矿井提升机变频调速控制系统设计

中文题目矿井提升机变频调速控制系统设计外文题目THEFREOUENCYCONVERSIONUSEONTHESPEEDADJUSTMENTOFSHAFTHOISTONTHEBASISOFPLCCONTROL毕业设计（论文）共68页（其中外文文献及译文13页）图纸共2张完成日期2015年6月答辩日期2015年6月摘要矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。因此，对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。事实表明，采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。关键词矿井提升机；变频调速；可编程控制器；控制系统ABSTRACTTHESHAFTHOISTISTHEFOREMOSTEQUIPMENTOFMINES，ITISWIDELYUSEDTOTRANSPORTTHEMATERIALS，STAFFANDEQUIPMENTTHETRADITIONALSHAFTHOISTCONTROLSYSTEMISALWAYSCONTROLLEDBYTHERELAYCONTACTOR，ANDADOPTSTHEMETHODSOFCONNECTSERIESADDITIONALRESISTANTINROTORSWINDINGLOOPTOSTARTANDADJUSTSPEEDTHESYSTEMHASMANYDISADVANGESSUCHASBADRELIABILITY，COMPLICATEDOPERATION，HIGHFAULTRATE，LARGEENERGYWASTINGANDLOWEFFICIENCYACCORDINGTOTHISKINDOFCONDITION,WEADOPTPLCANDTRANSDUCERTOREFORMFORORIGINALCONTROLSYSTEM,SOASTORAISETHESAFETY,RELIABILITY,CONTROLPRECISIONANDSPEEDREGULATIONPERFORMANCEOFTHEWHOLEELECTRICCONTROLLEDSYSTEMSO,CARRYINGONTHERESEARCHONTHESHAFTHOISTCONTROLSYSTEMHASREALISTICMEANINGS，ANDITISASUBJECTFORRESEARCHBYRELEVANTEXPERTSANDSCHOLARS，BOTHATHOMEANDABROADTOTHESEQUESTIONSEXISTINGINTHESHAFTHOISTCONTRO1SYSTEM，THEPAPERAPPLIEDPLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERANDFREQUENCYCONVERTERTOTHESYSTEM,ANDCARRIEDONDEEPERRESEARCHINFEASIBILITYTHEFACTINDICATES，ADOPTINGCONTROLSYSTEM，THESHAFTHOISTWORKSRELIABLY，EASYTOUSE，ENERGYSAVINGWELL，ANDHAVEDYNAMICALSHOWNFUNCTIONKEYWORDSSHAFTHOIST；FREQUENCYCONVERSION；PLC；CONTROLSYSTEM目录1绪论111设计来源112国内外矿井提升机的现状与发展趋势2121国内矿井提升机电气控制系统的现状2122国外提升机电气控制系统的现状313设计内容及意义4131设计内容4132设计意义42矿井提升机的选型设计及运动学分析621箕斗和电机的选型设计6211箕斗的选定6212提升机的简单介绍及电动机的选定7213计算变位质量922提升电机的运行方式923提升机的速度要求及受力情况10231提升速度图10232矿井提升机电控系统六阶段速度图分析10233加速度的确定1224提升能力校核1625电动机等效功率计算16251运动力计算16252等效力计算18253等效功率19254校核电动机过负载系数193矿井提升机变频调速控制系统总体设计2031矿井提升机电控系统的组成2032矿井提升机控制系统工作原理2133矿井提升机变频调速系统的组成21331变频调速系统变频器简介22334高压提升机变频器主要特点26335变频器参数设置27336变频器外部接线图设计28337变频调速控制系统主电路主要部件的功能28338变频器声光报警回路设计29339变频器制动控制回路设计2934PLC在提升机变频控制系统中的应用33PLC概述33341PLC的I/O点统计34342PLC的I/O端口统计35343PLC的选型36344PLC的外部电路接线图36345PLC外围电气控制回路设计3735硬件调速控制系统保护措施41351空气断路器短路保护41352热继电器过载保护414矿井提升机变频调速系统软件设计4241程序设计4342系统抗干扰措施46421变频器的抗干扰及防止46422PLC的抗干扰及防止4643提升机调速系统的程序梯形图4744提升机调速系统的程序调试485人机交互界面4951触摸屏概述5052触摸屏在工业控制中的应用5053PWS3261触屏简介5154触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用516总结52致谢54参考文献55附录A57附录B62摘要矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。