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礦井提升機 礦山機電設備論文 題目 礦井提升機 姓 名 曹曉亮 班 級 采礦 09 2 班 學 號 0926610202 指導教師 李國華 日期 2012 年 5 月 22 日 礦井提升機 摘摘要要 隨著電力電子技術的發(fā)展 電動機的控制也得到了空前的發(fā)展 原 來以直流電機為主要控制對象的時代已經(jīng)被取代 取而代之的是交流電 機 交流電機與直流電機相比有其天然的優(yōu)勢即 成本低 過載能力強 操作簡單 易于控制等 但是交流電機又有自己一個明顯的缺點就是不 易調速 為了解決交流電機不易調速的缺點研究人員經(jīng)過長時間的研究 終于找到了比較好的解決方法 這就是變頻調速 于是變頻器便成了交 流電機控制中一個比較核心的部分 因為它的好壞直接關系整個控制系 統(tǒng)的性能 于是采用什么樣的控制方案設計變頻器便成了異步電動機調 速設計當中非常重要的問題 本文讓我知道了礦用提升機的應用和發(fā)展前景 依據(jù)現(xiàn)有礦用設備 對整個礦用提升機系統(tǒng)進行了深入的研究 礦井提升機 目錄目錄 摘要摘要 I 1 緒論緒論 3 1 1 礦井提升機系統(tǒng)的概述 4 1 2 礦用高壓變頻器的發(fā)展 5 2 礦用提升機拖動方案選擇礦用提升機拖動方案選擇 9 2 1 拖動控制系統(tǒng)選型比較 10 2 2 提升機電控系統(tǒng)選型 11 3 變頻器控制的研究及變頻器的選型變頻器控制的研究及變頻器的選型 12 參考文獻參考文獻 14 礦井提升機 1 緒論 1 1 礦井提升機系統(tǒng)的概述 礦井提升機是礦山大型固定設備之一 是井下與地面的主要運輸工 具 礦井提升機主要擔負一個礦井所有的礦物 煤 礦石 提升 升降人 員 運輸設備 下放材料等 根據(jù)提升機的工作種類或工作原理的不同 提升機有不同的分類 提升機按工作種類可分為 l 主井提升機 擔負礦井生產(chǎn)礦物提升的主提升機 2 副井提升機 擔負礦井人員 材料 設備等升降任務的提升機 按驅動方式可分為 1 直流提升機 2 交流提升機 直流提升機又分為 l 發(fā)電機組控制提升機 2 晶閘管調速提升機 交流提升機分為 1 TDK 系列串電阻柜調速提升機 2 串極調速提升機 3 變極調速提升機 4 變頻調速提升機 各類提升機的工作原理和構造雖然差別很大 但它們都有一些共同 的不可缺少的部分組成 如圖 1 1 所示 礦井提升機 電源系統(tǒng) 懸掛系統(tǒng)傳動系統(tǒng)電力系統(tǒng) 制動裝置 保護裝置 控制裝置 圖 1 1 提升機組成框圖 動力裝置 主電機 傳動系統(tǒng) 減速機 聯(lián)軸器 滾筒 導向輪等 制動系統(tǒng)裝置 制動器和液壓傳動裝置 潤滑冷卻系統(tǒng) 潤滑泵站及管路 懸掛裝置 提升容器 箕斗或罐籠 鋼絲繩 聯(lián)軸器等 電源系統(tǒng) 主變壓器 高壓裝置 低壓裝置等 控制系統(tǒng) 操作臺 行程監(jiān)控器 繼電器柜 傳動柜 保護系統(tǒng) 提供礦井提升機完善后備保護的系統(tǒng) 以上是關于礦用提升機的作用 類型和結構做了以下簡單的介紹 接下來將簡單的介紹一下礦用提升機的發(fā)展情況 目前國內(nèi)礦用提升機一般都還是采用交流繞線式電機轉子串電阻調 速控制系統(tǒng) 提升機在減速和爬行階段的速度控制性能較差 特別在負 載變動時很難實現(xiàn)恒減速控制 經(jīng)常會造成過卷和過放事故 提升機頻 繁的啟動和制動工作過程會使轉子串電阻調速產(chǎn)生相當嚴重的能耗 轉 子串電阻調速控制電路復雜 接觸器 電阻器 線繞電機電刷等容易損 壞 影響生產(chǎn)效益 隨著最近幾年電力電子和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展 交流電機越來越多 礦井提升機 的被用到現(xiàn)在工業(yè)當中 大有取代直流電機的趨勢 變頻調速系統(tǒng)應運 而生 并逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)的寵兒 現(xiàn)在國內(nèi)有些煤礦已經(jīng)開始應用變 頻技術來控制提升機并取得了很好的效果 隨著現(xiàn)代數(shù)字電子的發(fā)展計 算機控制已經(jīng)成為一種很成熟的控制技術它以它的節(jié)能和使用方便等諸 多優(yōu)點成為了一種主流控制方式 于是以數(shù)字技術為基礎的變頻調速也 必將成為交流電機調速的一種趨勢 