连续采煤机电气控制系统设计

中文题目连续采煤机电气控制系统设计外文题目DESIGNOFELECTRICCONTROLSYSTEMOFCONTINUOUSMINER毕业设计（论文）共64页（其中外文文献及译文23页）图纸共1张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月摘要本设计以“连续采煤机电气控制系统”为选题背景，以美国久益（JOY）公司的12CM15型连续采煤机为例，对原有的连采机截割部电气控制系统进行改进，详细分析和设计了采用传感器对连采机各种参数进行采集，并通过PLC、触摸屏和组态软件对连采机进行检测和控制的基本原理和方法。通过传感器和保护元件对连采机的温度参数等各种参数的采集以及对连采机截割部电动机进行过载保护，结合通信技术，将信号以模拟量或开关量的形式传送至PLC，PLC通过对信号的处理，逻辑分析来对连采机进行启动、停止和故障处理，并通过现场的触摸屏和远程的上位机组态软件对连采机进行监控，以保证连采机的安全、稳定运行。本设计主要设计连续采煤机截割部电气控制系统。关键词连续采煤机；截割部；电气控制ABSTRACTTHEDESIGNOF“CONTINUOUSMINERELECTRICALCONTROLSYSTEM“FORTHEBACKGROUND,TOTHEUNITEDSTATESJOYJOYCOMPANY12CM15TYPECONTINUOUSMINER,FOREXAMPLE,EVENTHEORIGINALMININGMACHINECUTTINGUNITELECTRICALCONTROLSYSTEMIMPROVEMENTS,DETAILEDANALYSISANDDESIGNOFTHEBASICPRINCIPLESANDMETHODSOFUSINGSENSORSCONTINUOUSMININGMACHINEPARAMETERSFORTHECOLLECTION,ANDBYPLC,TOUCHSCREENANDEVENTHEMININGMACHINECONFIGURATIONSOFTWARETODETECTANDCONTROLTHROUGHSENSORSANDPROTECTIONELEMENTSOFTHEVARIOUSPARAMETERSOFMININGMACHINEPARAMETERSSUCHASTEMPERATUREACQUISITIONANDFORCONTINUOUSMININGMACHINECUTTINGUNITMOTOROVERLOADPROTECTION,COMBINEDWITHCOMMUNICATIONSTECHNOLOGY,THESIGNALSENTTOTHEPLCINANALOGORDIGITALFORMOF,PLCTHROUGHTHESIGNALPROCESSING,LOGICANALYSISOFMININGMACHINESEVENSTART,STOP,ANDTROUBLESHOOTING,ANDTHROUGHONSITEANDREMOTETOUCHSCREENPCCONFIGURATIONSOFTWARETOMONITOREVENTHEMININGMACHINE,MININGMACHINECONNECTEDTOENSURESAFETY,STABILITYRUNTHEDESIGNOFTHEMAINDESIGNOFACONTINUOUSMINERCUTTINGUNITELECTRICALCONTROLSYSTEMKEYWORDSCONTINUOUSMINERCUTTINGUNITELECTRICALCONTROL目录1绪论12连续采煤机设备介绍421连续采煤机的基本组成422连续采煤机工作原理623连续采煤机截割部阻力计算73连续采煤机电气设备概述931连续采煤机电气控制系统简介932电动机选型及其特性12321电动机选型12322异步电动机固有机械特性12333电动机的固有启动特性14324电动机变频调速机械特性15325三相异步电动机的制动特性1633变频器选型设计184PLC硬件选型2241S7200系列PLC性能简介2242PLC各组成部分及作用2343可编程序控制器的工作原理2444PLC中央处理模块的选型设计27441PLC的CPU模块选择27442扩展模块的选择295PLC软件程序设计316保护电路设计3761截割电机热保护设计3762截割电机过载保护设计3863恒功率自动控制保护设计397结论41致谢42参考文献43附录A44附录B541绪论连续采煤机起源于美国，从1949年美国利诺斯公司研制成功第一台连续采煤机以来，已经历了半个世纪的发展历程。到现在，连续采煤机已日臻完善，其采掘工艺走向成熟，不仅美国，而且世界许多国家，在房柱式采煤、回收边角煤以及长臂开采的煤巷快速掘进中得到了广泛的应用，在单产、单进作业过程中创出了前所未有的水平，效益十分可观，为采煤界所公认。这套技术装备，在60年代之前，主要用于房式或房柱式采煤，到60年代之后，美国推广应用于长臂采煤的准备巷道快速掘进中，现在在许多国家中使用，发展很快，取得了显著地经济效益。