针对这种情况采用PLC与变频器相结合的控制方案对原有电控系统进行改造，提高整个电控系统安全可靠性、控制精度及调速性能。因此，对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。本文针对提升机控制系统中存在的上述问题，把可编程序控制器和变频器应用于提升机控制系统上，并在可行性方面进行了较深入的研究。事实表明，采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。关键词矿井提升机；变频调速；可编程控制器；控制系统ABSTRACTTHESHAFTHOISTISTHEFOREMOSTEQUIPMENTOFMINES，ITISWIDELYUSEDTOTRANSPORTTHEMATERIALS，STAFFANDEQUIPMENTTHETRADITIONALSHAFTHOISTCONTROLSYSTEMISALWAYSCONTROLLEDBYTHERELAYCONTACTOR，ANDADOPTSTHEMETHODSOFCONNECTSERIESADDITIONALRESISTANTINROTORSWINDINGLOOPTOSTARTANDADJUSTSPEEDTHESYSTEMHASMANYDISADVANGESSUCHASBADRELIABILITY，COMPLICATEDOPERATION，HIGHFAULTRATE，LARGEENERGYWASTINGANDLOWEFFICIENCYACCORDINGTOTHISKINDOFCONDITION,WEADOPTPLCANDTRANSDUCERTOREFORMFORORIGINALCONTROLSYSTEM,SOASTORAISETHESAFETY,RELIABILITY,CONTROLPRECISIONANDSPEEDREGULATIONPERFORMANCEOFTHEWHOLEELECTRICCONTROLLEDSYSTEMSO,CARRYINGONTHERESEARCHONTHESHAFTHOISTCONTROLSYSTEMHASREALISTICMEANINGS，ANDITISASUBJECTFORRESEARCHBYRELEVANTEXPERTSANDSCHOLARS，BOTHATHOMEANDABROADTOTHESEQUESTIONSEXISTINGINTHESHAFTHOISTCONTRO1SYSTEM，THEPAPERAPPLIEDPLCPROGRAMMABLELOGICCONTROLLERANDFREQUENCYCONVERTERTOTHESYSTEM,ANDCARRIEDONDEEPERRESEARCHINFEASIBILITYTHEFACTINDICATES，ADOPTINGCONTROLSYSTEM，THESHAFTHOISTWORKSRELIABLY，EASYTOUSE，ENERGYSAVINGWELL，ANDHAVEDYNAMICALSHOWNFUNCTIONKEYWORDSSHAFTHOIST；FREQUENCYCONVERSION；PLC；CONTROLSYSTEM目录第1章绪论111设计来源112国内外矿井提升机的现状与发展趋势2121国内矿井提升机电气控制系统的现状2122国外提升机电气控制系统的现状313设计内容及意义4131设计内容4132设计意义4第2章矿井提升机的选型设计及运动学分析621箕斗和电机的选型设计6211箕斗的选定6212提升机的简单介绍及电动机的选定7213计算变位质量922提升电机的运行方式923提升机的速度要求及受力情况10231提升速度图10232矿井提升机电控系统六阶段速度图分析10233加速度的确定1224提升能力校核1625电动机等效功率计算16251运动力计算16252等效力计算18253等效功率19254校核电动机过负载系数19第3章矿井提升机变频调速控制系统总体设计2031矿井提升机电控系统的组成2032矿井提升机控制系统工作原理2133矿井提升机变频调速系统的组成21331变频调速系统变频器简介22334高压提升机变频器主要特点26335变频器参数设置27336变频器外部接线图设计28337变频调速控制系统主电路主要部件的功能28338变频器声光报警回路设计29339变频器制动控制回路设计2934PLC在提升机变频控制系统中的应用33PLC概述33341PLC的I/O点统计34342PLC的I/O端口统计35343PLC的选型36344PLC的外部电路接线图36345PLC外围电气控制回路设计3735硬件调速控制系统保护措施41351空气断路器短路保护41352热继电器过载保护41第4章矿井提升机变频调速系统软件设计4241程序设计4342系统抗干扰措施46421变频器的抗干扰及防止46422PLC的抗干扰及防止4643提升机调速系统的程序梯形图4744提升机调速系统的程序调试48第5章人机交互界面4951触摸屏概述5052触摸屏在工业控制中的应用5053PWS3261触屏简介5154触摸屏在矿井提升机控制系统中的应用516总结52致谢54参考文献55附录A57附录B621绪论11设计来源矿井提升机在矿井中担负着升降人员、提升矿物、运送材料以及升降设备、工具等任务，它是联系矿井地面与井下的重要运输设备，是矿井的重要设备之一，在整个矿井生产中占有重要地位，它被人们称为矿山的“咽喉设备”。