矿山机电设备论文.doc

矿井提升机 矿山机电设备论文 题目 矿井提升机 姓 名 曹晓亮 班 级 采矿 09 2 班 学 号 0926610202 指导教师 李国华 日期 2012 年 5 月 22 日 矿井提升机 摘摘要要 随着电力电子技术的发展 电动机的控制也得到了空前的发展 原 来以直流电机为主要控制对象的时代已经被取代 取而代之的是交流电 机 交流电机与直流电机相比有其天然的优势即 成本低 过载能力强 操作简单 易于控制等 但是交流电机又有自己一个明显的缺点就是不 易调速 为了解决交流电机不易调速的缺点研究人员经过长时间的研究 终于找到了比较好的解决方法 这就是变频调速 于是变频器便成了交 流电机控制中一个比较核心的部分 因为它的好坏直接关系整个控制系 统的性能 于是采用什么样的控制方案设计变频器便成了异步电动机调 速设计当中非常重要的问题 本文让我知道了矿用提升机的应用和发展前景 依据现有矿用设备 对整个矿用提升机系统进行了深入的研究 矿井提升机 目录目录 摘要摘要 I 1 绪论绪论 3 1 1 矿井提升机系统的概述 4 1 2 矿用高压变频器的发展 5 2 矿用提升机拖动方案选择矿用提升机拖动方案选择 9 2 1 拖动控制系统选型比较 10 2 2 提升机电控系统选型 11 3 变频器控制的研究及变频器的选型变频器控制的研究及变频器的选型 12 参考文献参考文献 14 矿井提升机 1 绪论 1 1 矿井提升机系统的概述 矿井提升机是矿山大型固定设备之一 是井下与地面的主要运输工 具 矿井提升机主要担负一个矿井所有的矿物 煤 矿石 提升 升降人 员 运输设备 下放材料等 根据提升机的工作种类或工作原理的不同 提升机有不同的分类 提升机按工作种类可分为 l 主井提升机 担负矿井生产矿物提升的主提升机 2 副井提升机 担负矿井人员 材料 设备等升降任务的提升机 按驱动方式可分为 1 直流提升机 2 交流提升机 直流提升机又分为 l 发电机组控制提升机 2 晶闸管调速提升机 交流提升机分为 1 TDK 系列串电阻柜调速提升机 2 串极调速提升机 3 变极调速提升机 4 变频调速提升机 各类提升机的工作原理和构造虽然差别很大 但它们都有一些共同 的不可缺少的部分组成 如图 1 1 所示 矿井提升机 电源系统 悬挂系统传动系统电力系统 制动装置 保护装置 控制装置 图 1 1 提升机组成框图 动力装置 主电机 传动系统 减速机 联轴器 滚筒 导向轮等 制动系统装置 制动器和液压传动装置 润滑冷却系统 润滑泵站及管路 悬挂装置 提升容器 箕斗或罐笼 钢丝绳 联轴器等 电源系统 主变压器 高压装置 低压装置等 控制系统 操作台 行程监控器 继电器柜 传动柜 保护系统 提供矿井提升机完善后备保护的系统 以上是关于矿用提升机的作用 类型和结构做了以下简单的介绍 接下来将简单的介绍一下矿用提升机的发展情况 目前国内矿用提升机一般都还是采用交流绕线式电机转子串电阻调 速控制系统 提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差 特别在负 载变动时很难实现恒减速控制 经常会造成过卷和过放事故 提升机频 繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗 转 子串电阻调速控制电路复杂 接触器 电阻器 线绕电机电刷等容易损 坏 影响生产效益 随着最近几年电力电子和现代控制技术的发展 交流电机越来越多 矿井提升机 的被用到现在工业当中 大有取代直流电机的趋势 变频调速系统应运 而生 并逐渐成为现代工业的宠儿 现在国内有些煤矿已经开始应用变 频技术来控制提升机并取得了很好的效果 随着现代数字电子的发展计 算机控制已经成为一种很成熟的控制技术它以它的节能和使用方便等诸 多优点成为了一种主流控制方式 于是以数字技术为基础的变频调速也 必将成为交流电机调速的一种趋势 现在我国也已经开始进行了数控化的开发研制 并逐渐应用到了提 升机里面 国内如大中专院校 企业院所正在做数字化提升机电控系统 的集成开发尝试 考虑当今数控技术的发展 紧密结合提升机控制工艺 的要求 我们认为当今先进的数字化提升机应具有以下特点 在驱动控制上 矿井提升机与直流拖动与交流拖动相比 调速性能 好 不需要附加其他拖动装置 随着驱动控制产品的成熟 完全能够实 现全数字化控制 大大提高了系统的可靠性与控制精度 在整个系统的配置上 应采用现在比较成熟的网络化设计 增加系 统的可靠性 减少了现场的工作量 减低的系统的整体成本 1 2 矿用高压变频器的发展 随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展 促进了电气 传动的技术革命 交流调速取代直流调速 计算机数字控制取代模拟控 制已成为发展趋势 交流电机变频调速是当今节约电能 改善生产工艺 流程 提高产品质量 以及改善运行环境的一种主要手段 变频调速以 