它的发展演变过程，按落煤机构划分，大体经历了以下三个阶段第一阶段，40年代，以利诺斯公司CM28H型和久益公司的3JCM及6CM型为代表的截链式连续采煤机，主要用于开采煤炭、钾碱、铝土、硼砂、页岩及永冻土等；缺点是结构较复杂、装煤效果差、生产能力不高。第二阶段，50年代，以久益公司的8CM型为代表的摆动式截割头连续采煤机，其优点是生产能力高，装煤效果好；缺点是震动大，维护费用高。第三阶段，60年代至今，是滚筒式连续采煤机高速发展，且日趋成熟的阶段。60年代末，久益公司生产出10CM、11CM系列的连续采煤机，它是现代这种机型的雏形，到70年代末，在11CM型基础上又生产出12CM系列连续采煤机。经过对12CM系列连续采煤机的不断改进、完善和提高，生产出适用于开采中硬煤的12CM1210B、12CM1810D和B型机，以及适用于特别坚硬煤层的12HM31C型和B型机。美国是使用台数最多、使用成效最好的国家。井工采煤产量的50是靠连续采煤机生产的长臂工作面的采区巷道、工作面平巷全由连续采煤机掘进。美国连续采煤机掘进平均班进尺60M，日产煤2000T，并有许多高产工作面，日进达百米，月产煤超10万T。英国长期以来，井工开采一直以长臂为主，掘进巷道主要靠悬臂式掘进机，但自80年代后期到现在，使用连续采煤机取得了良好的效果。目前，英国最大的RJBUDG公司拥有连续采煤机80多台，使用连续采煤机掘进进尺占总进尺的65。使用连续采煤机掘进已成为英国煤巷掘进的主要方法之一，是英国煤炭工业近几十年来技术变革的一个重要方面。德国使用连续采煤机在海底煤层开采已有40年的历史，而且效益最好，曾有5个回采工作面，保持年产量200万T。在南非井工煤产量的90是用连续采煤机房柱式生产的，但南非的煤质特别坚硬，截齿消耗量一般为万吨125个，相当于每个截齿只能生产80T煤。据95年不完全统计，目前，世界上使用的连续采煤机约有2100余台套，其中美国有1600台套，南非有220台套，澳大利亚有190台套，英国有90台套。1976年我国开始引进连续采煤机，到现在为止，大体上可分为两个阶段。第一阶段80年代，引进单机为主，共引进32台，使用较好的是大同矿务局大斗沟矿。1983年，在巷道断面15M平巷掘进中使用12CM11和12CM14型连续采煤机，最高月产原煤35万T，年产30万T，年进尺近万米，平均日进尺30M。目前，这批设备由于多数不配套，掘进巷道断面偏小，备件供应困难，维护管理技术跟不上等原因，基本上在生产中已不使用了。第二阶段90年代，以配套引进为主。黄陵矿区和神东公司先后配套引进27台套，由于房柱式开采和长臂工作面煤巷掘进，取得了优异的技术经济指标。据神东公司的统计，使用它比使用悬臂式掘进机每米成巷成本低160元。大柳塔煤矿采用1台连续采煤机、1台锚杆钻机、2台运煤车双巷掘进，于2000年6月掘进断面为189M（54M35M）的煤巷，月进尺达28435M，共产原煤，工作效率达293M/工；651/工。范各庄煤矿使用AM50型悬臂式掘进机，曾创造月进11535M的好成绩，折算标准巷道断面进尺1762M,产煤量23948T，但全员工效仅为0255M/工，合26T/工。不难看出，悬臂式掘进机的工效是无法与连续采煤机相比的。但是，连续采煤机一般只适用于煤巷的矩形断面掘进，而悬臂式掘进机不仅可在煤巷中掘进，而且还在普氏系数F68级半煤岩巷中掘进矩形、梯形、拱形等断面。据不完全统计，美国、英国、南非等国，不论在房柱式采煤还是长臂采煤巷掘进中，连续采煤机都具有很好的经济效益和社会效益，而它的缺点是初期投资费用比悬臂式掘进机大，仅限于煤巷中使用。随着国民经济的快速发展，工业生产和人民生活对煤炭的需求依然有增无减。煤炭在我国一次能源生产和消费构成中的比例一直在70左右，这种以煤为主的能源生产和消费格局在未来相当长的时期内不会改变。作为一个煤炭生产和消耗的大国，煤炭企业应注重生产过程的效率和安全，为此，煤炭工业自动化是当前迫切需要解决的问题。2连续采煤机设备介绍21连续采煤机的基本组成连续采煤机通由截割机构、装运机构、行走机构、液压系统、电气系统、冷却喷雾除尘装置以及安全保护装置等组成。美国生产的连续采煤机适用于薄、中厚及厚煤层，其截割高度一般在0839M，最大截高可达6M。不同截高的连续采煤机的结构虽有区别，但其结构的基本特点是一致的。（1）多电机驱动，模块化布置。连续采煤机都采用多电机分别驱动截割、装运、行走、冷却喷雾除尘及液压系统等，简化了传动系统，电动机多达68台。在总体布置上将各机构的电动机、减速器及其控制装置全部安设在机架外侧，便于维修检修。设计上将工作机构及其驱动系统分开，构成简单独立的模块式组合件，便于拆运、安装、维护和故障处理，从而达到缩短停机时间，减少维护的目的，这也有利于采煤机实现自动监控和故障诊断，提高运行的可靠性。（2）横轴式滚筒，强力截割机构。连续采煤机一般采用横轴式滚筒截割机构，滚筒宽度大、截割煤体面积宽，落煤能力强，生产能力大，这是区别于一般纵轴式部分断面掘进机的主要特点。连续采煤机的截割滚筒上，装有按螺旋线布置的齿座和锥形截齿，左右截割滚筒分别由2台交流电机经各自的减速器减速后同步驱动。