就其耗电量来说，提升机的耗电量大约占全矿井用电量的15左右。但矿井提升机的动力传输系统是非常复杂的，牵引电机频繁的前进和后退，经常超负荷运转，电制动不断转换的状态，这严重影响到提升过程的可靠与安全。因此，研制并制造既安全可靠又节省能源的提升机是煤炭安全生产的一项重要课题。从20世纪80年代末，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，以16位和32位微处理器构成的可编程序控制器得到了快速的发展，使之在概念、设计、性能、性价比等有了重要突破，尤其使得PLC和变频器在提升机调速控制系统中得到了长足的发展。因为PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、功能强大，适应面广、设计调试简单，维护方便等独特的优点；而且变频器调速具有优异的调速性能、平稳的起制动性能、工作效率比较高、功率因数，节能效果也较明显；从而使得矿井提升机调速控制系统的可靠性、安全性、自动化水平都得到了大大的提高。我们都知道矿井提升机是联系井下和地面的提升机械。按工作方式分类如下1单绳缠绕式提升机它是较早的一种，工作原理比较简单，它是把钢丝绳的一端固定并缠绕在提升机的滚筒上，另一端绕过井架上的天轮悬挂提升容器，利用滚筒转动方向的不同，将钢丝绳缠上或是放出，完成提升或下放重物的任务。在我国竖井、斜井、中小型矿井及凿井中较适用，目前在矿井提升机中占有较大比重。2多绳缠绕式提升机多绳摩擦式提升机的主要部件有主轴、主导轮、主轴承、车槽装置、减速器、深度指示器、制动装置及导向轮等。多绳摩擦式提升机是多根钢丝绳挂在卷筒上，当卷筒（摩擦轮）转动时依靠钢丝绳依靠钢丝绳与摩擦轮上的衬块之间的摩擦力带动钢丝绳运行。这种提升机由于具有安全可靠、体积小、质量小，更适用于深井提升等优点，在我国目前的矿井提升机也已得到广泛应用。3内装式提升机内装式提升机是将拖动电机直接装在摩擦轮内部，使电机转子与摩擦轮成为一体。是世界上近年来研制成功的一种全新的新型提升机。它的摩擦轮相当于电动机的转子，主轴相当于电动机定子。同时，主轴可做成空心轴作为冷却风道，这样既达到了使用内部电动机冷却的目的，减少了设备结构重量，又减少了提升系统的转动惯量。内装式提升机的问世，是提升机领域里的一个新的里程碑，是提升机的机械与电气高度一体化的完美结合，它体积小，重量轻，基础设施要求也简单，设备造价低，运行费用低，与传统的提升机相比，它的各项指标都显示了较高的优越性。它不但对提升机制造业产生了巨大影响，也对矿井提升机的使用，维修引起了变革，迫使人们用全新的概念去评价提升机的性能，重视内装式提升机的研制。12国内外矿井提升机的现状与发展趋势随着科学技术的进步和矿井生产的现代化的不断提高，人们对矿井提升设备的运行特性曲线以及工作特性的进一步认识，提升设备及拖动控制系统也逐步趋于完善，各种各样的新技术，新工艺逐渐的被应用于矿井提升设备中。尤其是模拟技术、微电子技术、可编程控制系统在提升机控制系统中的应用将成为发展的必然趋势。下面就国内外矿井提升机电控系统情况作一简单的介绍。121国内矿井提升机电气控制系统的现状在煤矿实际生产中，矿井提升机起着十分重要的作用，它是矿山生产的过程中必不可少的设备。提升机电控装置的技术性能，不仅直接影响矿山生产的效率及安全和可靠性，而且代表着矿井提升机发展的整体水平。如今，我国矿井提升机85以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机来拖动，采用转子串、切电阻调速，用继电器接触器构成逻辑控制装置来控制。其中一半以上为电动机发电机组FD机组供电，采用晶闸管整流传动SCRD的只占一小部分。但传统交流拖动系统的显著缺点是调速性能较差，调速时能量要大量消耗在电阻上，不仅给定方式落后，而且控制精度低，安全保护和监测环节也不完善，安全可靠性差，维护工作量大，运行还不经济。由于异步电动机在低速运行时的特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因此无法准确地控制提升机的停车位置。现在多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速、爬行和停车等过程。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，但是仍存在调试困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一原因就是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线控制系统，且与控制系统相混联，多数都共用一套线路，互相影响。1985年以来，面对制约提升安全的重要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测以及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使得提升安全状况有所提高。对提升机电气控制系统技术改造的过程中，不仅要有领先于国际先进水平的工作意识，也要考虑我国实际的国情，凭借自己的力量，去加强与先进国家的合作，虚心学习引进、消化吸收、合作制备、联合改造创新等多种形式，从而实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化的梦想。