煤矿提升机变频调速拖动及PLC控制系统初步设计毕业设计 精品.docx

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煤矿提升机变频调速拖动及PLC控制系统初步设计毕业设计精品

煤矿提升机变频调速拖动及PLC控制系统初步设计

摘要

目前，我国绝大部分矿井提升机（超过80%）采用传统的交流电控系统。

这种电控系统起动和调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；故障率高，节能效果差等。

为克服传统交流绕线转子异步电动机串电阻调速系统的缺点,采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果；采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。

关键词：

提升机调速变频器PLC

Minehoistspeed-adjusteddragandPLCcontrolsystemdesign

Abstract

Atpresent,thevastmajorityofminehoist（morethan80%）usingthetraditionalcontrolsystemofalternatingcurrent.Thiselectroniccontrolsystemstart-upandspeedtheprocessofshiftingtheimpactofmajorcurrent;arein-classspeed,smoothspeedcontrolpoor;lowmechanicalpropertieswhenthesoft,quietlargergap;highfailurerate,energy-savingeffectofpoor.Inordertoovercomethetraditionalexchangeofstringwoundrotorinductionmotorspeedcontrolsystemoftheshortcomingsofresistance,theuseofPLCandinvertercontrolschemethatcombinesthetraditionalGMelectroniccontrolsystems,variablefrequencyspeedcontrolisbychangingthestatorsupplyfrequency,thesuccessfulimplementationoftheenhanceawiderangeofmotorsmoothsteplessspeedcontrol,theprocesscanrunatanytimebasedonmotorloadconditions,sothatmotorisalwaysrunningatitsbesttomeettheliftrequirementsofthespecialworkingenvironmentandhaveaclearenergy-savingeffect;usedPLCtoenhancetheprotectionandmonitoringsystem,allowingthesystemtoamoresafeandreliable.

Keywords：

minehoistelectriccontrolledsystemPLCtransducertransformation

符号说明

V代表速度，单位m/s;a代表加速度，单位：

m/s；t代表时间，单位s；U代表电压，单位伏（v）；

前言

矿井提升设备是沿井筒升降人员，提升煤炭、矿石、器材的机械设备。

虽然按提升方式及系统的不同，有钢丝绳（缠绕式提升机和摩擦式提升机）提升，输送机提升，水力提升，气力提升（松散煤炭管道提升及管道容器提升）。

但是，目前在世界范围内，矿井主要使用由缠绕式提升机和摩擦式提升机带动钢丝绳牵引容器的提升设备。

其它类型提升方式只在特定条件下用。

自1872年出现第一台由蒸气机拖动的单绳缠绕式提升机以来，矿井提升设备的发展已有近170年的历史。

随着生产需求和技术进步，提升设备不断发展：

1877年德国人戈培设计出第一台单绳摩擦式提升机；1938年多绳摩擦提升设备问世，满足了深井提升的需要；1958年多绳缠绕式提升机在南非超千米的矿井使用；1988年德国安装了第一台置同步电机于摩擦轮内的内装式提升机。

现代提升设备由大型机械-电气机组组成，提升容器在有限的运距（提升高度）内，往返高速运行，速度及加、减速度要求严格而准确地控制。

因此，除传力、承力及运载机械部件外，还必须配备完善的拖动控制，安全监测及井筒信号等系统和设备。

当今，在世界范围内运行的提升机，最大速度达20~25m/s；一次提升量达50t；电机容量已超过10000KW；井深超过2000m（分段提升超过3600m）。

由于矿井生产强化和集中化，一些矿井为了满足生产量及不同提升任务的要求，常在一个井筒安装多台提升机——机群，例如瑞典的基鲁那矿，在一个矩形提升塔上安装12台多绳摩擦提升机，采用集中控制。