現(xiàn)在我國也已經(jīng)開始進行了數(shù)控化的開發(fā)研制 并逐漸應用到了提 升機里面 國內(nèi)如大中專院校 企業(yè)院所正在做數(shù)字化提升機電控系統(tǒng) 的集成開發(fā)嘗試 考慮當今數(shù)控技術的發(fā)展 緊密結合提升機控制工藝 的要求 我們認為當今先進的數(shù)字化提升機應具有以下特點 在驅動控制上 礦井提升機與直流拖動與交流拖動相比 調速性能 好 不需要附加其他拖動裝置 隨著驅動控制產(chǎn)品的成熟 完全能夠實 現(xiàn)全數(shù)字化控制 大大提高了系統(tǒng)的可靠性與控制精度 在整個系統(tǒng)的配置上 應采用現(xiàn)在比較成熟的網(wǎng)絡化設計 增加系 統(tǒng)的可靠性 減少了現(xiàn)場的工作量 減低的系統(tǒng)的整體成本 1 2 礦用高壓變頻器的發(fā)展 隨著現(xiàn)代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發(fā)展 促進了電氣 傳動的技術革命 交流調速取代直流調速 計算機數(shù)字控制取代模擬控 制已成為發(fā)展趨勢 交流電機變頻調速是當今節(jié)約電能 改善生產(chǎn)工藝 流程 提高產(chǎn)品質量 以及改善運行環(huán)境的一種主要手段 變頻調速以 其高頻率 高功率因數(shù) 以及優(yōu)異的調速和啟制動性能等諸多優(yōu)點而被 國內(nèi)外認為最有前途的調速方式 以前的高壓變頻器 由可控硅整流 可控硅逆變等器件構成 缺點 很多 諧波大 對電網(wǎng)和電機都有影響 近年來 發(fā)展起來的一些新型 礦井提升機 器件將改變這一現(xiàn)狀 如 IGBT IGCT SGCT 等 由它們構成的高壓 變頻器 性能優(yōu)異 可以實現(xiàn) PWM 逆變 甚至是 PWM 整流 不僅具 有諧波小 功率因數(shù)也有很大程度的提高 1 2 1 國產(chǎn)高壓變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀 目前 在國內(nèi)有大量的低壓變頻器廠商 其大部分為 AC380V 的中 小功率產(chǎn)品 而在高壓大功率變頻器方面 卻為數(shù)不多 能夠研制 生 產(chǎn) 并提供服務的高壓變頻器廠商 僅有少數(shù)的具備科研能力或資金實 力的個別企業(yè) 國內(nèi)僅有少部分的中 高壓電機進行了變頻調速改造 且普通采用 v f 控制方式 高壓變頻器的品種和性能還處于發(fā)展階段 每年市場仍 需大量進口 這些狀況主要表現(xiàn)在如下幾個方面 l 國外各大品牌的產(chǎn)品正加緊占領國內(nèi)市場 并加快了本地化的步伐 2 具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的企業(yè)少 3 國產(chǎn)高壓變頻器的功率等級較低 目前不超過 3500kw 4 國內(nèi)高壓變頻器的技術標準還有待規(guī)范 5 與高壓變頻器相配套的產(chǎn)業(yè)很不發(fā)達 6 生產(chǎn)工藝落后 面前滿足變頻器產(chǎn)品的技術要求 但價格低廉 7 變頻器中使用的功率半導體 驅動電路 電解電容等關鍵部件完全 依賴進口 8 與發(fā)達國家的技術差距在縮小 具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品正應用在 國民經(jīng)濟中 9 己經(jīng)研制出具有瞬時掉電再恢復 故障再恢復等功能的變頻器 10 能夠進行四象限運行的高壓變頻器尚在研究與開發(fā)中 礦井提升機 1 2 2 國外商壓變頗器的發(fā)展現(xiàn)狀 國外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商 均形成了系列化的產(chǎn)品 其控制系 統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化 幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能 完善的工 藝水平也是國外品牌的一大特點 目前 在發(fā)達國家 只要有電機的場 合 就會同時有變頻器的存在 其現(xiàn)階段發(fā)展情況主要表現(xiàn)如下 l 技術開發(fā)起步早 并具有相當大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模 2 能夠提供特大規(guī)模的變頻器 