礦用蓄電池電機(jī)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、圖書分類號：密 級：畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)礦用蓄電池電機(jī)車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Mine battery electric locomotive control system design學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名： 日期：學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文

2、的知識產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn)行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：日期：年月日 日期：年月日摘要礦用蓄電池電機(jī)車是專門針對礦出產(chǎn)的一種非常關(guān)鍵的設(shè)備，由于其精準(zhǔn)的定位和卓出的功效而對礦井的出產(chǎn)有極其關(guān)鍵的作用。一般礦用蓄電池電機(jī)車在眾多的調(diào)速體系中選繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻的交流調(diào)速體系，目前正在使用的的大、中型礦用的蓄電池電機(jī)車一般選用磁場換向的晶閘管直流可逆調(diào)速

3、體系,上述調(diào)速辦法技能落后，構(gòu)造雜亂，工作過程中帶來高昂的維護(hù)費(fèi)用。而優(yōu)點(diǎn)頗多的全數(shù)字變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用使得現(xiàn)代交流調(diào)速體系更加完備。這篇文章首要內(nèi)容就是依據(jù)實(shí)踐的出產(chǎn)需求，規(guī)劃以DTC為核心技能的礦用蓄電池電機(jī)車變頻調(diào)速體系，論述直接轉(zhuǎn)矩操控原理，介紹變頻器功用及其操作，以完成蓄電池電機(jī)車工作的五個(gè)期間:發(fā)動(dòng)、加快、勻速、減速和制動(dòng)匍匐期間的準(zhǔn)確操控。關(guān)鍵詞：蓄電池；變頻器；仿真AbstractMine battery electric locomotive is mine production is mainly of large-scale equipment, to produce a

4、nd safety of the mine, plays a very main effect. Traditional most of mine electric locomotive selection battery wound rotor asynchronous motor rotor loop communication series resistance speed governing system, the current production of large and medium-sized coal mine battery electric locomotive mos

5、t choose magnetic field directional thyristor direct current reversible speed control system, the speed adjustment way of skills, in the process of the work with high maintenance costs. Use full digital frequency control of motor speed and the skills of modern communication speed regulation system o

6、n behalf of the mine electric locomotive battery skills leading level. Direct Torque Control (Direct Torque Control DTC) skills is a kind of high utility frequency Control of motor speed. After direct stator coordinates calculation, intuitive and high calculation speed and precision of the system, n

7、ot mixed and disorderly coordinate transformation and the parameter calculation, has now become the leading way in today's communication asynchronous motor control. This article primary content is on the basis of the practical production demand, planning for DTC core skills of mine electric loco

8、motive battery frequency control system, discusses the principle of direct torque control, introduces the function and its operating frequency converter, to complete the battery of electric locomotive work five: during launch and brake, accelerate, uniform speed and slowdown during the accurate cont

9、rol of creeping, to obtain the high dynamic torque response of the function.Keywords：storage batteryfrequency convertersimulation目 錄摘要IIAbstractIII1 緒論11.1 礦用功率系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)11.2 對變頻器的要求3對變頻器的要求31.2.2 系統(tǒng)功能簡介31.2.3 功率系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)42 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)52.1 異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型52.2 電壓型逆變器的數(shù)學(xué)模型62.3 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理82.4 速度調(diào)節(jié)環(huán)93 變頻器的選型103.1 選型應(yīng)注

10、意的問題103.2 ACS600系列變頻器的選型113.3 變頻器的應(yīng)用程序特性11原理圖11應(yīng)用程序特性123.3.3 ACC600功能塊描述143.4 本章小結(jié)154功率系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)164.1主回路部分17二極管供電部分17制動(dòng)部分184.1.3 傳動(dòng)部分184.2控制回路19變頻器的控制回路介紹194.2.2 變頻器標(biāo)準(zhǔn)I/O口與外部控制的連接設(shè)計(jì)194.2.3 速度反饋的連接設(shè)計(jì)21速度圖提升的實(shí)現(xiàn)215直接轉(zhuǎn)矩控制礦井功率系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)235.1直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的軟件功能模塊設(shè)計(jì)235.2 控制盤簡介245.3 軟件實(shí)現(xiàn)266 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真286.1 系統(tǒng)仿真工

