畢業(yè)設(shè)計(jì)提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（說(shuō) 明 書）題目：提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)姓 名： 張致源 編號(hào)：平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 年 月 日平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 任 務(wù)書姓名張致源專業(yè)礦山機(jī)電 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 2011年 3 月6日設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)始日期 2011 年3月8 日設(shè)計(jì)（論文）完成日期 2011年 5月 19 日設(shè)計(jì)（論文）題目：提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)A·編制設(shè)計(jì)B·設(shè)計(jì)專題（畢業(yè)論文）指 導(dǎo)教師路金萍系（部）主 任 年 月 日平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)記錄電力工程系系礦山機(jī)電專業(yè)，學(xué)生張致源于年月日進(jìn)行了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯。設(shè)計(jì)題目：提升機(jī)電

2、控系統(tǒng)設(shè)計(jì)專題（論文）題目：指導(dǎo)老師：答辯委員會(huì)根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，經(jīng)答辯委員會(huì)討論評(píng)定，給予學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績(jī)?yōu)?。答辯委員會(huì)人，出席人答辯委員會(huì)主任（簽字）：答辯委員會(huì)副主任（簽字）：答辯委員會(huì)委員：， ， ， 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語(yǔ)第頁(yè)共頁(yè)學(xué)生姓名：張致源專業(yè)礦山機(jī)電 年級(jí)08畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)評(píng)閱 人：指導(dǎo)教師： （簽字） 年 月 日成 績(jī)：系（科）主任： （簽字） 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）及答辯評(píng)語(yǔ)：摘要我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有很重要的地位，它不僅全面地影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他部門的發(fā)展

3、，同時(shí)也極大地影響人民的物質(zhì)與文化生活水平地提高，影響整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步。設(shè)計(jì)本課題是對(duì)已學(xué)知識(shí)的整理和進(jìn)一步的理解、認(rèn)識(shí)、學(xué)習(xí)和掌握發(fā)礦用提升機(jī)部分設(shè)計(jì)的基本方法，培養(yǎng)獨(dú)立分析和解決問(wèn)題的工作能力及實(shí)際工程設(shè)計(jì)的基本技能。工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)提升機(jī)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求，更需要我們提高自己的專業(yè)知識(shí)及技能水平。目錄第1章緒論11.1 國(guó)內(nèi)外提升電控研究11.2課題研究的目的和意義31.3本論文承擔(dān)的任務(wù)4第2章礦井提升機(jī)的組成及分類62.1 礦井提升機(jī)的組成及分類6第3章礦井提升機(jī)的制動(dòng)裝置及安全裝置93.1 礦井提升機(jī)的制動(dòng)裝置93.2 礦井提升機(jī)的安全保護(hù)裝置10第4章提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)

4、現(xiàn)114.1提升機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)114.2提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇124.3變頻控制部分設(shè)計(jì)13第5章提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)205.1礦井提升機(jī)中S型速度曲線建模及實(shí)現(xiàn)20結(jié)論30致謝31參考文獻(xiàn)32第1章 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外提升電控研究近三十年來(lái)，國(guó)外提升機(jī)機(jī)械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且兩者相互促進(jìn)，相互提高。起初的提升機(jī)是電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器傳動(dòng)卷筒的系統(tǒng)，后來(lái)出現(xiàn)了直流慢速電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)懸臂安裝直接傳動(dòng)的提升機(jī)。上世紀(jì)七十年代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標(biāo)志著用同步電動(dòng)機(jī)來(lái)代替直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。1981年第一臺(tái)用同步機(jī)懸臂傳動(dòng)的提升機(jī)在德

5、國(guó)Monopol礦問(wèn)世，1988年由MAVGHH和西門子合作制造的機(jī)電一體的提升機(jī)(習(xí)慣稱為內(nèi)裝電機(jī)式)在德國(guó)Romberg礦誕生了，這是世界上第一臺(tái)機(jī)械和電氣融合成一體的同步電機(jī)傳動(dòng)提升機(jī)。在提升機(jī)機(jī)械和電氣傳動(dòng)技術(shù)飛速發(fā)展的同時(shí)，電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使提升機(jī)的電氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀(jì)七十年代，國(guó)外就將可編程控制器(PLC)應(yīng)用于提升機(jī)控制。上世紀(jì)八十年代初，計(jì)算機(jī)又被用于提升機(jī)的監(jiān)視和管理。計(jì)算機(jī)和PLC的應(yīng)用，使提升機(jī)自動(dòng)化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一個(gè)新的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。特別要強(qiáng)調(diào)的是，此時(shí)期在國(guó)外一著名的提升機(jī)制造公司，如西門子、ABB

6、、ALSTHOM都利用新的技術(shù)和裝備，開(kāi)發(fā)或完善了提升機(jī)的安全保護(hù)和監(jiān)控裝置，使安全保護(hù)性能又有了新的提高。就在國(guó)外科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的時(shí)候，我國(guó)提升機(jī)電控系統(tǒng)很長(zhǎng)時(shí)間都處于落后的狀況。直到目前為止，我國(guó)正在服務(wù)的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串金屬電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。國(guó)產(chǎn)提升機(jī)安全性、可靠性差，在關(guān)鍵部位上下兩井口減速區(qū)段沒(méi)有配套的有效的速度監(jiān)視裝置，就提升機(jī)控制技術(shù)而言，依然是陳舊的，和國(guó)外相比，我們存在很大的差距。礦井提升系統(tǒng)的類型很多，按被提升對(duì)象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:豎井和斜井;按提升容器分:箕斗提升、籠提升、礦車提升;按提升類分:

7、單繩纏繞式和多繩摩擦式等。我國(guó)常用的礦用提升機(jī)主要是單繩纏繞式和多繩摩擦式。我國(guó)的礦井與世界上礦業(yè)較發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，開(kāi)采的井型較小、礦井提升高度較淺，煤礦用提升機(jī)較多，其他礦(如金屬礦、非金屬礦)則較少。因此在20世紀(jì)60年代開(kāi)始單繩纏繞式礦井提升機(jī)采用較多。目前我國(guó)提升機(jī)90%以上均采用交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方式，其電控系統(tǒng)用于單繩纏繞式提升機(jī)的有TKD系列，多繩磨擦式提升機(jī)的有JKM、幻J系列。這幾種提升機(jī)通常在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進(jìn)行起動(dòng)和調(diào)速。串電阻調(diào)速是一種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法轉(zhuǎn)子功率的損耗隨著串入的電阻的增大而增大。盡管轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法很不經(jīng)濟(jì)，低速特性也很軟，穩(wěn)定性差，但