其高频率 高功率因数 以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被 国内外认为最有前途的调速方式 以前的高压变频器 由可控硅整流 可控硅逆变等器件构成 缺点 很多 谐波大 对电网和电机都有影响 近年来 发展起来的一些新型 矿井提升机 器件将改变这一现状 如 IGBT IGCT SGCT 等 由它们构成的高压 变频器 性能优异 可以实现 PWM 逆变 甚至是 PWM 整流 不仅具 有谐波小 功率因数也有很大程度的提高 1 2 1 国产高压变频器的发展现状 目前 在国内有大量的低压变频器厂商 其大部分为 AC380V 的中 小功率产品 而在高压大功率变频器方面 却为数不多 能够研制 生 产 并提供服务的高压变频器厂商 仅有少数的具备科研能力或资金实 力的个别企业 国内仅有少部分的中 高压电机进行了变频调速改造 且普通采用 v f 控制方式 高压变频器的品种和性能还处于发展阶段 每年市场仍 需大量进口 这些状况主要表现在如下几个方面 l 国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场 并加快了本地化的步伐 2 具有研发能力和产业化规模的企业少 3 国产高压变频器的功率等级较低 目前不超过 3500kw 4 国内高压变频器的技术标准还有待规范 5 与高压变频器相配套的产业很不发达 6 生产工艺落后 面前满足变频器产品的技术要求 但价格低廉 7 变频器中使用的功率半导体 驱动电路 电解电容等关键部件完全 依赖进口 8 与发达国家的技术差距在缩小 具有自主知识产权的产品正应用在 国民经济中 9 己经研制出具有瞬时掉电再恢复 故障再恢复等功能的变频器 10 能够进行四象限运行的高压变频器尚在研究与开发中 矿井提升机 1 2 2 国外商压变颇器的发展现状 国外各大品牌的变频器生产商 均形成了系列化的产品 其控制系 统也已实现全数字化 几乎所有的产品均具有矢量控制功能 完善的工 艺水平也是国外品牌的一大特点 目前 在发达国家 只要有电机的场 合 就会同时有变频器的存在 其现阶段发展情况主要表现如下 l 技术开发起步早 并具有相当大的产业化规模 2 能够提供特大规模的变频器 目前已经超过 10000kw 3 变频调速产品的技术标准比较完备 4 与变频器相关的配套产业初具规模 5 能够生产变频器中的功率器件 如 IGBT IGCT SGCT 等 6 高压变频器在各个行业中被广泛应用 并取得了显著的经济效益 7 产品国际化 当地化加剧 8 新技术 新工艺层出不穷 并被大量的 快速的应用与产品中 目 前没有 10kv 产品 1 2 3 高压变频器的未来发展态势 交流变频调速技术是强弱电混合 机电一体的综合技术 既要处理 巨大电能的转换 整流 逆变 又要处理信息的收集 变换和传输 因 此它必定会分成功率和控制两大部分 前者要解决与高压大电流有关的 技术问题 后者要解决的软硬件控制问题 因此 未来高压变频调速技 术也将在这两方面得到发展 其主要表现为 1 高压变频器将朝着大功率 小型化 轻型化的方向发展 2 高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加 器件串联和单元串联 两个方向发展 3 更高电压 更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中 矿井提升机 4 现阶段 IGBT IGCT SGCT 仍将扮演着主要的角色 SCR GTO 将会退出变频器市场 5 无速度传感器的矢量控制 磁通控制和直接转矩控制等技术的应用 将趋于成熟 6 全面实现数字化和自动化 参数自设定技术 过程自优化技术 故障 自诊断技术 7 应用 32 位 MCU DSP 及 ASIC 等器件 实现变频器的高精度 多 功能 8 相关配套行业正朝着专业化 规模化发展 社会分工将更加明显 2 矿用提升机拖动方案选择 实现工业自动化控制可以用多种方式来实现 总体方案设计中选择 何种控制系统是关键的一环 它直接关系到投资成本 耗能 可靠性 安全性和应用效果 本系统的总体方案选型主要包括监控系统的选型和 拖动系统的选型 其中监控系统选型又包括操作站系统的选型和主控制 系统的选型 这里仅对主控系统的拖动方案选择 2 1 拖动控制系统选型比较 2 1 1 交流传动系统 交流传动系统泛指以各种交流电动机为控制对象的传动系统 一般 地说 交流传动比较简单 设备和安装费用低 建筑占地面积小 但电 气调速性能差 减速和爬行阶段需要附加拖动装置 1 串级调速在绕线转子异步电动机转子回路中引入外加电动势 以 矿井提升机 改变电动机运行转差率而获得不同转速 根据产生附加电势的方法不同 异步串级拖动可分为直流电机串级 离子串级以及可控硅直流串级 目 前广泛采用的是后者 该拖动方式具有效率较高 调速平滑 爬行段不 需附加其它设备和控制性能好等特点 它的缺点是功率因数低 