大型带式输送系统启动方法的设计.doc

本科毕业论文（设计、创作）题目： 大型带式输送系统启动方法的设计 学生姓名： xxx 学号： xxxxxx 所在院系： 信息与通信技术系 专业： 电气工程及其自动化 入学时间： 2010 年 09 月 导师姓名： xxx 职称/学位： xxxx/xxx 导师所在单位： xxxxxxxxxxxxx完成时间： 2014 年 5 月安徽三联学院教务处 制大型带式输送系统启动方法的设计摘要: 随着经济技术的发展我国对于大运量、长距离、功率大、速度快的物料输送的需求越来越大，而带式输送机不仅具有长距离、大运量、运输连续等特点，而且运行可靠，容易实现自动化集中控制。故长距离、高带速、大运量带式输送机越来越多地应用于实际生产中。当启动输送机时，会因为加速度由大降到最小的突变而引发黏弹性变形，对机器部件形成的瞬间冲击，甚至破坏整个带式输送机。因此合理的选择起动装置实现正确的软启动方式不仅可以改善输送机的启动性能，还可以大大延长机器的使用寿命，同时减少启动时电网产生的冲击。本文对各类启动方式进行研究、作出对比，并设计实现了针对大型带式输送系统的变频软启动方案。关键词：启动； 带式输送机； 变频器软启动 Design of large belt conveyor system startup methodsAbstract: With the development of Chinas Economic & Technological ,the demand of material transport for large-capacity, long-distance, high power and fast conveying is more and more, while not only have characteristics of the belt conveyor long-distance, large capacity continuously transported and reliably running, easy to automation control. Therefore, it is more and more used in actual production.When starting the conveyor, it is caused viscoelastic deformation, because the acceleration has reduced to a minimum mutation, which formed the instant impact into parts of machine, even destroy the whole belt conveyor. Therefore, choosing a correct starter that realizes soft start mode not only can improve the conveyor, also can greatly extend the life of machine, while reducing the impact resulting when starting grid. In this article, I make the comparison of various start mode, while designing approaches for soft start of variable frequency of the large belt conveyor system.当启动大型带式输送机时，会因为加速度突然由大降到最小而引发的黏弹性变形，形成对机器部件的瞬间冲击力，甚至会毁坏整个带式输送机。因此合理的选择起动装置选择正确的软启动方式不仅可以改善输送机的启动性能，还能延长机器的寿命，减少启动时过大电流对电网的冲击。