8、是由于這種調(diào)速方法比較簡(jiǎn)單易行，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大在拖動(dòng)起重機(jī)等中、小容量的繞線式異步電動(dòng)機(jī)中仍然應(yīng)用廣泛。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從瑞典、西德等國(guó)引進(jìn)20多套晶閘管直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)有兩種電控系統(tǒng)，一種為直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)組，另一種為晶閘管直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。我國(guó)自己生產(chǎn)的晶閘管直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀(jì)90年代。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:體積小、重量輕、占地面積小;基礎(chǔ)省、安裝方便、建筑費(fèi)用低;無(wú)齒輪傳動(dòng)部分(不需要減速器)、總效率高、電能消耗少;單機(jī)容量大，適用范圍廣;調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高;易于控制，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，安全可靠;節(jié)約電能。礦井提升機(jī)對(duì)安全性、可靠性和調(diào)速

9、性能的特殊要求，使得提升機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個(gè)廠或國(guó)家的傳動(dòng)控制技術(shù)水平。比較國(guó)內(nèi)外礦用提升機(jī)系統(tǒng)，具體來(lái)說(shuō)國(guó)外礦井提升機(jī)在電控方面的應(yīng)用特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:l)提升工藝過(guò)程微機(jī)控制提升工藝過(guò)程大都采用微機(jī)控制，由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。2)提升行程控制提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)到2cm。采用微機(jī)控制，可通過(guò)采集各種傳感信號(hào)，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損等信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。一般過(guò)程

10、控制用微機(jī)作監(jiān)視，行程控制也采用單獨(dú)下位機(jī)完成。3)提升過(guò)程監(jiān)視提升過(guò)程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過(guò)程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視:a、提升過(guò)程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視:b、各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視;c、各傳感器(如位置開(kāi)關(guān)、停車開(kāi)關(guān))信號(hào)的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對(duì)各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、保留或打印輸出。甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。4)安全回路安全回路是指提升機(jī)在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時(shí)控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)的極為重要的環(huán)節(jié)。為確保人員和設(shè)備的安全，對(duì)不同故障一般采用不同的處理方法。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)

11、節(jié)之一，英、德幾家公司都采用兩臺(tái)PC微機(jī)構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無(wú)論是提升機(jī)還是安全回路本身出項(xiàng)故障時(shí)都能準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動(dòng)。在電力拖動(dòng)方面，近幾年國(guó)外出現(xiàn)了不少新拖動(dòng)方式，交一交變頻供電方式就是最有前途的一種。20世紀(jì)80年代西歐一些工業(yè)先進(jìn)國(guó)家將交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)，有代表性的是西門子公司和ABB公司。我國(guó)在20世紀(jì)90年代也引進(jìn)了交流變頻調(diào)速提升機(jī)控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速方式類似于它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)取得很寬的調(diào)速范圍、很好的調(diào)速平滑性和有足夠硬度的機(jī)械特性，在提升機(jī)應(yīng)用中顯示了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。1.2課題研究的目的和意義礦井提升機(jī)是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備。

12、提升機(jī)的安全、可靠、有效高速運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性質(zhì)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜的特點(diǎn)，且工作狀況經(jīng)常交替轉(zhuǎn)換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護(hù)措施，但是由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機(jī)械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過(guò)失和對(duì)行程監(jiān)測(cè)研究的局限性，使得現(xiàn)有保護(hù)未能達(dá)到預(yù)期的效果，致使提升系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。一旦提升機(jī)的行程失去控制，沒(méi)有按照給定速度曲線運(yùn)行，就會(huì)發(fā)生提升機(jī)超速、過(guò)卷事故，造成楔形罐道、箕斗的損壞，影響礦井正常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。所以提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究

13、一直是社會(huì)各屆人士共同關(guān)注的一個(gè)重大課題。電氣控制方式在很大程度上決定了提升機(jī)能否實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、安全、可靠地起制動(dòng)運(yùn)行，避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損，防止較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長(zhǎng)提升機(jī)械的使用壽命。隨著礦井提升系統(tǒng)自動(dòng)化，改善提統(tǒng)的性能，以及提高提升設(shè)備的提升能力等的要求，對(duì)電氣傳動(dòng)方式提出了更高的要求。對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是：有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運(yùn)行，能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，可靠性要求高等。目前，我國(guó)地下礦山礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有：對(duì)于大型礦井提升機(jī)，主要采用晶閘管變流器直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)矢量

14、控制交一交變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高自動(dòng)化運(yùn)行，效率高，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，運(yùn)行可靠性高，但造價(jià)昂貴，中小礦井難以承受。對(duì)于中、小型提升機(jī)，則多采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。這種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，但屬于有級(jí)調(diào)速，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別在負(fù)載變動(dòng)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會(huì)造成過(guò)放或過(guò)卷事故。提升機(jī)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)工作過(guò)程會(huì)使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的能耗，另外轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞，影響生產(chǎn)效益。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是礦井提

15、升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)于現(xiàn)采用TKD電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交一直一交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開(kāi)始在礦井提升機(jī)改造中應(yīng)用。變頻器的調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒加速和恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果10。變頻器調(diào)速控制電路簡(jiǎn)單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生。因此，變頻器在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用具有十分廣闊的前景。本文介紹變頻器在提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.3本論文承擔(dān)的任務(wù)本課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題是控制策略研究，提升機(jī)是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它屬于大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)-電-液系統(tǒng)，提升機(jī)要按所要求的速度

16、圖運(yùn)行，否則在系統(tǒng)中容易產(chǎn)生大的慣性力，降低機(jī)器的壽命，甚至產(chǎn)生脫軌等惡性事故?？刂撇呗匝芯烤褪且ㄟ^(guò)電液控實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地使提升機(jī)按給定的速度圖運(yùn)行，使控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性滿足提升機(jī)運(yùn)行的要求。本論文的研究目標(biāo)是將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合并應(yīng)用于礦山實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)現(xiàn)有的提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高精度，在更安全的范圍內(nèi)保證礦山生產(chǎn)的順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中充分考慮到保護(hù)系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強(qiáng)大的PLC來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器，簡(jiǎn)化了控制線路，并應(yīng)用各種現(xiàn)場(chǎng)抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開(kāi)關(guān)、及RC防浪涌震蕩電路等。尤其在軟件中采用提升機(jī)電控系統(tǒng)中斷模塊及故障處理模塊，

