电牵引采煤机牵引部电气控制系统设计

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DESIGNOFTRACTIONELECTRICALCONTROLSYSTEMFORELECTRICTRACTIONSHEARER毕业设计共52页（其中外文文献及译文11页）图纸共1张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月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MG300/700WD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ABSTRACTCOALMININGMACHINEISONEOFTHEIMPORTANTEQUIPMENTFORCOALMINEPRODUCTIONMECHANIZATIONANDMODERNIZATIONTHEDEVELOPMENTOFTHETRACTIONTECHNOLOGYOFTHESHEARERISDRIVENBYTHECHAINTOTHECHAINWITHOUTTRACTION,ANDTHENTHETRACTIONOFTHEHYDRAULICTRACTIONISDEVELOPEDFROMTHEHYDRAULICTRACTIONTOTHEELECTRICTRACTIONASTHEELECTRICTRACTIONSHEARERHASMOREADVANTAGES,SOTHEMAINCOALMININGCOUNTRIESINTHEWORLDHAVEDEVELOPEDAVARIETYOFELECTRICTRACTIONSHEARERTHEREARETWOWAYSOFTRACTIONFORTRACTIONANDACTRACTIONINTHETRACTIONOFCOALMININGMACHINETRACTIONISCOALMININGINSTITUTIONSISANIMPORTANTPART,SHEARERHAULAGEUNITNOTONLYCHARGEDWITHTHEMOBILEMININGMACHINE,WORKINGMECHANISMCONTINUOUSFALLINGCOALORADJUSTMENTOFTHEMACHINE,ANDTRACTIONSPEEDDIRECTLYAFFECTSTHESIZEOFTHEEFFICIENCYANDQUALITYOFTHEWORKINGMECHANISM,ANDEXERTAGREATINFLUENCEONTHEWHOLEMACHINEPRODUCTIONCAPACITYANDPERFORMANCEOF,SYSTEMRELIABILITYOFTRACTIONDETERMINESTHEQUALITYOFCOALMININGMACHINEANDTHEEFFECTOFUSINGTHETOPICOFDESIGNFORACTRACTIONSHEARERELECTRICALCONTROLSYSTEMDESIGN,HASMG300/700WDTRACTIONSHEARERASTHEBACKGROUND,THROUGHTHEMECHANISMTYPESELECTIONOFTRACTION,TRACTIONMOTORMODELDETERMINEDCHOICEOFTHECONVERTER,MAINCONTROLLERDESIGNSELECTIONANDCONTROLSOFTWAREPROGRAMDESIGN,ANDULTIMATELYSHEARERTRACTIONCONTROLSYSTEMKEYWORDSCOALMININGMACHINEELECTRICALCONTROLSYSTEMFREQUENCYCONVERSIONSPEEDCONTROL目录1绪论111采煤机概述112国内外电牵引采煤机研究现况1121国外研究现况1122国内研究现况213采煤机的组成及工作原理314设计意义52采煤机牵引部介绍621采煤机牵引部概述622电牵引的优越性723采煤机行走机构的选择83采煤机牵引部电气设备1131牵引电动机选择及其特性11311牵引电动机型号确定11312电动机的结构特征12313牵引电动机的机械特性12314三相异步电动机的启动特性14315三相异步电动机的制动特性16316三相异步电动机的调速性能1932变频器的选型设计19321变频器的工作原理19322变频器的选择2133牵引变压器的选择234电气控制系统总体设计与PLC硬件选型2441采煤机电气控制系统功能设计2442主控器设计2543FPGC32TPLC简介2644PLC硬件设计2745变频器IO端子定义2946变频器设置3047人机界面的设计315PLC软件程序设计3251牵引启动3252牵引停止3353向左运行时加减速3454向右运行加减速3555减速到0时停牵引366故障分析377结论38致谢39参考文献40附录A41附录B471绪论11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。12国内外电牵引采煤机研究现况121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LONGAIRDOX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。122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1525M/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10001200MM，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1015MPA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。（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。13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11为MG300/700WD型电牵引采煤机的总体结构图。图11MG300/700WD电牵引采煤机总体结构图FIG11MG300/700WDTRACTIONSHEAREROVERALLSTRUCTUREDIAGRAM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，实现采煤机各部件的冷却、外喷雾及滚筒的内喷雾等功能。MG300/700WD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KN740/438牵引速度（M/MIN）079，097牵引方式齿轮销轨机器总重量（KG）4500014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MG300/700WD型采煤机为例，设计了其牵引部电气控制系统。2采煤机牵引部介绍21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。22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09以上，而液压牵引一般在065070，（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5060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1020S。（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。