随着现代技术进步及采矿工业的发展，提升设备在机械结构、工艺、设计理论方法、拖动控制及安全监测等方面都有了很大发展。

例如中低压及中高压盘式闸及液压站、硬齿面行星齿轮传动等的应用；内装同步电机主轴装置的问世；零部件设计中CAD/CAM及有限元法的应用；利用系统工程方法进行提升系统方案设计及改造、提升系统的模化及仿真都取得了较新成就；拖动类型除异步电动机拖动调速、直流电动机调速外，交交变频器供电同步电动机方式已在大型提升机应用；由可编程序控制器（PC）构成的提升工艺控制、安全回路、监测回路、行程控制器、制动控制以及井筒信号系统，在工业技术发达国家已有典型产品。

变频调速技术的应用，在我国开始得并不算晚，迄今已有约30年了。

但这项技术的全面推广应用，在我国的确落后了。

较大范围的推广，大约只有10余年，而且早期主要集中在节能应用领域，在更广泛领域中的推广工作，则是近几年才全面展开的。

第一章煤矿提升机

§1.1煤矿提升机概述

目前，我国绝大部分矿井提升机（超过80%）采用传统的交流电控系统。

这种电控系统起动和调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；故障率高，节能效果差等。

为克服传统交流绕线转子异步电动机串电阻调速系统的缺点,采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果；采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。

变频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。

平煤集团的煤矿提升机的电动机为高压电动机。

矿井提升机是沿井筒提升煤炭、升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。

它是矿山井下生产系统和地面工业广场相连接的枢纽，是矿山运输的“咽喉”，因此，矿井提升机在矿井生产的全过程中占据着极其重要的地位，其安全可靠性尤为突出。

在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然造成停产事故。

轻者，影响煤炭产量；重者，则会危及人身安全。

此外，矿井提升机作为一个大型的机械-电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技术、经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合理的，即要求矿井提升设备具有良好的经济性。

§1.2对矿井提升设备的要求

中国幅员辽阔，矿产丰富，煤炭产量已跃居世界前列，其中近95%是以井下开采方式开采，需要通过提升设备提到地面以实现其使用价值。

作为生产的基本环节，提升设备的合理结构及设计，安全经济运行和科学管理维护，直接关系到矿井生产能力及技术经济指标。

根据矿井提升设备的功能特点，对矿井提升设备的要求是：

1、安全性。

提升设备的安全运行，不仅直接影响整个矿井生产，而且涉及人身安全。

随着工业进步以及对人的价值的更加重视，矿井提升设备的高度可靠性已成为提升设备设计思想的重要内容。

突出安全性的另一重要原因是提升运输事故率在煤矿电事故中占有不可忽视的比例，其中恶性事故也时有发生，因此提高设备的安全性，增加监测控设备以及后备保护等措施，是具有实际意义的。

对矿井提升设备的高安全性要求还体现在提升设备及系统的设计，除应符合一般设计规程及规范外,还要满足《煤矿安全规程》的具体要求。

提高设备的安全性，不应单纯理解为加大安全系数，应从实际情况出发进行系统分析，例如受力（包括动态）分析，可靠性分析，失效分析等，从中找出问题，并采取相应措施。

2、可靠性。

可靠性是指提升设备在规定条件下，在规定的服务期限内完成规定的提升任务而不发生故障及失效的能力。

提升运输是矿井生产的主要环节，提升设备的任何故障性失效，都会引起全矿生产的下降以及安全问题，造成巨大损失。

在提升系统及设备设计中引入可靠性分析，在结构设计、强度分析和寿命估算中应用可靠性理论，采用零部件早期故障诊断和监测技术等，会有效地提高设备的可靠度，即可靠性的概率度量。

3、经济性。

矿井提升设备是大型设备，耗电较多，提升设备的投资、运营费用、效率等对矿井生产技术经济指标的影响是不言而喻的。

§2.3煤矿提升机的工作过程

煤矿提升机的工作过程矿井提升设备的主要组成部分是：

提升容器、提升钢丝绳、提升机（包括机械及拖动控制系统）、井架（或井塔）及装、卸载设备等。

图2-3-1是由这些设备构成的主井箕斗提升系统示意图。

图2-3-1单绳缠绕式提升机箕斗提升系统

1-提升机；2-天轮；3-井架；4-箕斗；5-卸载曲轴；6-煤仓；7-钢丝绳；8-翻笼；9-煤仓；10-给煤机；11-装载设备

井下生产的煤炭通过井下运输系统运到井底翻笼硐室，把煤卸入井口煤仓9内，再由装载设备装入位于井底的箕斗，同时位于井口的另一个箕斗，把煤卸入开口煤仓，上下两箕斗分别通过连接装置与两根钢丝绳相连接，绕过井架天轮后，以相反方向缠于提升机卷筒上，当提升机运转时，钢丝绳往返提升重箕斗和下放空箕斗，完成提升煤炭任务。