17、使超速報(bào)警更加科學(xué)合理。為了更直觀的顯示提升機(jī)的工作狀態(tài)及故障來(lái)源，增加了提升機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過(guò)顯示器對(duì)整個(gè)提升系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。本論文承擔(dān)的主要任務(wù)如下：1提升機(jī)電控系統(tǒng)主電路部分結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析提升機(jī)工作過(guò)程及工作特點(diǎn)。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實(shí)現(xiàn)。并采取一些提高系統(tǒng)安全運(yùn)行和抗干擾能力的措施。2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分可編程控制器PLC有強(qiáng)大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP7來(lái)完成的。對(duì)于復(fù)雜的礦山提升機(jī)變頻調(diào)速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設(shè)計(jì)出

18、程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖及控制程序編程語(yǔ)言。提升機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設(shè)計(jì)部分應(yīng)有對(duì)其系統(tǒng)的故障診斷處理內(nèi)容，在出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)能及時(shí)報(bào)警或停車。3提升機(jī)速度給定方式分析由于礦山生產(chǎn)過(guò)程中，提升機(jī)所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機(jī)的牽引力也就不同，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，提升速度也應(yīng)能及時(shí)進(jìn)行控制；如不做相應(yīng)的處理和調(diào)整，系統(tǒng)將在較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的累計(jì)誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)的巨大波動(dòng)，造成過(guò)載或松繩等，甚至導(dǎo)致礦車脫軌或過(guò)卷等重大事故，而造成巨大的損失。所以要尋求一種控制方法來(lái)提高控制精度。在實(shí)際中經(jīng)常采用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速因其為有級(jí)調(diào)速

19、，調(diào)速不連續(xù)，且對(duì)電網(wǎng)沖擊大。所以尋求一種理想的速度給定方式極為重要，以求能夠提高電控系統(tǒng)控制性能，改善控制品質(zhì)。4保護(hù)及抗干擾措施傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護(hù)、閉鎖及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。本文針對(duì)制約提升安全的主要環(huán)節(jié)設(shè)置減速、超速報(bào)警及過(guò)載、松繩、過(guò)卷等安全保護(hù)措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障來(lái)源進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)視，使提升安全狀況有所改善。為了保證其安全生產(chǎn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。安全回路應(yīng)具有雙重冗余功能。第2章 礦井提升機(jī)的組成及分類2.1 礦井提升機(jī)的組成及分類礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)

20、、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測(cè)速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。礦井提升機(jī)按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)。纏繞式礦井提升機(jī)有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個(gè)容器。雙筒的每個(gè)卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個(gè)容器，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)容器上升，另一個(gè)容器下降。纏繞式礦井提升機(jī)大多用于年產(chǎn)量在120萬(wàn)噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機(jī)的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個(gè)容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機(jī)

21、根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房設(shè)在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房直接設(shè)在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機(jī)和多繩摩擦式礦井提升機(jī)。后者的優(yōu)點(diǎn)是：可采用較細(xì)的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機(jī)組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產(chǎn)120萬(wàn)噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機(jī) 。（一）纏繞式提升機(jī)：纏繞式提升機(jī)的主要部件有主軸、卷筒、主軸承、調(diào)繩離合器、減速器、深度指示器和制動(dòng)器等（圖2）。雙卷筒提升機(jī)的卷筒與主軸固接者稱固定卷筒，經(jīng)調(diào)繩離合器與主軸相連者稱活動(dòng)卷筒。中國(guó)制造的卷筒直徑為 25m。隨著礦井深度和產(chǎn)量的加大，鋼

22、絲繩的長(zhǎng)度和直徑相應(yīng)增加。因而卷筒的直徑和寬度也要增大，故不適用于深井提升。 1.單繩纏繞式提升機(jī) 根據(jù)卷筒數(shù)目可分為單卷筒和雙卷筒兩種：?jiǎn)尉硗蔡嵘龣C(jī)，一般作單鉤提升。鋼絲繩的一端固定在卷筒上，另一端繞過(guò)天輪與提升容器相連；卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼絲繩向卷筒上纏繞或放出，帶動(dòng)提升容器升降。雙卷筒提升機(jī)，作雙鉤提升（圖1）。兩根鋼絲繩各固定在一個(gè)卷筒上,分別從卷筒上、下方引出,卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一個(gè)提升容器上升，另一個(gè)容器下降。纏繞式提升機(jī)按卷筒的外形又分為等直徑提升機(jī)和變直徑提升機(jī)兩種。等直徑卷筒的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，價(jià)格低，得到普遍應(yīng)用。深井提升時(shí)，由于兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)度變化大，力矩很不平衡。早期采用變直徑提升

23、機(jī)（圓柱圓錐形卷筒），現(xiàn)多采用尾繩平衡。 2.多繩纏繞式提升機(jī)提升機(jī)在超深井運(yùn)行中，尾繩懸垂長(zhǎng)度變化大，提升鋼絲繩承受很大交變應(yīng)力，影響鋼絲繩壽命；尾繩在井筒中還易扭轉(zhuǎn)，妨礙工作。20世紀(jì) 50年代末，英國(guó)人布雷爾（Blair）設(shè)計(jì)了一臺(tái)直徑3.2m雙繩多層纏繞式提升機(jī)(又稱布雷爾式提升機(jī))，提升高度15802349m，一次提升量1020t。 （二）摩擦式提升機(jī)多繩摩擦式提升機(jī)的主要部件有主軸、主導(dǎo)輪、主軸承、車槽裝置、減速器、 深度指示器、制動(dòng)裝置及導(dǎo)向輪等。主導(dǎo)輪表面裝有帶繩槽的摩擦襯墊。襯墊應(yīng)具有較高的摩擦系數(shù)和耐磨、耐壓性能,其材質(zhì)的優(yōu)劣直接影響提升機(jī)的生產(chǎn)能力、工作安全性及應(yīng)用范圍。