122国外提升机电气控制系统的现状国外从60年代末开始，随着微机技术的高速发展，微机控制技术得到了长足的发展，并己逐步应用于矿井提升机中了。现在看来，国外己达到很成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次伟大的变革。具体应用主要体现在以下几方面1提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机来控制。由于微机功能强大，使用灵活方便，运算速度快捷，监视显示易于实现，并具有诊断短路断路等功能，而这是采用模拟控制所无法实现的。2提升行程控制提升机的控制从最本质上说其实是一个对位置的控制，必须要保证提升容器在预定地点能够准确的停车，准确度要高，目前的控制误差不超过2CM。当采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒、钢丝绳磨损等。将这些信号进行处理，可以计算出提升机的准确的位置而施以保护和控制。在箕斗提升时可实现无爬行提升，大大的提高了提升能力。如SIEMENS,ABB,AEG等公司己采用32位微机来构成行程给定器。而且还提供性能不尽相同的机械行程控制器。多数过程控制用微机作监视，行程控制也采用独立的微机来完成，从而提高了系统的可靠性。3提升过程监视由于近代提升机控制系统设计特别强调安全与可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视A、提升过程中各工况参数监视；B、各主要设备运行状态监视；C、各传感器如井筒同步开关、停车开关信号的监视。使得各种故障在出现之前就给处理了，防止机械事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，投入到矿井监测系统中。4安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，这个过程极为重要。，对不同的故障，我们一般采用不同的处理方法来确保人员和设备的安全。安全回路是保护的最后一个环节，如今很多公司都采用两台PLC微机来构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机，还是安全回路本身出现故障都能精确地实施安全制动。5全数字化系统调速控制西欧一些国家如德国AEG公司、西门子公司以及ABB公司已经将交流变频调速系统和全数字化系统应用于提升机上。尤其全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整容易、与上位机联网便捷等优点。但是此类系统要求维护人员具有更高的技术水平和计算机知识才行。然而，当前国内提升机行程控制水平还是很低的，速度给定环节依然以时间给定和机械式行程给定为主要工作方式，而以计算机为核心的矿井提升机行程监控和保护的研究成果还处于萌芽与测试阶段。截至目前，还未见到采用智能控制装置来实现高性能的行程控制系统的成套配置装置，而有些先进国家已经逐渐进入工业40，先进水平可想而知。但对于我国的矿井提升机系统来说，如何实现高性能的行程控制与制动控制系统可靠安全是一个目前亟需解决的首要问题。13设计内容及意义131设计内容本设计是以某煤矿主立井提升机调速控制系统为背景，在已经很成熟但调速方法较落后、设备陈旧的交流拖动系统的技术基础上，通过变频控制技术在矿井提升机速度、行程，制动控制中的应用，详细的叙述新型矿井提升机调速控制系统的设计与应用情况。本设计的主要任务有1矿井提升机电控调速控制系统的设计；2调速控制系统硬件的选型设计；3调速控制系统软件部分的设计；4对所设计的系统进行分析校验；132设计意义当前国内提升机的调速控制系统绝大多数还是在电机转子回路串入电阻，用分段控制的交流绕线式电机和继电器接触器来控制系统。这种控制方式设备陈旧、控制复杂、运行速度快、技术落后，总之问题很多，具体如下1在转子回路中串联电阻，大量电能被消耗，这会造成能源的浪费。2电子分级切换，是为有级调速，这样运行不平稳，电气及机械冲击明显；3继电器、接触器动作频繁，电弧会烧蚀触点，使用寿命降低，维修成本增加。4系统安全性、可靠性也不高（如交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题），容易引起设备故障。5电动机通过转子电阻获得的低速，其运行特性较软。6提升容器通过预定好的减速点时，由于负载的不同，将得到不同的减速值，就不能达到稳定的低速爬行过程，最终使停车位置不准确，不能正常装卸载货物或人员。以上得问题将使得提升机的可靠性以及安全性得不到保证。所以，更加安全可靠的控制系统的研制，将变得很重要，这会使提升机运行的可靠性、安全性、经济性和高效性得到改善。在提升机控制系统中计算机控制技术和变频器调速技术的应用，是对原有提升机控制系统的升级与换代。本设计从解决实际矿井提升机调速控制系统的问题出发，控制单元采用当今工控适配的PLC控制；电力拖动系统中，选用领先的变频传动装置；优化了矿井提升机调速控制系统的性能。改进了原来电控调速用的交流接触器及电阻，提高了系统的稳定性，提高了操作人员的工作环境，使噪音及室温降低了许多；调速连续方便，可分段预置频率；能根据负荷情况来连续平滑的进行调节转速，无机械冲击的现象；实现并完成了低频低压的软启动和软停止，使停车运行更加平稳；启动和加速过程对电流冲击小，能够实现矿井提升机在重载下从低速平稳无级平滑地升至最高速。目前，这一控制方法是现代交流调速中相对较先进的调速控制方式之一。