11、具M(jìn)ATLAB的介紹286.2 動(dòng)態(tài)仿真工具Simulink286.3控制系統(tǒng)仿真模型286.3.1 異步電動(dòng)機(jī)仿真模塊28轉(zhuǎn)矩觀測器的模塊30電壓和電流的坐標(biāo)變換模塊316.3.4 磁鏈、轉(zhuǎn)矩控制模型326.3.5 逆變器開關(guān)狀態(tài)選擇模塊346.4 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的仿真參數(shù)367 結(jié)論39致謝40參考文獻(xiàn)41附錄42附錄1421緒論電氣傳動(dòng)作為一個(gè)獨(dú)特的存在，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間扮演了一個(gè)組織者的角色，有多種電能機(jī)械能的轉(zhuǎn)換方式，而因?yàn)槠滢D(zhuǎn)換中應(yīng)用的執(zhí)行部件直流電動(dòng)機(jī)或交流電動(dòng)機(jī)的不同，我們把電氣傳動(dòng)這一大類，又分為交流電氣傳動(dòng)和直流電氣傳動(dòng)兩小類。交流電動(dòng)機(jī)一般分同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)

12、兩部分，本文主要研究的是異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案。1)調(diào)速系統(tǒng)主要方案變頻調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)串級調(diào)速；變極對數(shù)調(diào)速；電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速；降壓調(diào)速；繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速等。2) 異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的分類在交流異步電動(dòng)機(jī)中，是指從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率，而可以分成兩部分:一，是有效功率，它可以拖動(dòng)負(fù)載的；二，與轉(zhuǎn)差率s成正比,即轉(zhuǎn)差功率。如果針對轉(zhuǎn)差功率的流向，異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)又可分為：回饋型，不變型，耗費(fèi)型。1.1礦用功率系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1礦用蓄電池電機(jī)車運(yùn)行原理運(yùn)行原理：直流電電流經(jīng)隔爆插銷、控制器、電阻箱然后進(jìn)入到電動(dòng)機(jī)，從而驅(qū)使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)裝置然后帶動(dòng)車輪運(yùn)轉(zhuǎn)，最后

13、使?fàn)恳熊囆旭?。目前我國煤礦使用的電機(jī)車都是直流串激電動(dòng)機(jī)1。由于蓄電池式電機(jī)車是用蓄電池供給電能，所以每臺電機(jī)車必須配備2-3套蓄電池組，還有的作為備用。礦用機(jī)車運(yùn)行時(shí)，車輪與軌面間會產(chǎn)生摩擦力，就會產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)使電機(jī)車向前的力，然后電機(jī)車正常行駛。但是其牽引力受多種條件所限，既和牽引電機(jī)功率的有關(guān)，又受軌道和車輪間的摩擦條件所限。機(jī)車運(yùn)輸能行駛的坡度有一定要求，不能過高，多數(shù)情況下為3，偶爾也不能大過30。礦用電機(jī)車一般由兩個(gè)部分組成：電氣部分，機(jī)械部分2。機(jī)械部分包括：撒砂裝置，車架，軸承箱，彈簧托架，制動(dòng)裝置，輪對，連接緩沖裝置等。電器部分包括：直流串激電動(dòng)機(jī)，受電弓，隔爆插銷，控制器，

14、空氣自動(dòng)開關(guān)或電阻箱，蓄電池等。機(jī)車的主體結(jié)構(gòu)主要承載各樣部件，也就是車架，一般是由厚鋼板焊接而成的一個(gè)框架結(jié)構(gòu)。電機(jī)車上的電氣和機(jī)械部件大都被安裝在承載能力很好的車架上，但不是全部，因?yàn)檩唽洼S承箱沒有被安裝在車架上。輪對如圖1-1所示：圖1-1 礦井電機(jī)車輪對圖1車軸；2.輪心；3.輪圈；4.軸瓦；5.齒輪；6.軸頸車輪一般分為兩種，一種是輪芯與輪箍被熱壓，然后被安裝在一起的結(jié)構(gòu)；另一種是整體車輪。通常情況下會選用前者，因?yàn)檩喒繒驗(yàn)槟p和損耗而需要更換，而此時(shí)只需更換輪箍即可。驅(qū)動(dòng)輪對有傳動(dòng)齒輪。車架在彈簧支承的幫助下，安裝在軸箱上，彈簧托架有緩沖和支撐的作用，由彈簧、連桿、均衡梁組成。