24、目前使用較多的襯墊材料有聚氯乙烯或聚氨基甲酸乙酯橡膠等。由于鋼絲繩與主導(dǎo)輪襯墊間不可避免的蠕動(dòng)和滑動(dòng)，停車時(shí)深度指示器偏離零位，故應(yīng)設(shè)自動(dòng)調(diào)零裝置，在每次停車期間使指針自動(dòng)指向零位。車槽裝置用于車削繩槽，保持直徑一致，有利于每根鋼絲繩張力均勻。為了減少震動(dòng)，可采用彈簧機(jī)座減速器。1.井塔式提升機(jī) 機(jī)房設(shè)在井塔頂層，與井塔合成一體，節(jié)省場(chǎng)地；鋼絲繩不暴露在露天，不受雨雪的侵蝕，但井塔的重量大，基建時(shí)間長(zhǎng)，造價(jià)高，并不宜用于地震區(qū)（圖3）。 2.落地式提升機(jī) 機(jī)房直接設(shè)在地面上，井架低，投資小，抗震性能好；缺點(diǎn)是鋼絲繩暴露在露天，彎曲次數(shù)多,影響鋼絲繩的工作條件及使用壽命（圖4）。 第3章 礦井提

25、升機(jī)的制動(dòng)裝置及安全裝置3.1 礦井提升機(jī)的制動(dòng)裝置3.1.1 制動(dòng)裝置的組成及種類 提升機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)是提升機(jī)重要組成部分，它直接關(guān)系到提升機(jī)設(shè)備得安全運(yùn)行，它由制動(dòng)器（閘）和傳動(dòng)裝置組成。制動(dòng)器直接作用到制動(dòng)力矩的機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置是控制并調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的機(jī)構(gòu)。制動(dòng)器按其結(jié)構(gòu)可分為塊閘(角移式和平移式)和盤問(wèn)；傳動(dòng)裝置按傳動(dòng)能源可分為液壓、氣動(dòng)及彈簧等。3.1.2 制動(dòng)裝置的作用 （1）在提升終了或提升機(jī)不工作時(shí)，可靠的閘住提升機(jī)停車制動(dòng)； （2）減速階段參與提升機(jī)的速度控制工作制動(dòng)； （3）作為安全機(jī)構(gòu)，發(fā)生緊急事故時(shí)，進(jìn)行安全制動(dòng)，對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)緊急制動(dòng)； （4）雙卷筒提升機(jī)動(dòng)作調(diào)繩離合器時(shí)

26、，應(yīng)能閘住活卷筒，動(dòng)作死卷筒。3.1.3 制動(dòng)裝置的有關(guān)規(guī)定（一）煤礦安全規(guī)程第428條規(guī)定：提升絞車必須裝設(shè)深度指示器、開(kāi)始減速時(shí)能自動(dòng)示警與不離開(kāi)座位即能操縱的常用閘和保險(xiǎn)閘，保險(xiǎn)閘必須能自動(dòng)發(fā)生制動(dòng)作用。常用閘和保險(xiǎn)閘共用1套閘瓦制動(dòng)時(shí)，操縱和控制機(jī)構(gòu)必須分開(kāi)。雙滾筒提升絞車的2套閘瓦的傳動(dòng)裝置必須分開(kāi)。對(duì)具有2套閘瓦只有1套傳動(dòng)裝置的雙滾筒絞車，應(yīng)改為每個(gè)滾筒各自有其控制機(jī)構(gòu)的彈簧閘。提升絞車除設(shè)有機(jī)械制動(dòng)閘外，還應(yīng)設(shè)有電氣制動(dòng)裝置。嚴(yán)禁司機(jī)離開(kāi)工作崗位、擅自調(diào)整制動(dòng)閘。（二）煤礦安全規(guī)程第429條規(guī)定：保險(xiǎn)閘必須采用配重式或彈簧式的制動(dòng)裝置，除可由司機(jī)操縱外，還必須能自動(dòng)抱閘，并同時(shí)

27、自動(dòng)切斷提升裝置電源。常用閘必須采用可調(diào)節(jié)的機(jī)械制動(dòng)裝置。保險(xiǎn)閘或保險(xiǎn)閘第一級(jí)由保護(hù)回路斷電時(shí)起至閘瓦接觸到閘輪上的空動(dòng)時(shí)間：壓縮空氣驅(qū)動(dòng)閘瓦式制動(dòng)閘不得超過(guò)0.5s，儲(chǔ)能液壓驅(qū)動(dòng)閘瓦式制動(dòng)閘不得超過(guò)0.6s，盤式制動(dòng)閘不得超過(guò)0.3s。盤式制動(dòng)閘的閘瓦與制動(dòng)盤之間的間隙應(yīng)不大于2mm。保險(xiǎn)閘施閘時(shí)，杠桿和閘瓦不得發(fā)生顯著的彈性擺動(dòng)。（三）提升絞車的常用閘和保險(xiǎn)閘制動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的力矩與實(shí)際提升最大靜載荷旋轉(zhuǎn)力矩之比不得小于3。在調(diào)整雙卷筒提升絞車卷筒旋轉(zhuǎn)的相對(duì)位置時(shí)（此時(shí)游動(dòng)卷筒與主軸脫離連接），制動(dòng)裝置在各滾筒閘輪上所發(fā)生的力矩，不得小于該滾筒所懸重量（鋼絲繩重量與提升容量重量之和）形成的旋

28、轉(zhuǎn)力矩的1.2倍。在立井和傾角大于30°的傾斜井巷，提升裝置的保險(xiǎn)閘發(fā)生作用時(shí)，減速度必須符合：下放重載時(shí)，不得小于1.5m/s;3.2 礦井提升機(jī)的安全保護(hù)裝置 煤礦安全規(guī)程第427條規(guī)定：提升機(jī)必須具有以下九種安全保護(hù)裝置：防止過(guò)卷裝置、防止過(guò)速裝置、過(guò)負(fù)荷和欠電壓保護(hù)裝置、限速裝置、深度指示器失效保護(hù)裝置、閘間隙保護(hù)裝置、松繩保護(hù)裝置、滿倉(cāng)保護(hù)裝置、減速功能保護(hù)裝置 1、防止過(guò)卷裝置：當(dāng)提升容器超過(guò)正常終端停止位置（或出車平臺(tái)）0.5m時(shí)，必須能自動(dòng)斷電，并能使保險(xiǎn)閘發(fā)生制動(dòng)作用。 2、防止過(guò)速裝置：當(dāng)提升速度超過(guò)最大速度15%時(shí)，必須能自動(dòng)停電，并能使保險(xiǎn)閘發(fā)生作用。 3、過(guò)