Key word：Start; Belt conveyor; frequency converter soft starter目录第一章 绪 论11.1 带式输送机的简介11.1.1 带式输送机的工作原理11.1.2 带式输送机的发展及趋势11.2 大型带式输送机软启动的技术关键21.3 常见软启动方式21.4 课题研究内容及意义2第二章 带式输送机的软启动方法32.1 常用的软启动方法32.2 各软启动方法的性能比较7第三章 带式输送机的变频启动103.1 变频器简介103.1.1 变频器的工作原理113.1.2 MICROMASTER MM440变频器的结构123.2 变频器的三种控制方法143.3 PLC简介153.3.1 PLC组成153.3.2 S7-200的工作原理163.3.3 S7-200硬件简化框图17第四章 带式输送机的启动方法194.1 PLC控制变频器电气原理图194.1.1 PLC控制结构框图194.1.2 电气原理图204.2 PLC控制变频器软启动特性曲线204.3 PLC控制变频器软启动的程序梯形图21第五章 结论27致谢28参考文献29第一章 绪 论1.1 带式输送机的简介1.1.1 带式输送机的工作原理带式输送机其皮带是绕过头、尾滚筒的由上托辊、下托辊作为承载装置以及牵引装置的形成封闭环路的一种带式输送机器，动力的传递是借助于驱动装置和运输带之间产生的摩擦力，从而完成材料输送。带式输送机主要组成如图1-1所示。图1.1 带式输送机简图1.1.2 带式输送机的发展及趋势发明后经过200多年发展的带式输送机，现在已广泛应用于煤炭、化工、矿山等行业，尤其是在新技术和新材料的采用中，第三次工业革命后，带式输送机的发展进入了一个新的篇章。如今，在输送量方面，距离测度，经济效益，它已可以同火车、汽车运输相当，已是国民经济中不可缺少的关键性设备。因为市场的不断发展，因此要求带式输送机朝运输能力大、装卸方便、可靠性和自动化程度高等方向发展，而带式输送机对于产品质量、安全可靠性以及性能，也提出了更高的要求。1.2 大型带式输送机软启动的技术关键 输送机的良好启动方法会对启动性能产生影响，将会极大降低大型带式输送机的功率消耗，降低初期投资和后期运行成本，结合这些问题，在大型带式输送机的实际应用上，启动装置来实现的几项技术指标如下：1、 在一个范围内有效调整启动时间实现平稳满载启动；2、 输送机带载起动时具有足够大的起动转矩可以启动；3、 合理的、且足够小加速度，从而减少各输送机部件接受的冲击力；4、 电动机起动时对电网的冲击小，最好能使电动机无载起动；5、 应具有良好的质量、可控性、安全性。1.3 常见软启动方式软起动起动电流小，起动转速稳定可靠，对电网冲击小，起动曲线可根据实际工况调节，从而减少起动时对装置的影响，降低对设备的损害，延长了设备使用寿命。主要是降低了起动电压与电流。主要软启动方式：1. BOSS系统软启动；2. 液力调速装置软启动；3. CST软启动；4. 变频调速装置软启动；5. 液体粘性传动装置软启动；6. 交流电机软启动器。1.4 课题研究内容及意义本文主要针对大型带式输送机启动时，产生的一系列问题，而选择合适起动装置和选择合适的软启动方式以改善输送机的启动性能，延长带式输送机的寿命，减少对电网的冲击。启动机的合理选择将给企业带来巨大的经济效益。带式输送机初期需要投入资金较大,运行的费用较高，合理选取启动方式对节约工程投入资金、降低运营成本、延长机器使用寿命、减少启动对电网冲击极为重要。因此本文研究内容是选择合理的起动装置并实现正确的软启动方式。 第二章 带式输送机的软启动方法 多数电气设备在实际应用中是采用比较方便维护以及操作、起动时间短、常用系统接线较为简单而且直接的起动方式。但是直接起动的可控性、安全性都不高，还存在很大局限性: (1)启动电机的电流瞬时值一般是运行时电流的4至7倍，瞬时电流过大会造成电压突然下降导致电网受到冲击，对其他电气设备造成影响。 (2)瞬时启动电流过大导致电机线圈过热，绝缘老化，也可能会烧毁电机，影响电动机的使用寿命。 (3)直接起动的电机在起动时，其电气系统的突变易导致对机械系统造成冲击。 