方案设计 m 虬化毛f 6 一圭u 3 5 哪二 f 争知 3 6 堕 犀 3 7 3 7 阱压 仔8 睁圈 净9 1 廓董 l 2 3 1 0 且该矢量变换是可逆的 制胁3 2 两相交流与直流之间矢量变换 可以说这里的坐标变换方式与之前的坐标变换思路是相同的 也能够列出以 下关系式 m l m 忆c o s e 名s i l l e j 3 1 1 札i 口 m 屯s i l l e 南c o s o j 3 1 2 由于都是两相电机 功率不变且磁通量不变 很容易得出这里的匝数应该一 k 0 犷iiiii止 l一2压一2 笪2 北京工业大学工学硕十学位论文 致 即 将其带入上面关系式就可得到 附 焉搿韵 净 同样 这里的矢量变换也是可逆的 也就是说通过公式 3 1 0 和 3 1 3 可以得到从三相交流电转换为直流电的矢量变换 这样就可以变频器的控制器产 生励磁电流和转矩电流指令 换算成三相定子电流参数 去驱动交流电机 可以说矢量控制方式是比较理想的交流电机变频控制方式 其优越性已经得 到了变频控制领域的普遍认可凹1 3 2 3 其他控制方式 除了以上两种控制模式以外 变频调速控制方式还有很多 其中包括转差频 率控制和直接转矩控制 1 转差频率控制特点 异步电动机转矩表达式 肚脚2 南 3 1 4 其中j i 转矩 由磁通 f 转差频率 r 及l 分别为转子电阻和漏感 公式 3 一1 4 中 当 一定时 电动机转速只取决于f 所以控制转差频 率即可控制转矩 按这种方式用转差率构成闭环反馈控制系统 又有设置临界转 差率 就可以保证电动机不超出最大转矩 2 直接转矩控制 直接转矩控制是直接从定子测出所需要的数据 根据定子磁通直接控制转 矩 可使调速性能稳定 由于控制方式直接所以响应很快 这种控制方式类似于 矢量控制方式 将转速和磁通分别控制 船钉 3 3 变频器系统制动功能 上面介绍了变频器的电路和控制方式 目前 变频器已经进入模块化时代如 图3 4 所示 变频器主要有交直交变频部分 控制运算电路 驱动电路 保护电 路和外界接口电路 有的还有速度检测元件提供速度反馈 由于在同一电网在其 他设备和变频器本身都可能含有高次谐波 对设备产生很大影响 甚至造成设备 损坏 在变频器的输入输出接口上加入了交流电抗器或是滤波器 1 6 第三章变频调速方案设计 三相交流电 交流电动机 图3 4 变频器电路结构 f i g3 4 心e q u e n c yc o n v 耐e rc i r c u i ts 饥l c t i l r e 运算电路变频器设置 给定电流 电压信号决定输出频率和电压 驱动电路 功能是运算电路的控制下 提供功率足够大的驱动信号使主电路开关器件导通或 者关闭 采用通电隔离实现驱动电路控制 接口电路提供人机交互功能 而保护电路如下表所示 表3 一l 保护功能 1 a b l e3 1p r o t e c t i o nf 1 1 n c t i o n s 保护对象保护功能保护对象保护功能 变频器瞬间过电流保护过载保护 过载保护异步电动机保护超频保护 超速 过电压保护 瞬时停电保护 接地过电流保护 冷却风机异常保护 3 3 1 变频器制动方式 在了解变频器整体构造的同时变频器的制动方式也是不容忽视的 一些生产 机械要求能够快速地减速或停车 由于转速差较大 就会产生发电制动问题 在 这里有必要介绍一下交流电动机四个象限的运行问题 如图3 5 所示 1 7 北京工业大学工学硕士学位论文 2 重 力 方 向 3 喜土p q 丁臼 曾臼4 图3 5 提升机械四象限运行 f i g3 5m i i l eh o i s tf o u r q u a d r a n to p e r a t i o n 在第一和第三象限电机处于电动状态 而在第二和第四象限电机处于发电状 态 在这时对于变频器而言 如果输出频率降低电机转速下降 产生制动再生能 源将返回变频器 这是需要制动电阻 制动单元或是功率再生变换器 3 3 2 变频器直流制动 当电机接近停止位时 变频器还要提供直流制动电流与抱闸和断电同时工作 保证电机在预定位置停车 所谓 直流制动 一般是指当变频器输出功率接近 于零时电机处于能耗制动状态 转子切割静止磁场而产生制动转矩的过程 使电 机迅速停止啪1 目前 由于没有引进变频器 大部分矿用企业使用直流制动柜来提供电机所 需的直流制动电流 当电机即将停止时通过控制系统控制主回路断开 同时施加 直流制动信号 来保证电机安全停稳在预定位置 在变频器中可以通过参数的设置来完成直流制动功能 还可以设置制动电流 的大小 施加直流制动的时间以及直流制动的开始频率等 这样不但可以通过变 频器来实现直流制动柜的功能 而且大大提升了直流制动性能 保证提升机安全 避免发生过卷和二次开车等问题同时减小设备的复杂程度 减少不必要的故障 节省空间 第三章变频调速方案设计 3 4 变频器设备选型 变频器的选型必须适合实际驱动设备的需要 而且在使用之前要根据需求设 置变频器的运行参数 目前变频器的种类越来越多 通常选择变频器要注意两个方面 一是变频器 的型号 二是变频器的容量 选用变频器时要注意通用型和工程型 通用型一般采用闭环控制方式 动态 响应较慢 在电动机高速运转时可满足设备恒功率运行 但在低速时难以保证恒 功率运行 从电压等级看可分为高压变频器和低压变频器 从适用具体被驱动设 备类型分为工程型和通用行在实践中根据负载转矩特性不同 可以将生产机械设 备分为以下三种 1 恒转矩负载

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