29、負(fù)荷和欠電壓保護(hù)裝置：在提升機(jī)的配電開(kāi)關(guān)上設(shè)有過(guò)電流和欠電壓保護(hù)裝置，在過(guò)負(fù)荷或欠電壓情況下使配電開(kāi)關(guān)自動(dòng)跳閘，切斷提升電動(dòng)機(jī)電源，并使保險(xiǎn)閘發(fā)生作用。 4、限速裝置：提升速度超過(guò)3m/s的提升絞車必須裝設(shè)限速裝置，以保證提升容器（或平衡錘）到達(dá)終端位置時(shí)的速度不超過(guò)2m/s。如果限速裝置為凸輪板，其在個(gè)提升行程內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)不小于270°。 5、深度指示器失效保護(hù)裝置：當(dāng)指示器失效時(shí)，能自動(dòng)停電并能使保險(xiǎn)閘發(fā)生作用。 6、閘間隙保護(hù)裝置：當(dāng)閘間隙超過(guò)規(guī)定值時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警或自動(dòng)斷電。 7、松繩保護(hù)裝置：纏繞式提升絞車必須設(shè)置松繩保護(hù)裝置并接入安全回路和報(bào)警回路，在鋼絲繩松弛時(shí)能自動(dòng)斷

30、電并報(bào)警?；诽嵘龝r(shí)，送繩保護(hù)裝置動(dòng)作后，嚴(yán)禁受煤倉(cāng)放煤。 8、滿倉(cāng)保護(hù)裝置：箕斗提升的井口煤倉(cāng)倉(cāng)滿時(shí)能自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)斷電。 9、減速功能保護(hù)裝置：當(dāng)提升容器（或平衡錘）達(dá)到設(shè)計(jì)減速位置時(shí)，能示警開(kāi)始減速。防止過(guò)卷裝置、防止過(guò)速裝置、限速裝置、減速功能保護(hù)裝置應(yīng)設(shè)置為相互獨(dú)立的雙線型式。第4章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)4.1提升機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖31所示。各部分功能如下：動(dòng)力裝置：包括主電機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器和底座，完成人、物、料的運(yùn)輸任務(wù)。主電機(jī)通過(guò)減速器向卷筒提供牽引所需

31、的動(dòng)力；液壓站：為提升機(jī)提供制動(dòng)力，停車時(shí)先通過(guò)液壓站給卷筒施加機(jī)械制動(dòng)力，再取消直流制動(dòng)力；提升機(jī)起動(dòng)時(shí)，先對(duì)電機(jī)施加直流制動(dòng)，再松開(kāi)機(jī)械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。變頻調(diào)速器：是動(dòng)力裝置的能量供給單元，通過(guò)它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。操作臺(tái)：操作臺(tái)設(shè)置兩個(gè)手柄，分別用于速度輔助給定及制動(dòng)力給定。它是整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車以及緊急制動(dòng)等各種控制功能?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之

32、間的橋梁，它可以在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理：如圖31，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動(dòng)力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個(gè)接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過(guò)交直變換之后經(jīng)過(guò)逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。在提升過(guò)程中，控制提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出

33、口輸出，以驅(qū)動(dòng)變頻器工作；對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況需要，由操作臺(tái)速度控制手柄以輔助給定的方式進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給可編程控制器，PLC通過(guò)該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的行走距離。操作人員通過(guò)操作臺(tái)向PLC發(fā)送控制提升機(jī)運(yùn)行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)與PLC的通信，將電動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來(lái)，并對(duì)礦車的位置及速度進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。4.2提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇本調(diào)速控制系統(tǒng)包括：德國(guó)的西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的模塊式PLC S7-300和變頻器各一臺(tái)。變頻器選用森蘭公司的通用

34、變頻器系列SB61G110KW通用變頻器，功率為110kW。根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。本系統(tǒng)中調(diào)速采用PLC+D/A模塊配合變頻器進(jìn)行，通過(guò)PLC輸出電壓信號(hào)(010V)來(lái)控制變頻器的頻率。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入成正比。為了便于監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號(hào)送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報(bào)警信號(hào)及安全制動(dòng)。為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動(dòng)力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過(guò)載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用冶金起重專用變頻電動(dòng)機(jī)。變頻電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)

35、、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)既考慮了對(duì)變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重專用三相異步電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力大、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)。與變頻調(diào)速良好的起、制動(dòng)功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速，短時(shí)間或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)的場(chǎng)合，既能保證電動(dòng)機(jī)在高頻時(shí)的過(guò)載能力，又能在低頻時(shí)保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。4.3變頻控制部分設(shè)計(jì)4.3.1變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速單元采用森蘭SB61系列SB61G110KW通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖32所示。與標(biāo)準(zhǔn)的電壓頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下，VVCPLus的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)全數(shù)字化的保護(hù)，即使在最惡劣的

36、操作條件下，也可確?？煽窟\(yùn)行。SB61G110KW具有國(guó)際領(lǐng)先的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)和擬超導(dǎo)技術(shù)，使電機(jī)低速時(shí)機(jī)械特性變硬。同時(shí)具有短路、接地和過(guò)載保護(hù)功能。調(diào)速控制系統(tǒng)主電路主要部件的功能和原理：空氣斷路器：過(guò)流過(guò)載保護(hù)；交流接觸器：切斷電源和啟動(dòng)；交流電抗器La：降低諧波，抑制浪涌電壓，改善功率因數(shù)；噪聲濾波LB：減小無(wú)線電干擾；電抗器LA：減小干擾和振動(dòng)；熱繼電器FR：斷相保護(hù)，過(guò)載保護(hù)；1提升電動(dòng)機(jī)選擇一般電動(dòng)機(jī)的額定電流可以用如下公式計(jì)算，即：根據(jù)上述公式對(duì)一般三相交流異步電功機(jī)的額定電流計(jì)算得出：異步電動(dòng)機(jī)的額定電流與電動(dòng)機(jī)額定功率的關(guān)系為：如果U380V，電流大約為1kW是2