因此，输送机良好的启动方式，对输送带的运行性能有直接影响，而且还影响资本投入，所以它有控制的必要。而软起动起动电流小，起动转速稳定可靠，对电网冲击小，起动曲线可根据实际工况调节，从而减少起动时对装置的影响，降低对设备的损害，延长了设备使用寿命。能很好解决直接启动中的问题，符合输送机的启动要求。2.1 常用的软启动方法 国内外文献认为目前比较常用的软启动设备是：各种交流变频调速装置、液体粘性传动装置、液力调速装置、电机软启动装置、BOSS系统以及CST等。 1. 液力调速装置 图2.1 调速型液力耦合器装置如图2.1是调速型液力耦合器装置，液力耦合器、电动执行器、供油泵、油箱传感器等组成液力调速装置。电机驱动泵轮转动带动工作油，变成压力高、速度快的工作油液流，冲击使涡轮机叶片旋转，输出轴和涡轮连接把油的动能和势能转换变成机械能并输出出去，带动工作机械工作，如此循环，而实现功的传递。2. CST图 2.2 CST结构示意装置图2.2CST结构示意装置，是由美国道奇公司研究制造的一种可控软起、制动的新式机电一体化装置CST液体黏性调速器。湿式离合器、多级行星齿轮减速器、液压控制装置和润滑冷却构成CST液体黏性调速器，是输出级降速驱动器。启动时，离合器液压缸不加压，输出轴和行星架不转而行星轮自转，而达到无载启动。达到一定转速后，通过液压系统向离合器加压，实现带动负载启动。3. 交流电机软启动器 图 2.3 软启动器的原理 实际上，如图2.3是软启动器是一种触发角可以变化的晶闸管并使调整电压电路输出产生电压改变的交流调压器。从而使得该软启动器启动电机过程平滑升压，最后在晶闸管完全导通状态下时的电压下工作。现在软启动器大多采用接入电源以及电动机定子中间的晶闸管作为调节器，三相桥式全控整流电路是一种典型的电路。4. BOSS系统的工作原理 基于牛顿流体摩擦力学原理。液体粘性软启动装置的BOSS液体粘性软启动系统是其核心组成部分，属于电机和减速器之间驱动负载的转动大功率的装置。按照牛顿内摩擦定理，里面的液粘软启动设备负荷量的大小不同时，应当选取十几组不同的内摩擦片和对偶摩擦片，由输入轴与齿相连，输出轴与键轴相连。通过掌握剪切不同的油膜厚度，从而完成该启动设备限制输出转矩以及电动机软启动的目。5. 液体粘性传动装置的工作原理图 2.4 液体粘性软启动装置图2.4是液体粘性软启动装置简单结构图，该启动设备传递转矩的方式是通过油膜不同的剪切力也就是液体的粘性。主要结构为传动轴、摩擦片、密封件、弹簧、控制油缸及壳体等。带式输送机的调速是通过主动摩擦片旋转时，控制油缸中的油压大小改变摩擦片中间油膜的厚薄，从而改变输出的转速和转矩的大小来实现的。 O转矩T 6.变频调速的工作原理图2.5是交-直-交变频器的主电路，是由整流器、滤波器及逆变器组成的。用电力半导体元件的通断功能将进入功率器件的交流电源的频率改变的电能控制设备就是变频器。组成交-直-交三相变频器原理,逆变电子元件根据v1，v2，v3，v4，v5，v6，v1的顺序开启时为正相序的工作；逆变电子元件根据v6，v5，v4，v3，v2，v1，v6的顺序开启时为负序工作。根据公式计算N = 60F / P（N为电机的速度，F交流电源频率，P电机极对数），我们可以看到电机速度的变化是遵循交流电源的频率变化的。因此只要改变电子元件的导通周期 T和电子元件的导通时间就可分别得到所需的交流变频电源频率和交流变频电源电压。图2.6是变频驱动三相电动机的特征曲线。 f1f2f3f1f2 f3图 2.6 变频驱动的三相异步电动机启动时的特征曲线2.2 各软启动方法的性能比较 上节简述了各软启动的工作原理，下面就每种方法进行运行性能比较，从而更好的得知哪种方法适应各场合的带式输送机启动。 1.调速型液力耦合器 优点: 能实现满载起动；启动加速度在 0.1m/s0.3 m/s之内，使输送带起动张力控制在允许范围内；它可以利用其峰值转矩作启动转矩使鼠笼式电动机空载起动，又可以减少启动时间提高起动能力，以便使电机超前输送机启动，输送带可以缓慢起动；有简单的可靠高的构造，机械磨损小，寿命长，运行费用低，输送机自控以及遥控和实现较为容易；易于掌握其操作和维护工作，备件方便。