但安全、可靠、经济、适用、高效依然是本设计的任务和追求的目标。2矿井提升机的选型设计及运动学分析假设某煤矿设计年产量,采用立井开采已知数据TAN万301提升机工作制度为每年工作日；天6NB2每日工作小时数；HTR183单水平提升，井筒深度；MHS504箕斗卸载高度,装载高度；X6Z185散煤容重密度；3/90T6一套箕斗提升设备，采用多绳摩擦式提升机。根据这个煤矿的实际生产情况，并且广泛调查国内外矿井提升机调速控制系统的发展状况来设计出适合该煤矿的安全可靠、效率高的提升机调速控制系统。21箕斗和电机的选型设计211箕斗的选定1提升高度5018654SZXH2经济提升速度049/MVMS3一次提升循环估算时间201634209GVHTSA4初估算加速度208/AS5每小时提升次数3603894SXNT6每小时提升量HTTBCARFN/639160257一次合理提升量TTQGN7394要考虑到为以后矿井生产能力的加大留有余地，选择JDS16，有效容积为。3176M根据煤矿安全规程规定，考虑到实际的提升速度得低于8M/S，因此，取过卷高度H8M,天轮直径来确定井架高度。35TDM3507516087622TJXRGDH9QT212提升机的简单介绍及电动机的选定矿井提升设备的主要组成部分有提升钢丝绳、提升容器、提升机（包括拖动系统）、井架、天轮、导向轮及装卸载设备等等。由于井筒条件及选用的提升容器和提升机的类型不尽相同，所以可组成的矿井提升系统各有特点。最为常见的提升系统有竖井单绳缠绕式箕斗提升系统、竖井多绳摩擦式箕斗提升系统、竖井单绳缠绕式罐笼提升系统、竖井多绳摩擦式罐笼提升系统、斜井串车提升系统、斜井箕斗提升系统。矿井提升机是一个完整的机械电气系统，主要由以下这几部分组成。1工作机构主要是指主轴装置和主轴承，主轴装置主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器。2制动系统液压制动系统装置由制动器和液压传动装置组成，它们是提升机不可缺少的重要组成部分之一，还是最后一道安全保障装置。制动装置的可靠性直接影响到提升机是否能安全运行。提升机制动器的功能就是刹住提升机的卷筒，使提升机停止继续运行。3机械传动系统机械传动系统包括减速器和联轴器。减速器的功能是减速和传递动力，联轴器的作用是用来联接提升机的旋转部分，并且传递机械动力。4润滑系统润滑系统是矿井提升机在矿井提升运行的过程中，连续不断的向轴承和啮合齿面压送润滑油，来保证轴承和齿轮的正常工作。但润滑系统一定要与自动保护系统和电动机进行联锁，就是当润滑系统失灵时，主电动机能够断电，来确保机器的正常运转。5观测和操纵系统观测和操纵系统主要由斜面操纵台，深度指示器和测速发电机组成。深度指示器的作用是显示提升容器当前的运行位置，当容器接近井口卸载位置和井底车场时，发出减速和制动信号，使得矿井提升机迅速制动停止。6拖动控制和自动保护系统拖动控制和自动保护系统包括拖动电动机、变频器、PLC电气控制系统和自动保护系统等。矿井提升机的自动保护系统的功能与作用是在提升机不参与工作的情况下，发生故障的时候能够自动将主电动机断开，同时进行安全制动以达到对系统的安全保护的作用。提升机系统图如图21所示表21立井双箕斗底卸式提升系统图TABLE21DOUBLESHAFTSKIPUNLOADINGHOISTINGSYSTEMDIAGRAM1确定电机额定转数601596/MIN34METIVNRD考虑到箕斗容积选用比较大，故选预定的同步转速为0/IT2电机功率确定由可以大致估定电机额定转数为，所以实际最大提升速度为TN492/MINENR315784/60MDVSI则电动机功率7121EJKQPKW取矿井阻力系数，箕斗提升K115，减速器传动效率（减速度传动效率，单级传动092，双级传动时085）为。Q为一次提升货物重力，动力系数JJ085J12。根据以上这些的计算，最终选择YR25006/1430大型三相异步电动机，查电动机产品样本，其技术参数如下见表23。表22YR25006/1430型电动机技术参数TABLE22TECHNICALPARAMETERSOFYR25006/1430MOTOR额定功率2500KWEP额定转速1000R/MINDN过负载系数20转子转动惯量12480KG2GD2M电动机效率940D电压V6KV3电动机作用于滚筒上的额定拖动力100259427578EJEMPFNV213计算变位质量变位质量见式213式213GGM88036（KG/M）2S22提升电机的运行方式提升电动机的运行方式，主要根据系统的力图来确定加速阶段提升时为正力，电动加速。下放时为负力，如果负力值较小，可考虑自由下落加速，并配合使用盘式制动器来制动，如果负力值较大，则采用动力制动加速。匀速阶段提升时为正力，采用电动拖动。下放时为负力，采用能耗制动、闭环控制，单闭环速度控制系统由与距离有关的理想速度给定电路、速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成，下放速度由PID调节。主减速阶段提升时为正力，采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力，一方面接入转子附加电阻，另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。爬行阶段当为正力时，转子接入几段附加电阻，用PLC控制运行；当为负力时，在能耗制动方式下接入转子附加电阻。