电动机、减速器和截割滚筒安装在截割臂上，截割臂则铰接在采煤机机架上并由2个升降液压缸驱动实现上、下摆动，滚筒截割落煤。截割机构性能的好坏直接影响连续采煤机的生产能力以及采掘速度和效率。近年来，由于煤矿集中化生产的发展以及高效高产矿井的出现，对连续采煤机的性能不断提出新的要求，连续采煤机的装机总功率已增长到690KW，一般也在300500KW。装机总功率的增长中，以截割电动机容量的增长最快，已从过去占总装机总容量的30增至60，普遍已达300KW左右。当前，新型的连续采煤机已具备截割坚硬煤层，包括天然碱和钾碱的能力。连续采煤机向提高截割效率、增大截割能力的强力截割方向发展。1右截割滚筒2截割链3悬臂筒形轮毂4截割臂5截割链张紧装置6左截割滚筒7截割电动机8扭矩轴9摩擦离合器图21截割机构FIG21CUTTINGMECHANISM3侧式装载，刮板运输机构。连续采煤机的装运机构由侧式装载机构、装煤铲板、刮板输送机及其驱动装置组成。工作时，侧式装载机构在装煤铲板上收集从滚筒截落的煤炭，再经刮板输送机机内转载至连续采煤机机后卸载。4履带行走机构。连续采煤机主要用于房柱式采煤作业，机器调动比较频繁，截割滚筒的截割阻力较大，要求行走机构既有较好的灵活性，又有较大的稳定性。因此，近代连续采煤机普遍采用电牵引履带行走机构，它比轨轮式灵活，较胶轮式具有更高的稳定性。5液压供水系统。连续采煤机的液压系统普遍为泵缸开式系统。液压泵多为双联齿轮泵，由1台交流电动机驱动。液压缸有单作用、双作用和双伸缩几种型式，是实现截割臂、装煤铲板、刮板输送机稳定靴的升降或水平摆动以及行走履带制动闸动作的执行机构。控制方式有手动和电磁阀两种。管路系统中装有完善的压力检测装置，6电气系统。现代连续采煤机的电气系统都比较复杂啊，系统的功能较多，系统的监控和保护比较完善。在动力部分中，除行走部用低压水冷直流串激电动机外，截割、装运、液压泵以及除尘器风机的驱动均为高压水冷三相交流电动机，主电路有可靠地过载、漏电和短路保护等。22连续采煤机工作原理连续采煤机的工作机构的横置在机体前方的旋转截割滚筒，截割滚筒（有的还装有同步运动的截割链）上装有按一定规律排列的镐形截齿，在每个作业循环的开始截割机构的升降液压缸将截割滚筒举至要截割高度的位置上，在行走履带向前推进的过程中，旋转的截割滚筒切入煤层一定的深度B，称为截槽深度。然后行走履带停止推进，再用升降液压缸使截割滚筒向下运动至底板，按截槽的深度B呈弧形向下切割出宽度等于截割滚筒长度L和厚度等于B的弧形条带煤体，这就是一个循环作业切割下来的煤炭。12CM15型连续采煤机截割机构减速器分为三级减速传动，一级直齿传动，二级锥齿传动，三级行星轮传动，总传动比296，减速后截割滚筒的转速为498R/MIN，截齿齿尖速度为292M/S。截割电机采用纵向布置方式，由电机驱动摩擦离合器，摩擦离合器将动力传给扭矩轴，扭矩轴将动力传给一级减速箱。扭矩轴里侧的外花键插入轴齿轮单位内花键中，该齿轮的两端各装有一盘调心滚子轴承支撑在箱体上。通过一根细长的传动轴将动力传给二级减速箱的小直齿圆锥齿轮。从动齿轮与传动轴为花键连接，与二级减速箱的小直齿轮圆锥齿轮连接，小直齿圆锥齿轮由两盘调心滚子轴承支撑在二级减速箱箱体上。大直齿圆锥齿轮以花键联接方式驱动一个套装在横轴上的空心轴齿圈，空心轴齿圈作为下一级行星减速机构的太阳轮驱动行星减速机构。行星减速机构有四个行星轮，每个行星轮由两盘圆柱滚子轴承支撑在行星轮架上。行星轮架与横轴为花键联结，横轴与行星轮架同步转动。在横轴两端的中间装着筒形铸钢轮毂，为花键联结方式。由轮毂驱动左右滚筒转动。1截割机构链轮2电动机3扭矩轴4摩擦离合器图2212CM15型连续采煤机截割机构传动系统FIG2212CM15CONTINUOUSMINERSCUTTINGMECHANISMDRIVINGSYSTEM23连续采煤机截割部阻力计算截齿截割阻力平均值（21）AHZ式中A截割阻抗，N/MM；H截割深度，MM。其中截割深度MM（22）71402584910NMVHQAX式中最大牵引速度，M/MIN；QMAXVN滚筒转速，R/MIN；M同一截线上的截齿数。截割阻抗与煤炭坚固性有关，对于中硬煤截割阻抗一般在150300之间，因此,代入式（21）截齿截割阻力最大最小值分别为N（23）42107302MAXHAZN（24）815IN滚筒最小转矩NM（25）120620RMINIZTG滚筒最大转矩NM（26）3574MAXAHG式中R滚筒半径，M。3连续采煤机电气设备概述31连续采煤机电气控制系统简介美国久益（JOY）公司12CM15型连续采煤机供电电压为1050V，整机功率为554KW，机器共有8台电机，它们分别为截割部、装运机构、液压机构（油泵）、牵引部及除尘机构提供动力，以实现落煤、装运、除尘以及机器行走等功能。除2台牵引电动机为晶闸管整流供电的直流串激式电机外，其余电机均为三相交流异步电机。所有这些电机均采用外水冷方式，并且内部绕组中都设有热敏检测器件（可等效为温控常闭开关），用于电机过热检测，因而可以实现电机过热保护。这些电机的类型及主要技术参数见表11所示。