§1.4煤矿提升机的拖动与控制过程

图2-4-1为交流拖动，双箕斗提升系统常采用的速度图。

它表达了提升容器在一个提升循环内的运动规律及运动学参数，该速度图包括六个阶段，故称为六阶段速度图。

图1-4-1六阶段速度示意图

1）初加速阶段

。

提升循环刚刚开始，并下箕斗由装载，井口箕斗尚在卸载曲轨内运行，为了减少容器通过卸载曲轨时对井架的冲击，限制容器加速度

及在卸载曲轨内的运动速度不得太大,一般限制速度

在

以下。

2）主加速阶段

。

箕斗已离开卸载曲轨，容器以较大的等加速度

运行，直至达到最大提升速度

。

对于箕斗提升

（

）不大于

。

3）等速阶段

。

容器以最大速度

运行。

应接近经济速度。

4）减速阶段

。

重载箕斗已接近井口，空箕斗接近装载点，容器以减速度

运行。

5）爬行阶段

。

重载箕斗进入卸载曲轨，为减少冲击和便于准确停车，容器以

=0.4～0.5

的低速爬行。

爬行距离

=2.5～5

。

6）停车休止时间

。

容器达运行终点，提升机施闸停车，井底箕斗卸载。

采用等加速的速度图形，在速度的转折点会产生力的冲击并造成电网尖峰负荷，这种速度图形不适于采用晶闸管供电直流拖动的大型摩擦提升机。

这是因为晶闸管供电的自动调节系统动态响应快，转矩的突变将立即通过晶闸管变流装置传至电网，引起对电网的冲击。

对容量较小的电网这是难以承受的，其次是摩擦提升防滑要求减少力的冲击和突变，以避免钢丝绳振动所引起的滑绳。

为了减少电网的尖峰负荷，或使加速度不是由最大值瞬间变为零值，可采用抛物速度图，或在一定范围内给予一个变加速度值，使加速度逐渐地变化，速度平稳止升为最大速度

。

若在加速阶段加速度以直线衰减时，该段速度图形就成为抛物线速度图。

这时的冲击矩和尖峰负荷都相应降低。

第二章变频器及其工作

§2.1高压变频器简介

平煤集团的煤矿提升机的电动机为高压电动机。

矿井提升机是沿井筒提升煤炭、升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。

它是矿山井下生产系统和地面工业广场相连接的枢纽，是矿山运输的“咽喉”，因此，矿井提升机在矿井生产的全过程中占据着极其重要的地位，其安全可靠性尤为突出。

在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然造成停产事故。

轻者，影响煤炭产量；重者，则会危及人身安全。

此外，矿井提升机作为一个大型的机械-电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技术、经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合理的，即要求矿井提升设备具有良好的经济性。