23提升机的速度要求及受力情况231提升速度图提升速度图的确定多绳摩擦轮提升机的速度图和单绳缠绕式提升机相同。即箕斗提升采用六阶段速度图；罐笼提升采用五阶段速度图。由于多绳提升机多用于较深的矿井，更多的是在大型矿井使用，因此，电动机功率大都比较大，使用直流电动机拖动的可能性较单绳提升机为大。当采用直流拖动时，速度图的加速段可能有二种一是等加速度另一种是变加速度，又称为抛物线加速度。抛物线加速度有以下特点1加速阶段与等速阶段的功率式连续变化的，加速段的尖峰功率较小，因此，要求电动机及变流设备的过载能力较小，加速段启动功率也小。2加速阶段的时间较长，大约为等加速度所需时间的二倍，因此，在同样的条件下，提升能力较小。由于箕斗提升一般要求有最小的一次提升时间，因而限制了抛物线加速度的速度图的使用，只有在副井提升，对一次提升时间要求不严格的情况下，才考虑选用抛物线加速度的速度图，以降低电动机，电源设备的过载和电网的高峰负荷。由于本文中属于主井箕斗提升，因而使用等加速度的速度图。232矿井提升机电控系统六阶段速度图分析1初加速阶段T0由于这时井上空箕斗在卸载曲轨内运行，故加速度不可过高，以免对设备产生过大冲击，煤炭工业设计规范规定，箕斗滑轮离开曲轨时的加速度V015M/S。2主加速阶段T1正常提升时，电动机产生的力矩比阻力矩大35，产生比较低的加速度A03M/S2。当V0上升到VM时，电动机运行在自然特性曲线上。下放时，由于负力较大，需要制动力来维持稳定的下放速度和规定的减速度。3匀速阶段T2上升时，根据负载状况使电动机保持电动状态，且速度VM784MS。下放时，由测速发电机反映转子下放速度，当速度高于VM时，增大励磁电流，提高制动力矩，使观览车在斜坡上匀速运行。4主减速阶段T3为使提升机准确停车，在停车前应进行减速。减速按照速度图要求进行，由装在斜坡上的位置开关动作发出信号，PLC再根据与电动机同轴运行的旋转编码器发出的脉冲数进行比较发出指令，增大励磁电流，使下放速度在规定的时间内降低。5爬行阶段T4V4在03M/S左右，此数值实际上是一个平均值，因为提升机由较高的VM不可能很准确的变为速度V4。6停车阶段T5将盘式制动器的KT线圈断电，抱闸迅速抱住卷筒，提升机停转。采用的六阶段速度图，如下图23所示表23提升机的六阶速度图TABLE23SIXORDERSPEEDCHARTOFTHEHOIST233加速度的确定（1初加速度箕斗提升初加速度的确定，见式2331式233102HVA35210479（M/）2S式中箕斗脱离卸载轨时的速度，为了保证提升开始时，空箕斗对卸载曲轨0V及井架的冲击不致过大，箕斗离开卸载曲轨的速度被限制在15，取15（M/S）；0V0V箕斗在卸载曲轨中的行程，目前大量通用的箕斗卸载曲轨行程为0HH0213M，新标准系列箕斗的卸载曲轨行程为235M，所以初加速度A0一般采用05M/S2。按防滑条件计算在计算容器最小自重时已定。21/80SMA综合考虑上述三个条件，按其中最小者确定主加速度的大小。所以综上所述，本1A设计加速度08是可取的。12/S（2提升减速度的确定根据防滑条件查表,最终选取1120（）3A2/SM（3爬行速度和距离根据爬行距离及速度选择表，按自动控制（M/S）；3（M）504V4H（4速度图计算已知784（M/S）；584（M）；15（M/S）；235（M）；MAXVTH0V0H（）；（）；（）；（M/S）；50A2/S8012/S123A2/S54V3（M）4H1初加速阶段卸载曲轨中初加速时间见式23320T式23320AVT515（S）箕斗在卸曲轨内的行程见式23330H式23330021TV5375（M）2正常加速阶段时间见式23341T式233410MAX1VT85478（S）距离见式23351H式233510MAX12TVH8547374（M）3正常减速阶段时间见式23363T式233634MAX3VT12058766（S）距离见式23373H式233734MAX32TVH65087275（M）4爬行阶段时间见式23384T式23384VHT5036（S）5制动阶段（抱闸停车）末减速度，一般取0305（M/），本设计取05（M/）5A2S5A2S时间见式23395T式233954AVT01（S）6等速阶段距离见式233102H式2331043102HHHT3527585124（M）时间见式233112T式23311MAX2VHT84751654（S）（5提升一次循环所需时间提升一次循环所需时间除去休止时间，见式23312式23312543210TTTTC168592（S）提升一次循环所需时间，见式23313式23313CGT9216108（S）24提升能力校核年实际提升能力见式24式24GRTCQTBA360185763137（万吨/年）300（万吨/年）因此提升能力校核合格。25电动机等效功率计算251运动力计算因为提升机的尾绳等重，所以根据平衡系统来计算，0TH1提升开始，运动力见式2511式251100MAKQF50683175236068（KG）2初加速终了，运动力见式2512式25120F236068（KG）3加速开始，运动力见式2513式25130101AM50863822624788（KG）4加速终了，运动力见式2514式251412F2624788（KG）5等速开始，运动力见式2515式123MA25158063647819205（KG）6等速终了，运动力见式2516式251634F19205（KG）7减速开始，由于为自由滑行，运动力见式2517（KG）式251705F8减速终了，变为自由滑行，运动力见式2518（KG）式2518569爬行开始，运动力见式2519式2519367MAF1208098600（KG）10爬行终了，运动力见式25110式2511078F98600（KG）11制动减速开始时，运动力见式25111式25111589MA50683054582（KG）12制动终了，运动力见式25112式25112910F54582（KG）表23力图TABLE23FORCEDIAGRAM252等效力计算1求，见式25212TF式25215294732531202TFTFTT125486086098647583021各个运行阶段力的平方与该段时间成绩的总和。