15、由于材質(zhì)和環(huán)境等影響，軌道會有不平或局部有凸凹發(fā)生，均衡梁則用來均衡各車輪上負(fù)荷，使之平穩(wěn)運(yùn)行。一般礦用電機(jī)車齒輪傳動(dòng)部件有單級開式齒輪傳動(dòng)和兩級閉式齒輪減速箱兩種結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)：沒有火花，可以在有瓦斯的礦井使用；不用架線，適合在產(chǎn)量小或者巷道不規(guī)則的運(yùn)送體系。缺點(diǎn)：須設(shè)充電設(shè)備；前期投資大。礦井電機(jī)車速度圖如圖1-2所示：t0t2t1t3t4t5 圖1-2礦井電機(jī)車速度圖為提升高度。罐籠爬行距離及高度：=0.4m/s，爬行距離：5.0m。抱閘停車時(shí)間：約1s，提升高度可以考慮在爬行高度內(nèi)。2 礦用電機(jī)車運(yùn)行過程電機(jī)車的操縱桿可以操縱電機(jī)車運(yùn)行的方向、加速等。電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)拖車行駛接近出口

16、時(shí)需要減速制動(dòng)。電機(jī)車的工作過程基本上是相通的，不管正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)都有起動(dòng)、加速、穩(wěn)定運(yùn)行、減速、爬行、制動(dòng)停車等六個(gè)階段。3每一次上升運(yùn)行的時(shí)間和好多因素相關(guān)比如與系統(tǒng)的運(yùn)行速度、加速度及礦井的深度有關(guān)，而具體的操作則很多時(shí)候都是現(xiàn)場工人根據(jù)實(shí)際情況而做出相應(yīng)的決定。為了能夠很好的實(shí)現(xiàn)上述要求，嚴(yán)格按照速度圖運(yùn)行，獲得精確的控制，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，選擇異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式，至關(guān)重要。所以，本文選擇具有直接轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器進(jìn)行調(diào)速。因?yàn)樵擃愋偷淖冾l調(diào)速完成了功率系統(tǒng)的平緩調(diào)節(jié)速度，使電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)升高，又因?yàn)樽冾l調(diào)速省去了調(diào)速、正反轉(zhuǎn)接觸器等，基本上使傳統(tǒng)電機(jī)車的不良之處得到改良和完善，使設(shè)

17、備性能顯著的發(fā)揮，這就是本文選用變頻調(diào)速應(yīng)用到功率系統(tǒng)的主要目的，在此不再贅述。1.2對變頻器的要求1.2.1對變頻器的要求礦用電機(jī)車是礦產(chǎn)企業(yè)日常生產(chǎn)和運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，所以不能讓其停止工作，否則將造成全公司停產(chǎn)，為了避免產(chǎn)生各種負(fù)面和消極的影響，所以電機(jī)車對變頻器要求有以下主要特點(diǎn)：1) 要求可靠性高；2) 可以完成在一、四象限的正常運(yùn)行；3) 要有完善的數(shù)字控制功能；4) 要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和性能嚴(yán)格；5) 要求適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；6) 要求標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信接口；7) 勻速行駛，運(yùn)行速度要成為線形；因此選用具有直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻器ABB公司生產(chǎn)的ACS600系列變頻器來設(shè)計(jì)功率系統(tǒng)。5它能