缺点：旋转磁场和转子速度差在平常工作中能达到3%到5%，效率较为低下；占用空间和发热量都很大；软起动性能较液粘性稍差，液力偶合器在不一样功率下的主体零部件基本不能通用，导致使用和维修护理难度大。 2.CST 优点：当输入功率和扭矩超过安全限制的带式输送机，输送带自动过载停机问题可以通过CST装置解决，具有保护功能；CST平稳启动，能在较低的转矩及加速度状态下启动,胶带所遭受的应力冲击得以消除；CST可以单台使用，也能实现多台电机同时使用，启动对电网的冲击较小，同时启停带式输送机也很方便。 缺点：在启动时会产生很大热量，机械能损耗较大，导致工作效率低下；液压控制系统是极其复杂的，润滑液的质量一定要非常高；CST装置器体积大，而且设备较贵，维护安装复杂；在高速轴上需要配置价格昂贵逆止器、制动器，逆止器、制动器配置较难，要靠进口主要备件。3.交流电机软启动 优点：由于体积小，适合于空间较小的项目中使用；高压设备的价钱比交调速型偶合器高，但低压的价钱较低；操作简单方便，不需要特殊培训操作人员。 缺点：转矩负载恒定的电压和速度调控时，有较大差动功率损失，出现效率低情况；需要考虑谐波影响，增加20%30%的选用电机容量；开始时，会先有瞬间的全压起动，这时对输送机已形成瞬间冲击；由于降压起动，电动机低速时输出转矩不大，不能实现满载起动；空载时电动机不可以启动，没有无级调速功能以及平衡功率功能。 4.BOSS系统 优点：专门设计为重型带式输送机使用，可靠性高；系统保护功能齐全、安全性好，可实现功率平衡；可实现匀加速度、输出恒扭矩的平稳起动；可方便、灵活的与制动器、逆止器配置。 缺点：在软启动电机过程当中会产生很多热，机械能损耗较大，导致传动功效低；不能实现无级调速；为达成多驱动功率的均衡必需承担磨损摩擦片的成本，且磨损过程发热量较大；对离合器片在高速运动中精确控制不容易实现；设备价格很贵，主要设备零件要靠进口。 5.液体粘性软启动 优点：电动机启动为空载起动，对电气和机械的冲击减小；装置可使转矩是调动平滑、无冲击；与电动机存在杰出的匹配性质，良好使用电动机的大转矩；可以相互平衡多电动机之间驱动功率；实现自动过载保护功能，传动效率较高，功率损耗小。 缺点：该装置需要一个液压站因此耗能高、其对液压油要求也比较高；由于整机液压系统复杂安装、维护、调节都有较大难度，需专业技术人员。6.变频调速 优点:对于如此大功率的带式输送机来说，变频调速装置技术更加先进，设备完善，控制非常可靠；应用变频调速装置的大型带式输送机的速度调节的范围更加的宽广，可以最大限度地满足不同客户的要求；对于大型带式输送机的软启动和软制动，变频调速装置表现的性能更加优越；变频调速装置可以满足带式输送机的长距离的运输要求，保证带式输送机低于额定速度长时间的运行。缺点：由于温度、清洁度高的要求，维护要求高，所以操作复杂；需要专门的培训操作人员；防爆产品价格较贵而且需要进口。综合比较，变频调速装置是由PLC控制器、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）、变频器控制、整流二极管、触摸屏、散热器等组成，是一项最有发展前途的代表了传动的发展方向的比较先进的交流调速调速方式。随着信息技术的发展，变频调速装置会慢慢具备直流电机调速的所有的优异特点，并且完全有可能成为软启动性能最好的大型带式输送机的启动方式。因此本文选择变频调速装置作文启动装置。第三章 带式输送机的变频启动变频器英文名称VFD（Variable-Frequency Drive），是将交流电由特定频率、电压变更为电压、频率都是连续调节的装置，控制异步电动机的速度是其主要用途，电动机与变频器之间的连接框图如图3.1所示。图3.1 变频器连接框图3.1 变频器简介VFD是一种电力控制设备，使用微电子以及变频技术用来转变电动机输入的电源频率来实现操纵交流电动机。里面IGBT的开关以改变VFD输出电源的频率以及电压，为达到调速、节能的目的可根据其所需要的实际电压提供电压给电机，另外，变频器具有多种保护功能，如过压、过载、过流保护等。