37、A。因此在選擇電動(dòng)機(jī)的保護(hù)元件時(shí)可以用1kw2A來(lái)估算電動(dòng)機(jī)的額定電流值，從而達(dá)到快速選擇保護(hù)元件的目的。本調(diào)速系統(tǒng)所選電動(dòng)機(jī)為：QABP系列三相異步變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表31所示：2變頻器的容量選擇在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。另外礦用提升機(jī)屬于頻繁起動(dòng)、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：式中 ： 變頻器額定輸出電流(A)； 各運(yùn)行狀態(tài)平均電流(A)； 各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間（s）； K0：安全系數(shù)(運(yùn)行頻繁時(shí)取1

38、.2，其它條件下為1.1)?？紤]到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)，變頻器容量取電動(dòng)機(jī)容量的1.4倍，本系統(tǒng)中所需電動(dòng)機(jī)的軸上功率為75KW，按1.4倍容量就選擇105KW以上變頻器。3變頻器的選擇絞車升降的運(yùn)轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運(yùn)行的特點(diǎn)，與其他傳動(dòng)機(jī)械相比對(duì)變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用變頻器是專為起重類負(fù)載而設(shè)計(jì)的專用變頻器，該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機(jī)控制方法矢量控制技術(shù)，它可以對(duì)所有交流電動(dòng)機(jī)的核心變量進(jìn)行控制，并把定子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對(duì)負(fù)載的變化和瞬時(shí)掉電，能做出迅速響應(yīng)；開(kāi)環(huán)控制精度可以達(dá)到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差0.1%0.5%），

39、開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間小于5 ms，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%，并具有有效的磁通制動(dòng)來(lái)提供最大可能的制動(dòng)力矩。尤其它還提供了絞車應(yīng)用宏程序，可以實(shí)現(xiàn)絞車過(guò)載保護(hù)、過(guò)卷保護(hù)、超速保護(hù)和各種故障監(jiān)控及報(bào)警，模塊化功能可方便實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)絞車同步控制，確保使用時(shí)安全快速運(yùn)行、故障處理容易、維護(hù)簡(jiǎn)單。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號(hào)規(guī)格：選擇森蘭SB61G110KW通用型變頻器。其標(biāo)稱參數(shù)如表32所示：表32森蘭SB61G110KW通用型變頻器的參數(shù)4.3.2變頻器外部電路設(shè)計(jì)變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報(bào)警輸出口及制動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警器和安全制動(dòng)，更有效的對(duì)控

40、制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，外部電路連接如圖33所示。1 聲光報(bào)警回路(1)、變頻器報(bào)警輸出的動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn)“30B-30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時(shí)，發(fā)出報(bào)警；同是報(bào)警輸出的常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開(kāi)，進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報(bào)警輸出的觸點(diǎn)，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。(2)、聲光報(bào)警電路由報(bào)警輸出的動(dòng)合（常開(kāi)）觸點(diǎn)“30B-30A”控制，當(dāng)變頻器跳閘時(shí)，觸點(diǎn)“30B-30A”閉合，將報(bào)警指示燈HL和電笛HA接通，進(jìn)行聲光報(bào)警。與此同時(shí)，斷電器KA1得電，其觸點(diǎn)將聲光報(bào)警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報(bào)警能持續(xù)下去，直

41、到工作人員按下ST1為止，報(bào)警才能解除。另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護(hù)變頻器內(nèi)部報(bào)警繼電器觸點(diǎn)。2 制動(dòng)控制回路提升機(jī)負(fù)載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至0 Hz時(shí)，常常停不住，而有“蠕動(dòng)”(也稱爬行)現(xiàn)象，在礦山提升機(jī)這種大負(fù)載機(jī)械中，蠕動(dòng)現(xiàn)象有可能造成十分危險(xiǎn)的后果。為此，變頻器調(diào)速時(shí)應(yīng)設(shè)置能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)功能。一、能耗制動(dòng)電路的作用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)，是通過(guò)逐漸減小頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)：1、電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相

42、位幾乎改變了180°，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動(dòng)機(jī)的角度來(lái)看，處于再生制動(dòng)狀態(tài)。2、變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)如圖32所示與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無(wú)法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。過(guò)高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，當(dāng)直流電壓超過(guò)一定值時(shí)，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來(lái)看，拖動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)“再生”電能后，在變頻器

43、的直流電路中被消耗掉了。歸根結(jié)底，是通過(guò)消耗能量而獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動(dòng)狀態(tài)。用于消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。二、能耗制動(dòng)電路的構(gòu)成1、制動(dòng)電阻能耗制動(dòng)電路結(jié)構(gòu)如圖34所示，圖中的BR就是制動(dòng)電阻，用于將電動(dòng)機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。其選擇方法如下：（1）的阻值一般情況下，的大小以使制動(dòng)電流不超過(guò)變頻器額定電流的一半為宜，即 （2）的功率由于的工況屬于短時(shí)工作，幫其標(biāo)稱功率可以比長(zhǎng)期通電時(shí)消耗的功率小很多：式中，為選用系數(shù)，取值范圍約為=0.30.5,取決于電動(dòng)機(jī)的容量和工況。通常，電動(dòng)機(jī)容量較小時(shí)取小值，反之取大值。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的再生制動(dòng)狀態(tài)屬于正常工作狀態(tài)時(shí)，應(yīng)取=

44、1.0。例如超重機(jī)械中，吊鉤的下降過(guò)程就是。2、制動(dòng)單元BV如圖34，制動(dòng)單元BV的功能是，當(dāng)直流回路的電壓超過(guò)規(guī)定的限值勤時(shí)，接通耗能電路，使直流回路通過(guò)釋放能量。（I）制動(dòng)單元BV的組成如圖上劃線框所示，BV的組成如下：a）功率管用于接通與關(guān)斷能耗電路，是制動(dòng)單元的主體。 圖34能耗制動(dòng)和制動(dòng)單元電路b）電壓取樣與比較電路由于的驅(qū)動(dòng)電路是低壓電路，故只能按比例取出的一部分作為采樣電壓，和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到控制導(dǎo)通或截止的指令信號(hào)。c）驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路用于接受“取樣與比較電路”給出的指令信號(hào)，驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通或截止。（II）功率管的選用的常用器件是GTR或IGBT。其主要參數(shù)的一般選擇方法如下：