23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6001000KN，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21），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21齿轮销轨式无链牵引机构FIG21GEARPINRAILTYPECHAINTRACTIONMECHANISM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（6001000KW）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。牵引机构传动系统牵引机构传动系统如图22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I3024图22牵引机构传动系统图FIG22TRACTIONMECHANISMDRIVESYSTEMDIAGRAM3采煤机牵引部电气设备31牵引电动机选择及其特性311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，MT484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22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55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TPYN1YN2F（GCOSFN1FN2FX1FX2）GSIN（31）K1GFG（COSK22K3SIN）式中，F摩擦系数，平均可取018；工作面倾角，（）40；G采煤机自重，（KN）由MG300/700WD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（YN1YN2）/G,可取K10608。取07；K2估算系数，K2（FN1FN2）/G，可取K2002。取01；K3侧面导向反力对牵引阻力影响系数，可取K3015021。取018；TP07441018441（COS40012018SIN40）3799为了确保安全，通常将TP再乘上一个安全系数K。K12125，取12TPKTP12379945588KN则PTPV45588KN97M/MIN737KW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YBCS40。YBCS40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COS085效率89312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GB383612010爆炸性气体环境用电气设备第1部分通用要求和GB383622010爆炸性气体环境用电气设备第2部分隔爆型“D”、MT/T4762011YBC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EXDIMB。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040之间，空气相对湿度不大于953（在25时），含有甲烷爆炸性气体混合物的矿井中安全使用。313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21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31异步电动机的固有机械特性FIG31THEINHERENTMECHANICALPROPERTIESOFASYNCHRONOUSMOTOR1）T0,NN0（S0）为电动机的理想空载工作点，此时电动机的转速为N01500R/MIN。2）TTN,NNN1470R/MINSSN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（3M26014759NNPTN2）（302150NSNN3）3）TTST，N0（S1），为电动机的启动工作点。其计算公式为34202STXRUKT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（35）NTSTT作为衡量异步电动机能力的一个重要数据，一般ST1012。因此M28601STTN4）TTMAX,NNM（SSM），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（36）NTMAX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M2022，供起重机械和冶金机械用的YZ和YZR型绕线异步电动机的M2530M572602AXNTN结合公式37得IN/1380NMRS在实际应用中，用公式37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。37STMAX2314三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，IST57IN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,TST0815TN启动时S1，转子功率因数很低，因而启动转矩TST也不大。显202COSXR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32所示图32异步电动机固有启动特性FIG32INTRINSICSTARTUPOFASYNCHRONOUSMOTOR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33所示。图33异步电动机启动过程与电流冲击的关系曲线FIG33THERELATIONSHIPCURVEOFTHESTARTINGPROCESSOFASYNCHRONOUSMOTORANDCURRENTIMPACT315三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，此时的电机将机械能转变成电能回馈给电网。如图34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35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34反馈制动机械特性FIG34FEEDBACKBRAKINGMECHANICALPROPERTIES2）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34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。图35反接制动机械特性FIG35ANTIBRAKEMECHANICALPROPERTIESB倒拉制动如图36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36倒拉制动机械特性FIG36PULLBRAKEMECHANICALPROPERTIES3）能耗制动电机在正常运行中（如图36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37中可以看出，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37能耗制动电路原理图和机械特性FIG37ENERGYCONSUMPTIONBRAKECIRCUITSCHEMATICANDMECHANICALPROPERTIES316三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38所示。