表31电机类型及主要技术参数TAB31MOTORTYPEANDMAINTECHNICALPARAMETERS电机名称类型额定功率/KW额定电压/V数量截割电机三相水冷17010502油泵电机三相水冷5210501装运电机三相水冷4010502风机电机三相水冷1910501牵引电机直流串激水冷26，37250212CM15型采煤机采用计算机控制技术，主控器件为1台可编程控制器（PLC），PLC为机器的所有电源电路提供软件控制并对由微处理器构成晶闸管脉冲触发单元进行驱动控制，监测开关位置并提供所有机器诊断的软件控制。机器整个系统不仅能可靠完成采煤机正常工作所要求的各种控制任务，而且具有完善保护、状态监测、故障诊断及机器运行状况显示等功能。正常工作时，司机可根据显示屏提供的信息进行正确有序的操作，发生故障后，借助显示屏所提供的故障诊断信息，实现快速、准确地查出和排除故障。1截割部2摇臂3装载机构4刮板输送机5机架6左行走机构7右行走机构8电动机9电气系统10驾驶座11液压系统图3112CM15型连续采煤机电气控制系统基本构成FIG3112CM15ELECTRICCONTROLSYSTEMOFCONTINUOUSMINERBASICCOMPOSITION12CM15型采煤机电气控制系统的基本构成情况如图31所示，电气控制系统的作用在于对上述八台电机以及其它电磁机构实施控制，同时实现对电机设备系统以及安全等方面的电气保护。主要装备有（1）8台电机（见表31）。（2）4个电控箱，它们分别是1）操作台（主控台）位于机器左侧的司机室内。其中，用于电机控制的所有操作开关安装在箱体的盖板上；供司机观察的指示仪表指示灯装在仪表盘上；24V直流电源，监视继电器本安继电器和接线排等装置安装在箱内。2）控制器（箱）位于机器左后方。其中，箱盖（内侧）上安装有装运机主回路上的器件；箱体内为截割机主回路控制器件截割电机计时器及断路器2CB等；3）牵引控制器（箱）这是一个装在机器左后方的一个水冷电控箱，含有牵引油泵风机主回路控制器件，PLC等。内部安装分为几个部分FRONTPANEL（前板）为一个不锈钢机箱，内装PLC；REARPANEL（后板）为一接线板；SWINGOUTPANEL（右转动板），正面主要是油泵和风机主回路控制器件，背面主要有牵引速度选择开关箱。PANEL（板），正面主要有牵引回路正反换向接触器，背面有牵引回路的直流电压直流电流传感器；其余装置均固定在箱体上，左壁上固定电源断路器3CB和熔断器等，后壁为功率变压器和可硅整流器。4）断路器箱这是动力电缆进线箱，内部的主要装置为主断路器1CB。此外，履带行走安全开关（脚踏开关）也位于该箱内。（3）一个电磁阀用于冷却及喷雾水控制。（4）油温油位开关（本质安全型）用于监视油温油位状态，起到保护液压系统的作用。（5）流量压力开关用于监视水压，流量状况，保障冷却及降尘。（6）一台文字显示器显示机器运行状况，提示状态信息以及故障信息等。（7）一个起/停开关连接在先导回路中，通过先导控制实现对采煤机的供电控制。这里的“供电控制”所控制的是机器的前级供电开关（磁力起动器），即实现连采机远距离控制。（8）多个急停按钮位于机器的前后操作台以及控制器牵引控制器箱门等处，用于紧急停机。这些急停按钮都连接在先导回路中，因此，当紧急情况下按下急停按钮时，先导回路被切断，从而使前级供电开关断电。（9）照明灯。在上述基本构成的基础上，还可以根据具体实际需求，增加其它装置或备，比如遥控装置等，从而提高系统的功能。表3212CM15连采机基本参数TAB3212CM15CONTINUOUSMININGMACHINEBASICPARAMETERS设备参数生产能力机器总重截割滚筒直径最大采高最小采高牵引速度12CM1510D1527T/MIN583T1120MM4600MM2657MM033M/S32电动机选型及其特性321电动机选型截割部电机所需功率31KWVZP1458019240MAX式中滚筒最大截割阻力，N；MAXZV截齿齿尖速度，M/S。根据所需功率选择170KW的电机，最终确定电动机型号为YBUS2170。表33电机参数TAB33MOTORPARAMETERS电机型号额定功率额定转速额定电压额定频率YBUS2170170KW1470R/MIN1140V49HZ322异步电动机固有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32所示。从特性曲线可以看出，其上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。10TR/MINS015N0为电动机的理想空载工作点，此时电动机的转速为理想空载转速N2NTSSNN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NM32104759NNPT3320S式中电动机额定功率，KWNP电动机的额定转速，R/MIN。N电动机的额定转矩，NM。NT（3），为电动机的启动工作点。ST0NNM341240NSTTT式中启动转矩与额定转矩之比，一般。