45、a）擊穿電壓在電源電壓為380V時(shí)，選=1000V即可。b）集電極最大電流按正常電壓下流經(jīng)的電流的兩倍來(lái)選擇三、直流制動(dòng)單元能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)配合使用能達(dá)到理想的制動(dòng)效果。直流制動(dòng)原理：所謂直流制動(dòng)，就是向電動(dòng)機(jī)的定子繞組內(nèi)通入直流電流，使異步電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。具體操作是，將電機(jī)與變頻器切斷后向定子繞組內(nèi)通入直流電流，定子磁場(chǎng)是靜止的。這時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較強(qiáng)烈，從而可縮短停機(jī)時(shí)間。此外，直流磁場(chǎng)本身具有吸住轉(zhuǎn)子的作用，可以有效地消除轉(zhuǎn)子的蠕動(dòng)。直流制動(dòng)功能預(yù)置A、直流制動(dòng)的起始頻率

46、，通常直流制動(dòng)都是和再生制動(dòng)配合使用的。即：首先用再生制動(dòng)方式將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速，然后再轉(zhuǎn)換成直流制動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)迅速停住。轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為直流制動(dòng)的起始頻率，如圖所示。預(yù)置起始頻率的主要依據(jù)是負(fù)載對(duì)制動(dòng)時(shí)間的要求，要求制動(dòng)時(shí)間越短，則起始頻率應(yīng)越高。B、直流制動(dòng)強(qiáng)度即預(yù)置在定子繞組上施加直流電壓或直流電流的大小，它決定了直流制動(dòng)的強(qiáng)度，如圖35所示。預(yù)置直流制動(dòng)電壓 (或制動(dòng)電流)的主要依據(jù)是負(fù)載慣性的大小，慣性越大者，直流制動(dòng)強(qiáng)度(或)也應(yīng)越大。一般情況下，直流電壓以不超過(guò)50 V為宜。（三)直流制動(dòng)時(shí)間直流制動(dòng)時(shí)間即施加直流制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。預(yù)置直流制動(dòng)時(shí)間的主要依據(jù)是負(fù)載是否有

47、“爬行”現(xiàn)象，以及對(duì)克服“爬行”的要求，要求越高者，應(yīng)適當(dāng)長(zhǎng)一些。直流制動(dòng)功能預(yù)置參數(shù)F403、F404、F405設(shè)置（見(jiàn)附錄：變頻器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定）。圖35直流制動(dòng)功能預(yù)置第5章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)5.1礦井提升機(jī)中S型速度曲線建模及實(shí)現(xiàn)5.1.1速度曲線的選擇及給定方法（1）速度曲線選擇傳統(tǒng)上，礦井提升機(jī)箕斗的運(yùn)行速度曲線，根據(jù)加減速特性的不同，可分為3階段速度圖、5階段速度圖和6階段速度圖。其中，5階段速度圖又可分為對(duì)稱和非對(duì)稱5階段速度圖。運(yùn)行非對(duì)稱5階段速度是礦井提升機(jī)應(yīng)用最為廣泛和典型的運(yùn)行方式。它包括啟動(dòng)加速段、勻速段、一次減速段、勻速爬行段和二次減制動(dòng)段5個(gè)階段，構(gòu)成了礦

48、井提升機(jī)一次完整的運(yùn)行周期11。礦井提升機(jī)在啟動(dòng)加速階段不外乎有5類主要運(yùn)行速度曲線：加速度-時(shí)間曲線和加加速度-時(shí)間曲線兩組曲線（見(jiàn)圖41）。由圖可以看出從礦井提升機(jī)運(yùn)行的安全、效率、乘坐舒適感、維護(hù)和使用壽命等綜合考慮，應(yīng)選擇圖41（d）所示曲線實(shí)現(xiàn)提升機(jī)理想S形速度曲線運(yùn)行。 圖41礦井提升機(jī)箕斗5類運(yùn)行曲線（2）礦井提升機(jī)速度給定方式礦井提升機(jī)的實(shí)際速度運(yùn)行曲線是由其控制部分的給定速度曲線決定。所以，要實(shí)現(xiàn)按理想S形速度曲線運(yùn)行，只需速度給定曲線是理想S形速度曲線即可。在現(xiàn)代礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)中，S形速度的給定方式一般有兩種。第一種是直接給定所需速度值，并經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)中傳動(dòng)裝置的軟件

49、包中的斜坡函數(shù)發(fā)生器（Ramp Function Generator）平滑后生成（見(jiàn)圖42）圖42斜坡函數(shù)發(fā)生器 該種方式由傳動(dòng)裝置提供直接應(yīng)用平臺(tái)，并受其制約；第二種S形速度給定方式（即本文所研究的控制方式），是通過(guò)軟件方式直接生成所需的理想S形速度給定曲線，其由PLC控制實(shí)現(xiàn)，特點(diǎn)是可根據(jù)用戶需要進(jìn)行編程，應(yīng)用靈活。5.1.2提升機(jī)理想S形速度曲線數(shù)學(xué)模型 根據(jù)前述分析可知，將圖41（d）所示運(yùn)行曲線應(yīng)用于礦井提升機(jī)非對(duì)稱5階段速度圖，就可得到所需的非對(duì)稱5階段理想S形速度曲線（見(jiàn)圖43）圖43非對(duì)稱5階段理想S形速度曲線圖中v、a、分別為速度、加速度和加加速度； a1是最大正向加速度值，

50、1是最大正向加加速度值?，F(xiàn)在分段來(lái)研究圖53中不同曲線段的數(shù)學(xué)模型。（1）oabc為提升機(jī)箕斗的啟動(dòng)加速階段（30 <tt），它包括oa、ab、bc三小段曲線形成一理想S形啟動(dòng)加速曲線段。在oa段（10 <tt），a1 =a sint當(dāng)t=0時(shí)，可得最大加加速度：其中t1=t時(shí)，速度在上述區(qū)間內(nèi)，提升機(jī)箕斗的運(yùn)行距離在ab段（t1< tt2）提升機(jī)以a1值作恒定加速度運(yùn)行，此時(shí)加加速度=0，則當(dāng)t= t2時(shí)，速度箕斗運(yùn)行距離在bc段（t2< tt3）從圖中可以看出加速度曲線bc段與oa段曲線成軸對(duì)稱，即其箕斗運(yùn)行距離為：上述各式有關(guān)常數(shù)與確定的額定運(yùn)行速度v1、最大加速