传统的矿井提升机中，高压电动机的调速方式大多为转子串电阻分级调速。

但是在生产实际应用中，电动机转子串电阻分级调速的方式具有以下弊端：

①控制精度差。

采用电动机转子串电阻调整，属于有极调速，在不同速度段的切换中存在速度跳跃，其控制比较粗糙，定位不准确。

②工作可靠性不高。

由于在电动机转子侧串接的电阻很多，而在分段调速过程中通常采用接触器短接上一级电阻，接触器的寿命主要体现在它的机械部分的寿命。

众所周知，机械部分的寿命比电子式的寿命要短许多，有时因电流过大，致使接触器的触点粘在一起，无法实现切换，从而造成超速等事故发生，严重影响系统工作的可靠性。

③维护工作量大。

由于采用接触器对电阻进行分段切换，因此必须经常对接触器进行维护，大大增加了维护人员的工作强度。

④耗能。

电动机转子串电阻调速是一种转差功率消耗型的调速方式，在整个调速过程中，大量的电能被消耗在电阻上，非常不经济。

⑤稳定性较差。

电动机转子串电阻调速，当在低速段运行时，稳定性差。

因为转速越低，特性越软，负载转矩波动时，引起的转速变化越大，使运行稳定性差。

在矿井提升机上采用高压变频器取代转子串电阻的方法，不但能消除上述弊端，而且还具有以下优势：

①控制精度高。

变频器的控制精度高，能使交流电动机的调速性能与直流电动机的几乎相等，实现精确控制。

②工作可靠性高。

变频器采用的是电子器件，寿命长，且具有完善的保护功能，用于提升机控制时，其可靠性很高。

③基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度。

④调速范围宽广，属于无级调速，低速时稳定性好。

⑤节能。

当提升绞车处于向上提升状态时，电动机工作于电动状态。

由于提升绞车属于恒转矩负载，其转速降低多大比例节能就为多大比例。

当提升绞车处于下放状态时，电动机工作于发电状态，将势能转化为电能。

如果高压变频器采用的是能量回馈型变频器，变频器将会把这种电能回馈给电网。

随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。

其应用的领域和范围也越来越为广范，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。

电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。

大力发展高压大功率变频调速技术，，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。

高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。

按着中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。

§2.2交直交变频器的工作原理

交直交变频器先将工频交流电通过整流器变成直流电，在经过逆变器

将直流电变换成可控的交流电，如图2-2-1描绘了其主要构成环节。

图2-2-1交-直-交变频器机构图

按照不同的控制方式，可分成三种：

1）用可控整流器调压、用逆变器调频的交-直交变压变频装置，2）用不控整流器整流、斩波器调压。

再用逆变器调频的交-直-交变压变频装置，3）用不可控整流器整流、脉宽调制（PWM）逆变器同时调频的交-直-交变压变频装置，其结构如图2-2-2。

图2-2-2SPWM调压调频电路图

但由于前两种都有相应的缺点，而第三种采用P-MOSFET或IGBT时，开关频率可达10KHz以上，输出波形以非常接近正弦波，因热又称之为正弦波脉宽逆变器，故得到广泛应用，此次设计采用这种结构。

所谓正弦波脉宽调制（SPWM）波形，也就是与正弦波等效的一系列等副不等宽的矩形波脉冲波形。

如图2-2-3

图2-2-3PWM调制原理图

等效的原则是每一个区间的面积相等。

如果把每一个正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中点想重合。

这样，由n个等幅不等宽的矩形所组成的波形就与正弦波的半周等效，称作SPWM波形。

图2-2-4是变压变频主电路原理图，

图2-2-4SPWM变压变频器主电路原理图

图中VT1-VT6是逆变器的六个全控是功率开关器件，它们个有一个续流二极管反并联接。

整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒值电压为Us。

其中点0与整流器输出端滤波电容器的中点0连接，因而当逆变器任一相导通时，电机绕组上获得的相电压为Us/2。

各个脉冲不等宽，但中小间距相同，都等于π/n，n为正弦波半个周期内的脉冲数。

令第i个矩形脉冲的宽度为

其中心点相位角为

，则根据面积等效的原则，可写成

当n的数值较大是，sinπ/（2n）≈π/（2n）于是

者就是说，第i个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比。

因此，与半个周期正弦波等效的SPWM是两侧窄、中间宽、脉宽按整形规律逐渐变化的序列脉冲波形。

通过上述原理，波形宽度可以计算求的。

但原始的脉宽调制方法是利用正弦波作为基准的调制波（ModulationWave）,受它调制的信号成为载波（CarrierWave）,在SPWM中常用等腰三角波当做载波。