STST（4），为电动机的临界工作点MAXTNNM3524910MAXNT8MSMIN/1380NR式中最大电磁转矩与额定转矩之比，普通的Y系列笼型异步电动机的M2022。图32异步电动机的固有机械特性FIG32THEINHERENTMECHANICALPROPERTIESOFINDUCTIONMOTOR333电动机的固有启动特性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动势和转子电流，从而引起很大的定子电流。一般启动电流可达到额定电流的57倍。但因STINI启动时转差率1，转子功率因数很低，因而启动转矩却不大，STS2COSSTSTTSTKT2CO一般。异步电动机的固有启动特性如图33所示。NSTTT）（5180图33异步电动机的固有启动特性FIG33STARTUPCHARACTERISTICSINHERENTINDUCTIONMOTOR324电动机变频调速机械特性改变定子电源频对三相异步电动机机械特性的影响是比较复杂的，下面仅定性的F分析的近似关系。根据，并注意NTFPF/60N20XRUKTST20MAXXKT到上式中，且一般变频调速采用恒转矩调速，即希望最大转矩保FX20FK/1MAXT持恒值，为此在改变频率的同时，电源电压也要保持不变，使等于常数，这实质上F/是使电动机气隙磁通保持不变。在上述条件下就存在，和FN0SM1FST/不变的关系，即随着频率的降低，理想空载转速要减小，临界转差率要增大，启MAXT动转矩要增大，而最大转矩维持不变，如图34。图34变频调速时的机械特性FIG34MECHANICALPROPERTIESWHENFREQUENCY325三相异步电动机的制动特性（1）反馈制动当某种原因导致异步电动机的运行速度高于它的同步速度，即NN，且时，异步电动机就进入发电状态，显然，这时转子导体切割旋转磁场的方0NS向与电动状态时的方向相反，电流改变了方向，电磁转矩也随之改变2I2COSIKTM了方向，即T与N的方向相反，T起制动作用。反馈制动时，电动机从轴上吸收功率后，小部分转换为转子铜耗，大部分则通过空气气隙进入定子，并在供给定子铜耗和铁耗后反馈给电网。所以，反馈制动又称发电制动。这时异步电动机的机械特性如图24所示。由于T为负，S110PE）时，可编程序控制器发出减速信号。采煤机自动降速运行，直至退出超载区。其中P电机实际功率PE电机额定功率因此采煤机调节系统便可以把电流当作自动调节的输入参数，同时又可以当作它的被调节量。有实际电流与给定的电流（如额定电流）的比较作为信号源来进行自动调节，保证电动机功率恒定运行，这种方法叫电流比较法。通常将电流转换为电位的形式比较叫做电位比较法。已知电动机的电压为1140V；电动机的功率因数为086；电动机的效率为093。运行负载电流的计数64A9530861435COS3UPI根据整机要求，调整范围是负载电流的95105，即负载电流调整范围下限为65A25905I9I下负载电流调整范围上限为6671I0上I7结论目前我国连续采煤机的技术水平还比较低，较之落后国外，而且我国的煤层分布比较复杂，所以当前发展我国连续采煤机的科学技术水平是我国提高产煤的当务之急。本文根据我国连续采煤机电气控制系统部分落后的情况，参考了国外采煤机电气控制设计方法，把采煤机与PLC相结合，提高了采煤机的电气控制水平。同时还采用了交流变频器，大大提高了采煤机的工作效率。另外，本设计的系统还存在很多不足的地方。一是PLC的应用没有采用当前比较发达的PLC，二是采煤机的滚筒没有进行调速的设计，这些都需要进一步的研究和进一步的实践来解决。致谢通过本次毕业设计，我的收获非常大，其中不仅仅是我个人在这几个月中的努力，更包含了老师的关心和指导。从选题、查阅资料、外文资料的整理到研究方向的确定，高永新老师给了我莫大的关注和细心的讲解。在设计初始阶段，我对整个方向无从下手的情况下，高老师让我们及时查阅资料，确定了自己的方向，使随后的工作步入正轨。同时，课外知识的补充使我获得了更丰富的信息，不只是局限在当前的课题，由当前课题所涉及到的相关学科的内容都有所了解，并通过不断地模拟实验，结合我的专业知识，真正丰富了我的视野。我在学习变频调速技术的过程中，对以前所学的电机方面的知识有了更进一步的理解和掌握，并为我以后所要从事的工作打下了坚实的基础。此外，在本次设计中，同学们也给了我很多的帮助。在这里，我也对他们表示感谢。同时还有许多同学给我提出了建设性的意见，在此，我要对在设计中所有给予过我帮助和支持的所有同学表达我最诚挚的谢意。最后，我要对所有矿电专业的老师表示深深的感谢，正是你们四年来含辛茹苦地培养，孜孜不倦地教诲，才有我今天所学知识，在以后的生活中我一定会再接再厉，做到学以致用。