颠覆力 矩降低约 17 线路较复杂 投资较高等 2 变频调速大型提升机采用变频调速取代传统的直流传动是近年来 的发展趋势 它克服了大功率直流电动机换向器的换向能力受限 设计 制造及维护困难和电动机体积庞大等问题 变频调速是利用异步电动机 的同步转速随频率变化的特性 通过改变异步电动机的频率进行调速的 方法 它有以下显著的优点 l 输出功率可以连续调节 可以实现电动机无级调速 2 功率因数高 利用效率高 节能效果显著 l 有发无功功率的能力 不消耗电网上的无功 2 稳压性能好 如设备在额定功率下运行 能保证电动机在额定电 压下 运行 从而避免了因电压高 低 对电机所造成的危害 3 在电动机的负荷低于额定功率时 它可以根据给定值来调整电动 机的输出功率 3 对电网电压波动有很大的适应能力 并能大大减少系统对电网的污 染 4 可调范围 频率可在 0Hz 400Hz 之间进行调节 宽 可以实现大范围 调速 并能保证很硬的输出特性 并且动态响应特性好 调速精度高 适用于各种压力 温度 速度 流量的控制 5 启动 停止平稳 极大地缓和了对电动机的冲击 使电动机能够平 稳地加速或减速 从而避免了骤然启动或骤然停止所造成的损害 大大 矿井提升机 延长了电动机及整套机组的使用寿命 除此之外 更兼其体积小 重量轻 通用性强的特点 因此 变频 调速技术越来越广泛的应用于工业生产领域 这将极大地提高工业生产 领域的自动化水平 从而可以实现增产节能的目的 2 1 2 直流传动系统 1 直流发电机一电动机传动方式控制直流发电机的励磁实现电动机 变电枢电压调速 均匀地调节励磁电流和极性 可方便地实现转速无级 调速和四象限运行 其缺点是设备和安装费用高 建筑占地面积大 发 电机组维护工作量大 2 晶闸管变流装置供电方式利用晶闸管变流装置组成的可逆系统是 一种可实现四象限运行 性能好的调速系统且效率高 可节能 维护工 作量小 在该系统下一般均采用以电枢电流反馈为内环和测速反馈为外 环的双环调节系统 可逆系统基本上采用有环流控制和无准备切换逻辑 无环流控制两种控制方式 2 2 提升机电控系统选型 在保证系统的可靠 安全和经济性的前提下 综合考虑上述各种方 案的优缺点 本系统各模块的选型方案如下 拖动控制系统 采用三相交流异步电动变频调速系统 以实现节能 稳定运行 另外 本系统的上位机系统 采用触摸式显示屏 以模拟画面形式 显示出绞车运行的各种状态 各种参数及各种控制元件工作状况 主控 制系统 采用完全独立的两套 PLC 系统进行过程实时监控实现安全回 路的双线制 在这 由于时间原因就不过多介绍此部分 矿井提升机 3 变颇器原理及选型 3 1 1 变颇器原理 变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的 变频器的工作原理是把市电 380V 50Hz 通过整流器变成平滑直流 然 后利用半导体器件 GTO GTR 或 IGBT 组成的三相逆变器 将直流电 变成可变电压和可变频率的交流电 由于采用微处理器编程的正弦脉宽 调制 SPWM 方法 使输出波形近似正弦波 用于驱动异步电机 实现 无级调速 通用变频器的基本结构原理如图 4 1 所示 由图 4 1 可见通 用变频器由功率主电路和控制电路及操作显示三部分组成 主电路包括 整流器 直流中间电路 逆变器及检测部分的传感器 图中未画出 直 流中间电路包括限流电路 滤波电路和制动电路以及电源再生电路等 控制电路主要由主控电路信号检测电路 保护电路控制电源和操作显示 接口电路等组成 高性能矢量型通用变频器由于采用了矢量控制方式 在进行矢量控制时需要进行大量的运算 其运算电路中往往还有一个以 数字信号处理器 DSP 为主的转矩计算用 CPU 及相应的磁通检测和调节 电路 3 1 2 模糊 PID 变频器系统原理 前面我们已经提到由于变频器的设计涉及到很多运算 同时它又对 系统的实时性要求比较严格 基于这些原因一般采用由 DSP 为核心的 变频系统 基于 DSP 的矢量控制调试系统由功率电路 控制系统及辅 助电路组成 功率电路由电压型的交 直 交变压变频结构 驱动电路 和交流电机组成 控制系统由 DSP 芯片为核心及其外围辅助电路组成 用来完成矢量控制核心算法 SVPWM 产生 转矩推算 相关电压电流 矿井提升机 的检测处理等功能 为了扩大使用范围 该系统设计时考虑了有速度传 感器的情况 辅助电路由辅助开关电源 光电编码器 滤波放大器和电 流互感器组成 以实现给系统提供多路直流电源 电机转速检测及放大 等功能 3 1 3 控制系统模型 控制系统采用转子磁场定向间接矢量控制方案 速度估算采用基于 电压和电流模型的模型参考自适应方法 其系统结构如图 4 14 所示 整个系统采用双闭环控制 转矩环和磁通环为内环 转速环为外环 为 了增强系统的鲁棒性 提高系统的静动态性能 减小系统开发 调试所 需的时间 构造了模糊 PID 自适应控制器 取代传统 PI 控制器 磁