VFD也跟着工业及科技的发展得到了更加普遍的使用。从构成来看，VFD能够分为两种：交交变频器（周波变换器）以及交-直-交变频器。先将特定频率的交流电转化成直流电，在把直流电经逆变器转化为可以调整频率的交流电的设备是交-直-交VFD。VFD逆变成环节方便控制，拥有调整频率范围的优点和改善其电气特性方面的优点。其组成方框图如图3.2所示： 图 3.2 交直交连接框图电流源型和电压源型是根据直流环节的储能方式差别来分的VFD，两种的差别在于当中环节直流电源性质不同。由逆变器和整流器及中间电路组成交-直-交变频器，变频器的控制是通过U/F控制，V/C和直接转矩控制的3种方式。3.1.1 变频器的工作原理 综合比较我们采用交直交电压型，主回路由整流、滤波及逆变器组成的变频器，如图3.3所示。图 3.3 变频器主电路图 1.整流器（交-直） 三相电源整流电路可以将三项交流电变成脉动直流电，它是由Vd1Vd6几个二极管组成。而Vd1Vd6一般用具有较大耗散功率的二极管。 2.中间电路 中间电路分为滤波电路，限流电路和制动电路3部分。 a)滤波电路 由电源整流电路所提供的脉动的直流电必须加以滤波。其中主要作用是滤波电容Cf对整流电源实行滤波，另外它也起解除互相干扰的去耦功能在整流器和逆变器中间。 b)限流电路 由于滤波电容CF在整流电路中充电时会在通电源时产生非常大电流，可能形成对电网的干扰，影响系统的其他装置正常工作。在电路开始接通电源的这一过程中为了减小其充电电流，电路将Rl串联入作为限流电阻，而后在滤波电容 CF进行一会充电后将Rl短接。 c)制动电路 制动控制管Vb和制动电阻RB组成了制动电路。电动机减速再生制动状态下，会看到直流电路中的能量将使电压UD不停变大，还能导致危险。因此用制动电阻RB把这部分能量消耗掉。制动控制管Vb，用于限制流经 Rb的放电电流，大多由驱动的电路和IGBT(或GTR)组成。 3.逆变器（直-交） 变频器的核心部分是将直流变成交流的逆变器。逆变器一般由逆变桥、缓冲电路和续流电路组成。 交流-直流-交流三相变频器的构成原理，逆变电子元件根据V1，V2，V3，V4，V5，V6，V1的次序依次开启时为正相序的工作；逆变电子元件根据V6，V5，V4，V3，V2，V1，V6的次序依次开启时为负序工作。只要电子元件的导通周期 T和电子元件的导通时间发生变化可以分别获得想要的交变电源的频率和交变电源的电压。3.1.2 MICROMASTER MM440变频器的结构MM440变频器所组成变频数字化调速系统的是由主电路、控制电路、显示电路、保护电路、检测电路等组成。MM440电气系统的主电路和控制电路构成如图3.4。 1.主电路端口作用 外部交流电源接到VFD主电路L1、L2、L3 端上，接入主电路的是380V的AC电源；U、V、W为变频器输出电压，分别接在三相异步电动机的定子绕组上。 2.控制电路端口 a)端口1、2为用户提供了+10V高精度的直流电压，可作为外部给定信号。 b)端口3、4和10、11为用户提供了两组给定模拟电压输入端作为给定频率信号经内部模数转换器，将模拟信号转换成数字信号，传输给CPU进而控制系统。 c)端口5、6、7、8、16、17提供了完全可编程的6个数字输入端，数字信号进入CPU需要通过光耦隔离输入，对电动机进行正反转、正反向点动、固定频率设置控制等。 d)端口9、38是为24V直流电源端，为变频器的控制电路提供直流电源。 e)端口12、13和端口26、27为两对模拟输出端。 f)端口18、19、20、21、22、23、24、25为输出继电器端。 g)端口14、15为防止过热输入端。 h)端口29，30为USS通信端口。图 3.4 MM440结构图3.2 变频器的三种控制方法 方法一：通过 PLC的模拟口连接变频器的模拟口ain1+和ain1，来实现控制；有两种实现方式，电压或电流，模拟信号输入后通过 a/d转换器得到数字信号，这样通过 PLC模拟控制的可以实现无级调速，见图3.5。图 3.5模拟调速 方法二：VFD自身来控制，VFD具有多道速设置功能端子，可以通过面板设置对应功能，可利用关断与打开PLC输出端子的组合使电机在不同速度下转动。