谢谢你们参考文献1王栋，煤矿设备电气控制与PLC应用技术M北京机械工业出版社，20142冯清秀，邓星钟机电传动控制第五版M华中科技大学出版社，20113韩安荣通用变频器及其应用M北京机械工业出版社，19964弭洪涛，孙铁军，牛国成PLC技术实用教程M北京电子工业出版社，20115吴亦锋，侯志伟PLC及电气控制M北京电子工业出版社,20006THEODOREWIDEELECTRICALMACHINES,ANDPOWERSYSTEMSFIFTHEDITIONBEIJINGSCIENTIFICPRESS,20027王运敏中国采矿设备手册下册M北京科学出版社，200798张凤珊电气控制及可编程序控制器C北京中国轻工业出版社，20019诸祖同等交流调速中的变频技术M北京冶金工业出版社，199310BORLANDINTERNATIONTURBOPASCALOWNERSHANDBOOKVERSION40CALIFORNIABORLANDINTERATIONAL198711陈在平赵向宾可编程序控制器技术与应用系统设计D北京机械工业出版社，1996附录A电力系统能源可以是煤、油或天然气，它们在锅炉炉膛内燃烧，将水加热成蒸汽；也可以是核反应堆中可裂变的核燃料；也可以是高于发电厂的池塘中的水，或是在内燃机中燃烧的由或天然气。原动机可以是汽轮机、水轮机、水车或内燃机。无论是哪一种原动机，都是将蒸汽的热能、落水的势能或燃料燃烧发出的能量转变成了传动轴的传动，从而驱动发电机。电力负载则可能是单一的灯、电机、加热器以及其他用电气或是他们的组合。当然随着需求的变化，负载会不时的变化。控制系统的作用是，在负载有可能变化的情况下仍能保持机器的稳定，并将电压控制在规定的范围内。为了适应负荷的变化，有必要改变燃料的投入量和原动机的输入以及从原动机到发电机的传动轴的力矩，以便使发电机保持匀速运转。此外，需调节发电机的磁场电流，以使输出的电压恒定。控制系统可能会包括一位派守在电厂的值班员，该值班员观察发电机输出终端的一整套仪表，并做一些必要的手动调整。在一个现代化的发电厂，控制系统实际上是一个能表明输出情况，自动对能量输入及磁场电流进行必要调节，以便使电力输出满足技术指标的伺服机构。在大多数情况下，负载并不是直接接在发电机终端的，而可能是在远离发电机的地方，这就需要有输电线路与之相连。理想情况下，应该使供电满足规定要求。然而控制则往往在发电机附近进行，可能在几英里以外的另一座楼里。倘若发电机距离负载有相当长的距离，最理想的方法是在发电机和负载端安装变压器，并采用高压线路输电。电压越高则电流越小对相同线经的导线来说损耗也越小，电压则越稳定。有些情况下不宜采用架空线路，此时采用埋地电缆则更为有利。采用上述电力系统时，当系统中任何部件因检修或其他原因必须从系统中切除的话，就得对其用户断电。当此发电机无法满足系统新增负荷时，可增加一台发电机及相应的变压器和高压线路。将几台发电机相连，并把高压线末端相连是有好处的，只要无故障或无须切除线路中的设备，系统运行便会畅通无阻。使用断路器可大大改进上述系统的运行。系统中增加的断路器可使选定的设备退出运行，而不会使系统的其他部分受到影响。所以要对系统任何部分进行检修维护时，只需对断路器操作以便相应停电即可。当然，一旦一台设备被切除，则全部负载必须由其余设备承担，在这种情况下要谨防过负荷，可能的话，应当在用户的需求低于正常状况的时候，安装设备停电。一个由发电机、线路以及其他设备构成的电力系统，其布局取决于当地的负荷增长方式，并有随时调整的可能。然而也可能采取办法对系统进行分类。以下列举三类辐射状系统、环网系统和网络系统。所有这些均未标出实际线路中不可缺少的断路器，且每个系统均有一台发电机向四个用户供电。辐射状系统的线路以“树状”由发电机向外延伸，打开任何一段线路均会导致一个或多个用户停电。环网系统的接线方式即使当一段线路被切除时，仍不影响所有负载的供电。有时在正常运行状况下，环网可能会在某处被断开。倘若有一段线路需要切除，则首先要切除这段线路，这种方式不会使任何负载发生断电。再网络方式供电时，每个负载有两个甚至更多的线路为其供电。通常将配电线路设计成辐射状或网状。但是大多数高压输电线路则按网络方式布局，主要电力系统的互联形成有多个线路组成的网络。无论在系统正常运行或发生短路时都需要使用断路器来断电。在设计时，应使断路器不仅能够连续通过正常负荷电流，又能经受故障期间的高强电流，而且能在故障时分断线路。因此断路器的额定参数应由上述条件而定。当断路器跳闸对一台设备断电时，断路器有一边仍带电，因为它与运行设备相连。由于有时需要对断路器本身进行操作，因此有必要将它与其带电设备完全断开，为了达到这一目的，需采用隔离开关（刀闸）与断路器串联起来。打开隔离开关，则断路妻完全断电，允许人们在安全条件下进行操作。必须使用各类仪表对电力系统的运行进行监测。一般来说，每套发电机、每组变压器、每段电路均有其成套仪表设备，这些仪表主要是电压表、电流表、有功功率表与无功功率表等。当系统发生故障时，其运行状况会发生突变，一般表现为电压下降、电流增大。这些变化会在最靠近故障的地方被察觉。在线模拟计算机（通常称作继电器）监测这些条件的变化，判断应断开哪只断路器以清除故障，并使那些应该跳闸的断路器的跳闸线圈带电。采用现代化的设备，在继电器动作并且断路器跳闸起动后三四个周期之内即可清除故障。反映电路状况的测量仪表和保护电路的继电器并没有直接安装在电力传输线上，而是安装在控制室的配电盘中。互感器安装在高压设备上，这样就可能将表明设备运行状况的信号传递给仪表和继电器了。