当调制波与载

波相交时，如图2-2-5

图2-2-5单极性PWM控制方式图

由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。

具体的做法是，当A相的调制波电压高于载波电压Ut时，是相应的开关器件VT1导通输出正的脉冲电压；当Ura低于Ut时，使VT1关断，输出电压为零。

在Ura的负半周中，可用类似的方法控制下桥臂的VT4，输出负的脉冲电压序列。

改变调制波的频率时，输出电压基波的频率也随之改变；降低调制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变窄，从而使输出电压基波的幅值也相应减小。

上述的为单极性SPWM控制方式，如果让一桥臂上、下两个开关器件交替地导通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极式的SPWM波形。

调制方法与单极性相似，只是输出脉冲电压的极性不同。

当Ura>Ut时VT1导通，VT4关断，使负载上得到的相电压为+Us/2；当Ura

所以相电压是以+Us/2和-Us/2为幅值作正、负跳变的脉冲波形。

同理，当由VT3和VT6交替导通，VT5和VT2交替导通便可得到三相双极式正弦波脉宽调制波形。

此次设计选用山东新风光生产的型号JD-BP38-F变频器。

JD-BP系列是山东新风光电子科技发展有限公司采用全新理念自主开发的一系列高性能，简易型、低噪音新型变频器。

在提高稳定性的前提下增加了简易PLC、实用的PI调节，灵活的输入输出端子、参数在线修改、自识别信号传输故障、停电和停机参数存储、定长控制、摆频控制、RS485控制、现场总线控制等一系列实用先进的运行、控制功能。

为设备制造和终端客户提供了集成度高的一体化解决方案，对降低系统采购和运营成本，提高系统可靠性具有极大的帮助。

它的启动力矩大，制动性能好。

在加速减速过程中可以平滑增加或减少，无冲击现象。

远距离操作及显示，能显示多种设置参数及运行参数。

三种制动方式：

1）直流制动：

当提上机处在停机无抱闸状态时，变频器会输出直流信号用于制动。

2）能耗制动：

用能耗电阻消耗再生能量

3）回馈制动：

带有能量回馈单元，将制动时产生的再生能量回馈给电网。

它采用了近几年才发展起来的一种电路拓扑结构，它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。

采用模块化设计，由于采用功率单元相互串联的办法解决了高压的难题而得名，可直接驱动交流电动机，无需输出变压器，更不需要任何形式的滤波器。

以6单元串联为例。

整套变频器共有18个功率单元，每相由6台功率单元相串联，并组成Y形连接，直接驱动电机。

每台功率单元电路、结构完全相同，可以互换，也可以互为备用。

　　变频器的输入部分是一台移相变压器，原边Y形连接，副边采用沿边三角形连接，共18副三相绕组，分别为每台功率单元供电。

它们被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分，每部分具有6副三相小绕组，之间均匀相位移10度。

该变频器的特点如下：

①整流电路的多重化，脉冲数多达36，功率因数高，输入谐波小。

②模块化设计，结构紧凑，维护方便，增强了产品的互换性。

③直接高压输出，无需输出变压器。

④极低的dv/dt输出，无需任何形式的滤波器。

⑤采用光纤通讯技术，提高了产品的抗干扰能力和可靠性。

⑥功率单元自动旁通电路，能够实现故障不停机功能。

核心关键技术：

（1）正弦波技术：

高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。

解决变频器输出电压波形，从两方面着手:

一是优化PWM波形;二是研制出特种滤波器。

（2）抗共模电压技术。

仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。

原因在于共模电压的存在。

在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。

共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

　　共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。

无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。

技术人员根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。

　　由于采用了上述三项核心关键技术，使IGBT直接高压变频器的效率达到98%以上。

输出电压正弦化、共模电压最小化。

适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几千米的长线传输也无问题。

对于传输距离太长时应考虑线路电压补偿。

如提高电压或增大导线截面等。

　　该系统特点为：

（1）电压等级为3kV-10kV。

（2）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含有变/工频切换装置和电子式真空断路器。

　（3）全中文操作界面，基于Windows操作平台，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试。

　（4）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强。

　（5）控制电路通讯方式采用全数字化通讯。

　（6）系统的整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护。

　（7）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择。

　（8）系统具有标准的计算机通讯接口RS232或RS422、RS485，可方便的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的