2TF2等效时间，见式2522式2522312125430TTTTD6468841（S）3等效力，见式2523式2523DDXTTF218403198088（KG）253等效功率等效功率，见式2524式2524KVFPDX102MKW）2S井上停车点井下停车点各行程开关的设置根据以上的计算设定各行程开关的位置如下表35ACCORDINGTOTHEABOVECALCULATION,THEPOSITIONOFTHETRAVELSWITCHISASFOLLOWS35行程开关位置（井上算起）行程开关位置（井上算起）上过卷3M下减速点545M上停车点2M下制动点550M上制动点0M下停车点552M上减速点5M下过卷553M334高压提升机变频器主要特点1高压主回路与控制器之间为多路光纤连接，安全且可靠；2全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶触摸屏，安装、设定、调试很简便，功率电路模块化设计，维护也简单；3高电压源型的变频器，直接6KV，10KV输入和输出，不需要输出变压器；4可以满足电动机的四象限的工作要求；5输入功率因数高，电流谐波少，无须功率因素补偿和谐波抑制等装置；6输出阶梯SPWM波形，无须输出滤波装置，对电缆、电机绝缘无损害，谐波少，减少轴承和减速器等所带来的机械振动；7强大的CPU处理能力，易于改变控制逻辑关系，适应不同的现场需要；8自带风冷和水冷设施，完善的变频器参数设定功能，优异的性能和性价比；9具备RS485通讯接口，标准MODBUS/PROFIBUS等通信规约，可以实现远程监视，可以接受和输出标准的工业信号；10完整的故障监测电子电路、精确的故障定位和报警保护功能；335变频器参数设置根据提升机的速度要求来确定变频器的参数，设置如下表所示表36变频器参数设置TABLE36INVERTERPARAMETERSETTINGS参数名称参数号设置参数应用对象P02051控制方式P13000工作地区P01000上限频率P108250HZ下限频率P10800HZ上升时间P1120300S下降时间P1121200S自动检测方式P19102根据变频器的调速原理，在变频器输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，就是我们所说的电压或电流信号来控制变频器的输出频率，来实现电机速度的控制。本设计的调速系统是采用PLCD/A模块配合变频器进行实现的，通过PLC输出电压信号（010V）来控制变频器的频率变化。此时变频器输出频率与设定电压输入成正比例的关系。336变频器外部接线图设计变频器能够输出频率可以改变的交流电源，而且在变频器的外围加设有声光报警输出及制动单元，能够实现变频器故障报警器和安全制动等功能，能够更加有效的对控制系统进行安全保护，外部接线图如图37所示图37提升机系统变频器外部接线图FIGURE37THEEXTERNALWIRINGDIAGRAMOFTHEINVERTEREXTERNALCONVERTER337变频调速控制系统主电路主要部件的功能变频调速控制系统主电路如图38所示图38变频调速控制系统主电路图FIGURE38MAINCIRCUITOFVARIABLEFREQUENCYSPEEDCONTROLSYSTEM空气断路器过流过载保护；交流接触器切断电源和启动；交流电抗器LA降低谐波，抑制浪涌电压，以改善功率因数；噪声滤波LB减小无线电干扰；电抗器LA减小干扰和振动；热继电器FR断相保护，过载保护；338变频器声光报警回路设计1变频器的报警是输出的动断（常闭）触点“NCCOM”串联在KM1的线圈电路中，当变频器因为故障而不能正常工作时，会发出报警；同时报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈没有电，将变频器与电源断开，从而进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端处，并联阻容来吸收电路（即RC震荡电路）。2声光报警电路是由报警输出的动合（即常开）触点“NOCOM”来控制，当变频器跳闸时，触点“NOCOM”闭合，使报警指示灯HL和电笛HA接通，触发声光报警。与此同时，断电器KA1通电，其触点将声光报警电路锁住，使变频器断电后，声光报警能持续下去，一直到工作人员按下ST1为止，报警才得以解除。另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容来吸收电路，以保护变频器内部报警继电器的触点。339变频器制动控制回路设计由于提升机负载惯性较大，当变频器的输出频率下降至0HZ时，往往停不住，而出现“蠕动”即爬行现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象所造成后果是十分危险的。