电压互感器的原边是直接连在高压设备上的，其副边给仪表与继电器提供的电压是与运行设备的高压同相位、且与高压成固定比例的较低电压。同样，电流互感器的原边连接于高压线路上，次边线圈提供与该设备的实际电流成已知比例，且同相位的较小电流。套管式电压互感器和电容式电压互感器都可用做电压互感器，但其电压边比与相位一致性的精度较差。每年新设计的电力设备都使系统的可靠性不断提高，然而，设备的使用不当以及一些偶然的外在因素均会导致系统故障的发生。发生故障时，电流、电压变的不正常，从电厂到用户的送电在相当大的区域内不令人满意。此时若故障设备不立即从系统中切除的话，则会造成其他运行设备的损坏。故障是由于有意或无意的使用两个或更多的导体相接触而造成的。导体之间本来是有电位存在的，而这种接触可能是金属性接触，也可能是电弧引起的。如果是前者造成的故障，则两部分导体之间电压降为零；若为后者，则电压变的很低，超长的大电流经过网络流至故障处。此短路电流通常会大大超出导线以及供电发电机的热承受能力，其结果，温度的升高会导致导体烧毁或绝缘焦化。在允许的期限内，最靠近故障处的电压会变的很低，致使用电设备无法运行。显然，系统设计者必须事先考虑到故障可能发生在什么地方，能够推测出故障期间的各种情况，提供调节好的设备，以便驱动为将故障设备切除所必须断开的开关能够跳闸。通常希望此时系统无其他开关打开，否则会导致系统线路不必要的修改。过负荷与故障是两个概念。过负荷仅指施加于系统的负荷超过了设计值。发生这种情况时，过负荷处的电压可能很低，但并不等于零。这种电压不足的情形可能会越过过负荷处蔓延一定距离，进而影响系统其他部分。过负荷设备的电流变大而超过预期的热极限，但是这种情况比发生故障时的电流要小。此时，供电虽往往能维持，但电压较低。过附和的情况经常在家里发生，例如请街坊邻居聚会时，女主人可能将五个饼干烘烤器的插头同时插入厨房的插座，诸如此类的过负荷倘若不能迅速处理的话，就会造成电力线发热甚至酿成火灾。为了避免这种情况发生，必采用保险丝或断路器来保护住宅区电路免受损坏。断路器会在变压器负荷能力，因此有必要不时地监视配电线路以确保在负荷增加时变压器的容量也增加。电力系统会发生各种类型，由各种原因引起的故障。我们在家里看到过破损的照明灯电线，使得其两根导线相触，并会发出弧光。如果此时断路器或保险丝能够正常工作，则电路能被自动切断。大部分架空线是用裸线架设的，有时由于风、雨、雪、或大树、起重机，飞机及支撑物的损坏等因素会使导线偶然碰到一起。由雷电或开关瞬变过程引起的过电压会在支撑物或导体之间产生电弧，即使在电压正常的情况下，绝缘材料的污染也会引起电弧。通常采用油浸电缆或聚乙烯一类塑料绝缘材料将埋地电缆中的导线与导线和导线与地隔开。这些绝缘材料会随着时间的流逝而老化，尤其是在过负荷引起高温下运行的时候更是如此。绝缘材料内的空隙会造成气体的电离，其生成物对绝缘不利。绝缘材料老化会引起绝缘性能下降而导致短路。电缆故障的可能性会因雷电或开关瞬间引起的导线的电压骤然变高而增加。变压器故障可能是由绝缘老化、加上雷电、开关瞬变过程导致的过高压造成的。同一绕组相邻线圈之间由于绝缘问题造成的短路可能是由于突然遇到外加电压所致。绝缘失败会在一次绕组与二次绕组之间或绕组与接地金属部件（如铁芯或变压器）之间产生电弧。发电机故障可能是由于通译槽中相邻线圈之间绝缘被破坏而造成的，其结果会导致发电机闸内短路。绝缘破坏也可能发生在某一绕组与定子铁芯的接地钢结构之间。同一槽内不同绕组之间的绝缘损坏会导致电机大范围短路。像处理平衡三相负荷一样，处理平衡三相故障也是依照基于由后火线到零线的电路或等效单相电路的原则进行。可以通过电压、电流和电阻的规律求解问题。当然，单相线路上故障的处理方法也可以用于在单相等效电路下三相故障的处理中。故障有永久性故障及暂时性故障之分。永久性故障是指绝缘或结构上的损坏，导致设备不维修则无法运行。暂时性故障指通过给设备临时断电即可排除的故障，架空线路故障往往就有这个特点。大风可能会使两根导线瞬间碰在一起，并产生电弧。只要线路通电，此电路会一直存在。然而如果能借助自动化设备是导线迅速断电的话，就不会造成任何损失了，一旦电弧熄灭，线路即可自行恢复。由雷电及开关切换产生的过电压引起的绝缘材料飞弧则可通过自动化开关设备动作，在严重的结构损坏发生之前便得到排除。鉴于线路故障的这些特征，许多公司都使用一种叫做高速重合器的装置。故障发生时，线路两端的断路器跳闸，电流即被切断，经过一定的时间间隔，待电弧熄灭后，断路器又自动进行再次合闸，大多数情况下，不到一秒钟即可恢复正常供电。当然，如果因结构损坏，故障不能很快排除的话，则断路器必须再次跳闸且保持这种跳闸状态。变电站的电气施工包括下列工作1附和预测2母线排列、电气布置方案确定。3电气计算。4电流互感器、电压互感器、断路器、避雷器、电力变压器、保护方案、控制屏和继电器屏等的选择。5接地。6其他设备，像蓄电池、所用变压器、开关站照明、电缆线等。变压器是通过磁场作用将交流电从某一电压等级转换至另一电压等级的设备。它由两个或多个绕在铁氧体上的绕组构成。通常，绕组之间不直接相连，它们是通过铁心内部的主磁通相连的。