其中F5F6F1NF1F2F3F4。图38三相异步电动机变频调速机械特性FIGURE38FREQUENCYSPEEDMECHANICALCHARACTERISTICSOFTHREEPHASEASYNCHRONOUSMOTOR32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。321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39所示图39变频器的基本构成电路FIG39INVERTERBASICCOMPONENTCIRCUIT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。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310所示图310变频器主电路原理图FIG310CONVERTERMAINCIRCUITDIAGRAM322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FMAX438KN，采煤机行走轮所需转矩TFMIND行走轮43800003131400NM电动机需提供力矩（38）M321740321NIT由式和得N950PTPF6（39）TPP6095F将T121737NM代入公式39得HZ658321760495F1B当采煤机低速运行时；采煤机牵引力FMAXKN，采煤机行走轮所需转矩TFMAXD行走轮74000003222000NM电动机需提供力矩M1367402FMAX2NIT将T23671NM代入公式39得HZ695F1因此，变频器的调频范围需包括347HZ586HZ。2）变频器容量的选择变频器的容量可按下式近似计算（3COSNCKP10）（3NCIK11）式中PN负载所要求的电动机的轴输出额定功率，PN40KW；电动机额定负载时的效率，取085；COS电动机额定负载时的额定因数，COS075；IN电动机的额定电流（有效值）（A），IN77A；K电流波形的修正系数，K11；PCN变压器的额定容量（KVA）；ICN变压器的额定输出电流（A）；计算得PN1140/08507569KVAICN1177847A根据变频器额定容量和额定输出电流选用ABB公司生产ACS60080变频器。额定容量为80KVA，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0HZ70HZ，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1202分钟；1503秒。3）变频器特点概述ABB公司ACS400600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。它能方便地通过接口和计算机以及具有标准通讯接口的设备如PLC进行数据通讯，是较为先进的变频装置。4）变频器电气接线采煤机牵引部采用二台三相异步电机，电压等级380V，功率40KW，采用一拖一的控制方式，即一台变频器带一台电机，2台变频器型号完全相同分为主、从变频器。主变频器设置为速度给定，从变频器设置为转矩给定。主变频器由PLC给出速度给定；从变频器以主变频器的转矩输出作为其转矩给定。即主变频器由速度和转矩环控制，从变频器由转矩环控制。从变频器跟随主变频器动作。变频器腔分为一个接线腔和一个隔爆腔。隔爆腔内放置有2台拆装后的变频器。由变压器腔传输来的380V电源经2条电缆分别经过快熔和交流接触器供电给2台变频器及整流回馈单元，由变频器输出电源经2条电缆分别供电给2台40KW交流牵引电机。33牵引变压器的选择由于采煤机的供电电源为1140V，而牵引变频器的输入电压为380V，所以隔爆腔内安装有一台供电变压器，用于将1140V电压变为380V，供2台ACS600变频器用；根据三相变压器容量选择公式有SN（3N2IU312）式中SN变压器额定功率；U2N变频器额定电压；I2N变频器额定电流；计算得SNA60KV938根据变频器容量，通过在互联网上查阅资料选择川势电气生产的SG70KVA型矿用水冷式整流变压器。4电气控制系统总体设计与PLC硬件选型41采煤机电气控制系统功能设计本电控系统的主要由主从变频器、可编程序控制器PLC、触摸屏、信号检测电路、牵引电动机等组成。采煤机电控系统框图如图31所示。图41采煤机电控系统框图FIG41DIAGRAMOFTHEELECTRONICCONTROLSYSTEMOFTHESHEARER本系统所能实现的功能如下A操作控制功能完成采煤机开启，牵引控制，急停等操作，通过端头站或遥控器实现。B工况监测、报警和保护功能牵引电机电流监测，牵引电机温度保护、变频器故障检测。C恒功率控制根据截割电机电流控制采煤机速度，当任一截割电机电流大于额定电流110时PLC自动执行牵引减速控制，有效防止截割电机超载停机。D参数设置和故障屏蔽通过端头站可对系统重要参数进行调整，对保护功能进行单项屏蔽。E应急切换通过应急开关屏蔽所有保护功能，进入应急状态。42主控器设计采煤机的主控器采用松下的FPGC32T型号的PLC，CPU本身有16路开关量输入和16路开关量输出，模拟量输入扩展两个FPOA80模块,DA输出采用FPOA21模块,共有18路AD输入和1路DA输出。为了提高抗干扰性能，所有的信号输入输出均采用隔离方式。操作站通信利AFPG806模块，外加隔离转换电路，将RS232转换为RS485通信方式与操作站进行通信，通信方式为主从方式，PLC为主，操作站为从。PLC每200MS向RS485总线发一次数据，数据带地址符和数据,左右两个操作站接收数据后将待显示的数据存放在显示缓冲区，再根据地址符决定自己是否应答，应答数据为操作站的按键指令。集中显示器可用任何型号的一体化显示器，只要内部具有松下PLC的通信协议即可，显示画面可利用厂家提供的组态软件进行设计。数据设置可用专用的红外键盘或鼠标。主控器的供电有两组，组供PLC及外部扩展模块使用，另一组供外部开关量及传感器使用。另外主控器箱内还有两组本质安全电源,一组为操作站供电,另一组给防爆腔外的传感器供电。主控器回路如图42所示图42主控器回路FIG42MASTERLOOP43FPGC32TPLC简介PANASONIC公司生产的的FPGC32TPLC属于是模块化的中小型PLC，它有品种繁多的CPU模块、信号模块和功能模块能满足各种领域的自动化控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时也很方便。FPGC32T主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块、电源模块和编程设备组成，不同的模块安装在机架上。通过CPU模块或通信模块上的通信接口，PLC被接到通信网络上，可以与计算机、其他PLC或其他设备通信。其主要特点有（1）存储容量大FPG体积小，功能强大，它拥有一个中型的PLC的所有功能。12K的编程容量已经成为FPG的一个典型特性。因此在编程时，你不必担心有剩余多少存储空间。另外，数据寄存器的容量为32K字，因此设备能够处理大量的数据的编译和重复操作。（2）全方位通信功能使用工具口（RS232C）是主机单元的又一典型特征，通过它主机能够与触摸屏或电脑实现通信。此外，我们还可选择带有RS232C和RS485接口的通信卡实现通信功能。安装一个双通道的RS232C型通讯卡，主机就能通过RS232口实现与两套外设的连接。全方位通讯功能意味着不仅能实现1N通讯，而且能实现PLC链接功能（最多达16站）。（3）一台FPG通过RS232口能控制