但其不能实现无级调速。 方法三：通过上位机，如利用USS通讯指令或组态王来实现变频调速。能够完成速度平滑改变的无级变速，而且速度可以精确控制，有较好适的应性，但是其抗干扰性能较差，响应有延时，见图 3.6。图 3.6基于 RS-485的变频调速系统我们利用通过设置VFD参数的PLC的模拟口连接VFD的方法来启动电机。首先确定模拟量的类型:VFD的 DIP开关1和2在OFF位置时对应电压输入信号，VFD的 DIP开关1和2在ON位置对应电流输入信号；硬件设置完成,还需要将参数 P0756实行设定模拟量的类型；假如电流输入 4至20MA作为给定话，应做以下设置：现场使用的仪器通常输出是 4-20MA,如果VFD的频率以此信号为给输入信号，输入频率误差将会显现。缺省设定的VFD为0至20MA对应0至50HZ,因为想让0至50HZ分别对应4-20MA，不妨设定如表1所示: 表 1需设定参数设定值P07562P07574P07580P075920P0760100%电压Off电流On3.3 PLC简介3.3.1 PLC组成PLC是开发作为使用在工业特定环境下的控制型计算机，其主要由中央处理器、存储器、输入/输出端口、供电模块、接口以及外围设备构成。1.中央处理器 CPU主要是集成在同一芯片上的运算、控制、寄存器及地址总线、控制总线、数据总线与I/O接口构成，同时也包括外围芯片及有关电路。2.存储器内部存放由厂家编写的用户不可以改变的系统软件的存储器称为系统软件存储器。用户软件存储器是寄存利用PLC编程然间编写出来的用户应用软件的存储器。3.输入/输出单元 输入和输出部份是作为电气回路和PLC之间的通讯端口。将外面输入的开关类型信号变换为为数字类型信号导入到PLC的是输入端口，将输出的数字电路的信号转化为一个使负载动作或者不动作的是输出端口。4.电源模块 为PLC工作时提供所需要的工作电源。而电源模块有时也供给工作电源（24V）给输入电路使用。5.接口部分 接口单元被分为扩展接口、程序员接口、存储器接口、通信接口。主要用于扩展输入输出单元使控制规模可以灵活配置。6.外部设备 主要有编程器、显示器、打印机等设备构成，帮助人们更加方便快捷的完成PLC的操作及运行结果的观察。3.3.2 S7-200的工作原理各种PLC都采用扫描工作方式，具体工作过程基本相同。一般工作过程有：一，上电的处理过程，二，扫描的过程，三，错误的处理过程。 运行PLC时，一般分为输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段的工作过程。三个阶段称为一个扫描周期。CPU按照特定的扫描速率在PLC运转的期间反复进行一个扫描周期。 图3.7 为PLC运行框图： 图3.7 PLC运行框图3.3.3 S7-200硬件简化框图 简化S7-200硬件系统框图如图3.8所示：图3.8 简化S7-200硬件系统框图第四章 带式输送机的启动方法 在前三章的基础上，以西门子S7-200控制西门子变频器MM440可以实现带式输送机的选用软启动。通过学习控制理论，使闭环系统可以在带式输送机启动中自检，防止了机械冲击的同时带式输送机的电动机软启动，大大延长可用时间。4.1 PLC控制变频器电气原理图4.1.1 PLC控制结构框图图4.1为带式输送机启动示意图。图 4.1 带式输送机的启动示意图4.1.2 电气原理图图 4.2 PLC与变频器连接图4.2是PLC与变频器连接电气原理图。采用PLC的模拟输出口控制变频器的模拟口，这样可以实现无级调速的同时，又可以相对面板控制而无法实现的启动时间的随动改变。4.2 PLC控制变频器软启动特性曲线图4.3和图4.4分别为速度时间图、加速度时间图。图4.3 变频器软启动S型曲线图图4.4 S型曲线加速度图4.3 PLC控制变频器软启动的程序梯形图结合PLC编程，则文中所使用控制变频器软启动程序的梯形图如图4.5至图4.16所示：图4.5 网络1图4.6 网络1图4.7 网络1图4.8 网络2图 4.9 网络3图4.10