在电力系统中，根据不同的用途，电力变压器有许多种不同的名称。与发电机连接并将其电压提高到电网电压的变压器被称为升压变压器。在输电线另一端，将电网电压降至配电电压的变压器称为降压变压器。最后，把电压降低到能实际应用量级的变压器称为配电变压器。以上变压器的结构基本相同，唯一的区别在于各自的实际用途不同。除了上述多种变压器之外，在电机与电力系统中还使用两种特殊用途的变压器。第一种专门设计的变压器是用来采样电压，并产生一个低的二次电压，该电压与所采样的电压成反比。此类变压器称为电压变压器。功率变压器中产生的二次侧的电压也与一次侧的电压成正比。但电压互感器与电力变压器的不同在于电压互感器设计为仅处理较小的电流。第二种专门设计的变压器设计成为用来提供比一次侧的电流要小的多的二次侧电流，且使二次侧的电流与一次侧的电流成比例。此类装置称之为电流互感器。架空三相电力传输线在电力系统中主要的能源通道。也许有人认为它的电路模型不值一提（理想导体），但是我们没有理由忽视由三种不同的现象所产生的影响，按主要性依次为导体周围磁场引起的串联电压；导体之间电场产生的旁路位移电流；导体材料本身的欧姆电阻。第四个也是较次要的影响在污染了的绝缘体表层流过的漏电流。一个典型的三相电力传输线中的架空中性线和杆塔在电气上是连接的，因此是接地的。中性线主要为各相导线提供避雷保护，也用来输送零序电流和斜波电流以便帮助保持三相正弦电压平衡。它一般是钢线或铝线，并且很细（直径约1CM）。而相限较粗（直径约5CM），一般为钢包铝绞线（为了增加抗拉张强度）。有时是由几根（一捆）组成一条相线。为了便于散热每根导体均为裸线（即没有绝缘层）。每相导体之间有绝缘层，三条相线之间以及相线和杆塔之间通过悬挂绝缘子串来达到绝缘目的。决定架设一条线路，主要考虑的是线路的容量（即额定功率），以及要使用的电压如下所讲，传输线的容量取决于长度和额定电压。长度不变，容量随电压的平方变化。然而线路的造价也大致线性的随电压变化而变化。对于现有的设备只能考虑标准的几种电压等级。对于某个功率等级和线路长度可证明选用某个特殊的电压等级是最经济的。需要的线路的容量和长度越大，最佳的电压等级就越高。特别长距离输送，采用直流传输线会更好些。假设我们为一条已知的线路选好了电压和功率，那么还有什么要考虑的呢选择每捆导线的导体数量、尺寸和间距，决定的依据是电晕和线路阻抗的影响；选择各相线之间的间距；选择架空中性线导体的根数、位置和型号，防雷是首要考虑因素；选择绝缘的水平；选择在一条线上有多少个悬挂的圆盘。当传输线的重量基本确定后，再看看塔架设计。必须考虑当地气候，特别是估计到最严重的冰冻合乎情理的大风，因为这些因素也关系到塔的负荷；应考虑建筑美学，尤其在有人居住区，塔的宽度涉及到可用道路占地，而且应决定采用牵线式的还是免支撑式的塔架；距铁路，高速公路，建筑和地面等的最小距离必须满足要求。这些因素决定塔架高度，还有塔架间距和可允许的导体下垂度、因风吹导致导体摆动的情况等。应预先想到并能被减少最小程度。绝缘电缆在电力领域中用途很多。细电缆用做办公室、家庭和工厂周围的软线；粗电缆用来连接在一定区域内可移动的电气设备。有些情况下，轻型电缆可负载十分重的电气负荷，如在电力驱动吊斗铲这种情况下，它需用好几马力。架空电缆用在有树、接近于大厦或其他建筑物而用其他明线行不通的配电线路中。地下电缆用于许多情况下，包括在两个大站间构成主传输线路。有些电缆工作在765KV的电压下，并负载几百兆瓦的负荷。能承受更高电压的电缆不久也会实现。同样电压等级的电缆和架空线相比，有着十分不同的特点，如电缆的导体之间比架空线的导体之间相距的更近些。电缆的电感和感抗比相应规格架空线的要小。有些情况下，电缆的电阻可能在数值上大于它的感抗，导体间紧密的空间和导体间存在的固态绝缘物体导致了每单位长度上电缆的分布电容比架空线大。结果是电缆的容抗较低。由于这些原因，对于电缆在使用短线解决问题时就必须小心。即使对于只有几英里的电缆，但为了获得满意的估算结果，往往要求用到T形线路模型。雷电是由于那些因降雨而带来的云层，以及通常存在于积云中的垂直气流而引起的。在架空线上可能会由于直接和间接的雷击而建立起的过电压。在直接雷击中，雷电电流的路径是直接从云朵到设备。通过架空线，雷电产生的电流可以越过绝缘子，然后顺着线杆入地。架空线上产生电压或许会在此路径上发生闪络然后接地。在直接雷击中，雷电产生的电流流经一些附近的物体。架空线上出现电压可做如下解释当云朵飘到架空线上空时，它所带的正电荷吸引远处的负电荷，并将这些负电荷附在云层下的架空线上。假设架空线未通电，那么线上的电压就为零。假设云层在发生闪电那一刻放电，正电荷突然消失，留下负电荷未被释放。那么架空线上的负电荷就会对地产生负电压。在发生闪电时，闪电云层立刻完成放电的。相反，产生的电流在几微秒内从零值增长到最大值（大约50KA）。并在几百微秒内全部释放。在许多情况下，可能产生的电压通过闪络接地而得以限制。增加绝缘子串的长度只能在闪络发生前允许建立较高的电压。大多情况下可采用架设架空接地线的方法来防止直接雷击。为了使得导线相互隔离并且不接触到其他物体，必须采取绝缘措施。在理想条件下，