18、夠根據(jù)當(dāng)時(shí)的實(shí)際情況精準(zhǔn)的按照預(yù)先設(shè)置的的運(yùn)行曲線，輸出不同的速度值來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以完全滿足了礦井電機(jī)車對各種情況的不同要求。本文采用了變頻器廠商自帶的特殊的編程控制盤，具有編程簡單，系統(tǒng)可靠，調(diào)試方便，控制精確，維護(hù)和操作簡單等特點(diǎn)。1.2.2 系統(tǒng)功能簡介1) 速度調(diào)節(jié)靈活：速度調(diào)節(jié)范圍能夠從0HZ50HZ完成無級變速調(diào)節(jié)。只需調(diào)節(jié)主令桿即可操縱速度，將速度穩(wěn)定的控制在給定的范圍內(nèi)但不需要速度閉環(huán)控制就能得到較高的控制精度。 2) 重載低速啟動(dòng)：ABB公司生產(chǎn)的ACS600系列變頻器內(nèi)置有專用的電機(jī)車宏，它采用直接轉(zhuǎn)矩方式對變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行操控，在其達(dá)到0.5HZ時(shí)，最大輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)到

19、150%，200%額定電流過流保護(hù)達(dá)1分鐘。3) 比較完善的安全保護(hù)系統(tǒng)：本系統(tǒng)遵循2005版煤安規(guī)程：等速段過速保護(hù)；減速段超速保護(hù)；減速點(diǎn)自動(dòng)減速保護(hù)；過負(fù)荷、欠電壓保護(hù)；松繩保護(hù)。 4) 簡單的控制方式半自動(dòng)控制方式。即：操作者可以通過主令手柄進(jìn)行操作，起動(dòng)過程是由變頻器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電器切除電阻來進(jìn)行的。加速過程，只要操作者給定加速命令，之后電動(dòng)機(jī)工作在自然機(jī)械特性曲線的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，進(jìn)入恒速階段。當(dāng)?shù)綔p速點(diǎn)時(shí)，操作者輸入減速命令，系統(tǒng)按照指令減速，沒有二級強(qiáng)制減速，以保證減速點(diǎn)后系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。1.2.3 功率系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)礦用功率的結(jié)構(gòu)圖2直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)近10年來，直接轉(zhuǎn)矩操控變

20、頻調(diào)速的技術(shù)是繼矢量操控變頻調(diào)速技能以后發(fā)展起來的一種新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)。電機(jī)調(diào)速動(dòng)靜態(tài)特性的好壞是由轉(zhuǎn)矩操控功能的優(yōu)劣來決定的6。2.1異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。7結(jié)論傳統(tǒng)的礦井功率系統(tǒng)由于串電阻屬于有級調(diào)速從而使系統(tǒng)機(jī)械特性變軟，速度的穩(wěn)定性和調(diào)速精度變差，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)。這樣會使系統(tǒng)調(diào)速出現(xiàn)間斷，消耗電能大。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)是一種交流調(diào)速系統(tǒng)，它省除了交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，機(jī)械沖擊小。啟動(dòng)及加速時(shí)無突然過高電流出現(xiàn)，電機(jī)車在重載下從低速平穩(wěn)無級穩(wěn)定地升至最高速，極大地削弱了對電網(wǎng)的反復(fù)沖擊，更加安全的保護(hù)電路和傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到軟起動(dòng)平滑調(diào)速和軟停車和定點(diǎn)停車。操作指

21、令和操作桿結(jié)合使用，更加方便了操作，因此具有很好的操作效果，另外它的結(jié)構(gòu)也很簡單。本文在設(shè)計(jì)時(shí)也存在一些問題有待在以后的工作學(xué)習(xí)中深入研究，由于本人專業(yè)水平有限及時(shí)間限制，未能對系統(tǒng)在安全接地方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，沒有利用現(xiàn)場總線、PLC或DSP等技術(shù)的全數(shù)字式的控制系統(tǒng)。由于本文所設(shè)計(jì)的這種系統(tǒng)還沒有正式的投入生產(chǎn)實(shí)踐，其中對礦井電機(jī)車運(yùn)行存在的一些問題還不得而知。致謝參考文獻(xiàn)1 李川、如麟.電機(jī)控制的現(xiàn)狀與發(fā)展J.微特電機(jī)2002，(2).2 孟彥京、趙廣社、許德三.近代交流調(diào)速的技術(shù)狀況與發(fā)展動(dòng)向J.西北輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,3.3 周煉、謝運(yùn)祥.交流調(diào)速系統(tǒng)及相應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展綜述J.

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