因此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动的功能，以避免出现爬行的现象。A能耗制动电路的作用在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过慢慢减小变频器的频率来实现的。此时1电动机的工作状态在频率刚减小的那一瞬间，电动机的同步转速也随之发生下降，但由于有机械惯性的存在，电动机的转子转速并没有改变。当同步转速低于转子的转速时，转子电流的相位发生了有180的改变，此时电动机处于发电状态。与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，导致电动机的转速迅速下降。但从电动机的角度来看，是处于再生制动状态。2变频调速系统的工作状态，电动机再生的电能经过与逆变管反并联的续流二极管全波整流后反馈给直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，尽管各部分电路还在消耗着电能，但电容上仍有短时间的电荷堆积，这就形成了“泵生电压”，使直流电压升高。而过高的直流电压对整个系统有影响，会使各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降过程中所减少的动能，通过电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。换句话说，是通过消耗能量而获得制动转矩的，所以说是属于能耗制动状态。当用于消耗电动机而再生电能的电路，就是我们常说的能耗制动电路。B能耗制动电路的构成1制动电阻能耗制动电路结构如下图所示，图中的BR就是制动电阻，它是用于将电动机的再生电能转变成热能而消耗掉。其选择方法如下的阻值在通常情况下，它的大小将使制动电流不超过变频器额定电流的一半，这BR是最为合适的取法，即2/NBDBIRUINDBIUR/的功率由于的工况属于短时工作状态，其标称功率可以比长期通电时消耗BBP的功率小许多2制动单元V制动单元的功能是，当直流回路的电压超过规定的值时，接通耗能电路，使BVDU直流回路通过，从而释放出电能。R制动单元的组成如图34所示图39能耗制动和制动单元电路图FIGURE39ENERGYCONSUMPTIONBRAKEANDBRAKEUNITCIRCUITDIAGRAM功率管用于接通与切断耗能电路，它是制动单元的主体电压取样与比较电路，由BV于的驱动电路是低压电路，故只能按比例的取出的一部分作为采样电压，和基准电BBU压进行核对，以此得到控制导通或截止的指令信号。BV驱动电路用于接收“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动的导通与截止。BV3功率管的常用器件是GTR或IGBT。它的主要参数的一般选择方式如下BVA）击穿电压在电源电压为时，选即可。CEXUKV6KVUCEX10B）集电极最大电流按正常电压下流经的电流的两倍来考虑与选择MIBRBDCMRI/2C直流制动单元能耗制动和直流制动配合着使用，以能达到理想的制动效果为目的。直流制动原理所谓的直流制动，其实就是向电动机的定子绕组内通入直流电流，使异步电动机处于能耗制动状态。具体的操作过程是，将电机与变频器切断后向定子绕组内直接导入直流电流，此时由于定子磁场是静止的，转子绕组切割磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向正好是相反的，所以称为制动转矩。然而转子绕组切割磁力线的速度较快，所产生的制动转矩也比较强烈，这样就可缩短停机时间。此外，直流磁场本身就具有吸住转子的功能，这样可以有效地消除转子的蠕动。直流制动功能预置1直流制动的起始频率，直流制动通常都是和再生制动配合来使用的。即首DBF先用再生制动方式将电动机的转速降至较低的转速，然后再转换成直流制动，使电动机迅速停住。转换时对应的频率即为直流制动的起始频率。预置起始频率的主要根据是DBF负载对制动时间的要求，要求制动时间越短，得到的起始频率就越高。BF2直流制动强度取决于预置在定子绕组上施加直流电压或直流电流的大小，DUDBI它最终决定了直流制动的强度。预置直流制动电压或制动电流的主要依据是DB负载惯性的大小，惯性越大者，直流制动强度或也应该越大。一般情况下，直I流电压以不超过50V为最佳状态。3直流制动时间即施加直流制动时间的长短。预置直流制动时间的主要依据是负载是否有“蠕DBTDBT动”现象，以及对克服“蠕动”应满足的要求，要求越高者应适当长一些。直流制动功能是由预置参数设置，如图35所示图310直流制动功能预置FIGURE310DCBRAKEFUNCTIONPRESET34PLC在提升机变频控制系统中的应用PLC概述自1968年第一台PLC问世以来，之后接近半个世纪年的快速发展，PLC现如今已经成为一种最重要、最普及、应用场合最多的工程可编辑控制器，可以毫不客气的说PLC才是真正的工业控制计算机。而初期PLC只仅仅是用于逻辑控制的场合，用它来替代继电器控制盘，但现在PLC已经进入了包括过程控制、位置控制、矢量控制等场合的所有可控制的领域。现在的PLC不仅继续保留了原来逻辑控制器的所有优点，同时它也吸收了其它控制设备的优点，在许多控制场合只用PLC就可以构成包括逻辑控制、工程控制、数据采集及控制、图形工作站的目的。而且PLC经济合算、体积小巧、设计调试也方便的优点。PLC是一种数字