51、度a1和最大加加速度1之間關(guān)系為： 由式（1）（6）得到提升機(jī)箕斗在啟動(dòng)加速度的理想S形速度曲線數(shù)學(xué)模型為：（2）cd提升機(jī)箕斗以額定速度v1作勻速運(yùn)行，速度曲線為水平直線段。（3）defg為箕斗從額定速度v1減速到爬行速度v4以d點(diǎn)為起始0點(diǎn)，包括de段（0 <tt1）、ef（t1<tt2）段和fg（t2<tt3）段，其計(jì)算方法同第一段，理想S形速度曲線數(shù)學(xué)模型為：上述各式有關(guān)常數(shù)與確定的額定運(yùn)行速度v1、爬行速度v4、最大加速度a1和最大加加速度1之間關(guān)系為：（4）gh為提升機(jī)以額定速度v4作勻速爬行段。（5）hi為二次減速停車段，其曲線形狀除了無(wú)勻加速度段外完全同第（3

52、）段，只是此時(shí)減速起始速度v一般較小，所以最大加速度a1和最大加加速度1的值和它們之間比值應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整以滿足實(shí)際情況。5.1.3理想速度曲線的實(shí)現(xiàn) 提升機(jī)每次運(yùn)行的距離不盡相同，這就要求系統(tǒng)能夠根據(jù)不同距離通過(guò)計(jì)算求取不同的速度曲線。這可以由軟件編程實(shí)現(xiàn)。具體做法是根據(jù)不同的運(yùn)行距離自動(dòng)將距離分成三段，即加速段、勻速段和減速段。由前述可知加速段和減速段具有對(duì)稱性，這可以簡(jiǎn)化程序。然后按照上述S形速度曲線公式確定每段所需運(yùn)行時(shí)間及各拐點(diǎn)時(shí)間，求出各拐點(diǎn)速度，再按插值法求出速度曲線并存入CPU的RAM中。在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候就可以用實(shí)測(cè)速度與給定速度曲線上對(duì)應(yīng)的速度進(jìn)行比較求得的差值按一定的算法求出控

53、制量去調(diào)節(jié)變頻器的給定頻率從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，使之按給定速度曲線運(yùn)行。 礦井提升機(jī)速度給定曲線的優(yōu)劣對(duì)其性能的好壞有著重要影響，應(yīng)用上述理想S形速度給定曲線可極大地改善礦井提升機(jī)運(yùn)行特性，延長(zhǎng)其使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，只要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卣{(diào)整最大加速度、加加速度及它們之間的比值，就能快速、方便地得到一條優(yōu)良的S形速度給定曲線。另外，在程序?qū)崿F(xiàn)上，盡管其數(shù)學(xué)模型相對(duì)復(fù)雜，浮點(diǎn)計(jì)算量大，但隨著CPU性能的突飛猛進(jìn)，PLC編程越來(lái)越容易，且不會(huì)大幅增加其CPU循環(huán)周期。（I）提升機(jī)給定速度 根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，按照煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并結(jié)合礦井實(shí)際情況，選取提升機(jī)運(yùn)行速度參數(shù)如下：提升機(jī)額定運(yùn)行

54、速度v1=7.0m/s,爬行速度v4=2m/s, a1=0.9 m/,1=0.9 m/則在啟動(dòng)加速段oabc內(nèi)=1，t1=1.5707s,t2=7.347s, t3=8.9184s,v2 =6.1m/s,Soc=31.3855m。在defg減速段內(nèi)=1，t2=1.5707s, t2=5.1255s, t3=6.6962s, v3=2.9007m/s, Sdg =16.7389m。在減速停車段，由于無(wú)勻加速段，故v5= v4/2=1m/s,由式v5= 解得到=1.57s,=1.40s ,求解得到：shi=2m。由此得到實(shí)際S形速度給定曲線（見(jiàn)圖44），其可以通過(guò)PLC編程控制實(shí)現(xiàn),圖中加速和減速

55、段的時(shí)間均在變頻器上設(shè)置。圖44礦井提升機(jī)工作時(shí)序圖 （1）第一階段0t3：串車車廂在井底工作面裝滿煤后，發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)給井口提升機(jī)操作工人，操作工人在回復(fù)一個(gè)信號(hào)到井底，然后開(kāi)機(jī)提升。重車從井底開(kāi)始上行，重車起動(dòng)后，開(kāi)始持續(xù)加速達(dá)到變頻器的設(shè)定頻率f2，在此期間提升機(jī)的速度逐漸加快。 （2）第二階段t3t：勻速運(yùn)行階段。上升時(shí),電動(dòng)機(jī)保持電動(dòng)狀態(tài),重車提升機(jī)以額定運(yùn)行速度穩(wěn)定運(yùn)行。下放時(shí),由測(cè)速發(fā)電機(jī)反映轉(zhuǎn)子下放速度,當(dāng)速度高于v1時(shí),增大勵(lì)磁電流,提高制動(dòng)力矩,使箕斗在斜坡上勻速運(yùn)行。一般，這段過(guò)程最長(zhǎng)。 （3）第三階段tt3：重車快到井口時(shí)減速階段，重車減速到低速，進(jìn)入爬行階段。如減速時(shí)

56、間設(shè)置較短時(shí)，變頻器制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻起作用，不致因減速過(guò)快跳閘。 （4）第四階段t3：重車以變頻器頻率為f1速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。 （5）第五階段：到達(dá)停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，制動(dòng)系統(tǒng)閘制動(dòng)。操作工人發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)到井下，整個(gè)提升過(guò)程結(jié)束。在軟件編程中，對(duì)勻加速段、勻減速段采用查表法，其它各段速度勻按距離給出，計(jì)算公式如前。這樣既能避免計(jì)算量過(guò)大，又能避免占用的內(nèi)存量過(guò)大。此外，為了改善調(diào)速系統(tǒng)的跟隨性，在PLC中用軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的微分前饋控制。綜合以上步驟就可以完成S形給定速度曲線的實(shí)現(xiàn)。（II）提升機(jī)給定力 根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式： 式中：Te電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；T1單軸傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；J單軸傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；單軸傳動(dòng)系統(tǒng)的