目前已經(jīng)超過 10000kw 3 變頻調速產(chǎn)品的技術標準比較完備 4 與變頻器相關的配套產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模 5 能夠生產(chǎn)變頻器中的功率器件 如 IGBT IGCT SGCT 等 6 高壓變頻器在各個行業(yè)中被廣泛應用 并取得了顯著的經(jīng)濟效益 7 產(chǎn)品國際化 當?shù)鼗觿?8 新技術 新工藝層出不窮 并被大量的 快速的應用與產(chǎn)品中 目 前沒有 10kv 產(chǎn)品 1 2 3 高壓變頻器的未來發(fā)展態(tài)勢 交流變頻調速技術是強弱電混合 機電一體的綜合技術 既要處理 巨大電能的轉換 整流 逆變 又要處理信息的收集 變換和傳輸 因 此它必定會分成功率和控制兩大部分 前者要解決與高壓大電流有關的 技術問題 后者要解決的軟硬件控制問題 因此 未來高壓變頻調速技 術也將在這兩方面得到發(fā)展 其主要表現(xiàn)為 1 高壓變頻器將朝著大功率 小型化 輕型化的方向發(fā)展 2 高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加 器件串聯(lián)和單元串聯(lián) 兩個方向發(fā)展 3 更高電壓 更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中 礦井提升機 4 現(xiàn)階段 IGBT IGCT SGCT 仍將扮演著主要的角色 SCR GTO 將會退出變頻器市場 5 無速度傳感器的矢量控制 磁通控制和直接轉矩控制等技術的應用 將趨于成熟 6 全面實現(xiàn)數(shù)字化和自動化 參數(shù)自設定技術 過程自優(yōu)化技術 故障 自診斷技術 7 應用 32 位 MCU DSP 及 ASIC 等器件 實現(xiàn)變頻器的高精度 多 功能 8 相關配套行業(yè)正朝著專業(yè)化 規(guī)?；l(fā)展 社會分工將更加明顯 2 礦用提升機拖動方案選擇 實現(xiàn)工業(yè)自動化控制可以用多種方式來實現(xiàn) 總體方案設計中選擇 何種控制系統(tǒng)是關鍵的一環(huán) 它直接關系到投資成本 耗能 可靠性 安全性和應用效果 本系統(tǒng)的總體方案選型主要包括監(jiān)控系統(tǒng)的選型和 拖動系統(tǒng)的選型 其中監(jiān)控系統(tǒng)選型又包括操作站系統(tǒng)的選型和主控制 系統(tǒng)的選型 這里僅對主控系統(tǒng)的拖動方案選擇 2 1 拖動控制系統(tǒng)選型比較 2 1 1 交流傳動系統(tǒng) 交流傳動系統(tǒng)泛指以各種交流電動機為控制對象的傳動系統(tǒng) 一般 地說 交流傳動比較簡單 設備和安裝費用低 建筑占地面積小 但電 氣調速性能差 減速和爬行階段需要附加拖動裝置 1 串級調速在繞線轉子異步電動機轉子回路中引入外加電動勢 以 礦井提升機 改變電動機運行轉差率而獲得不同轉速 根據(jù)產(chǎn)生附加電勢的方法不同 異步串級拖動可分為直流電機串級 離子串級以及可控硅直流串級 目 前廣泛采用的是后者 該拖動方式具有效率較高 調速平滑 爬行段不 需附加其它設備和控制性能好等特點 它的缺點是功率因數(shù)低 顛覆力 矩降低約 17 線路較復雜 投資較高等 2 變頻調速大型提升機采用變頻調速取代傳統(tǒng)的直流傳動是近年來 的發(fā)展趨勢 它克服了大功率直流電動機換向器的換向能力受限 設計 制造及維護困難和電動機體積龐大等問題 變頻調速是利用異步電動機 的同步轉速隨頻率變化的特性 通過改變異步電動機的頻率進行調速的 方法 它有以下顯著的優(yōu)點 l 輸出功率可以連續(xù)調節(jié) 可以實現(xiàn)電動機無級調速 2 功率因數(shù)高 利用效率高 節(jié)能效果顯著 l 有發(fā)無功功率的能力 不消耗電網(wǎng)上的無功 2 穩(wěn)壓性能好 如設備在額定功率下運行 能保證電動機在額定電 壓下 運行 從而避免了因電壓高 低 對電機所造成的危害 3 在電動機的負荷低于額定功率時 它可以根據(jù)給定值來調整電動 機的輸出功率 3 對電網(wǎng)電壓波動有很大的適應能力 并能大大減少系統(tǒng)對電網(wǎng)的污 染 4 可調范圍 頻率可在 0Hz 400Hz 之間進行調節(jié) 寬 可以實現(xiàn)大范圍 調速 并能保證很硬的輸出特性 并且動態(tài)響應特性好 調速精度高 適用于各種壓力 溫度 速度 流量的控制 5 啟動 停止平穩(wěn) 極大地緩和了對電動機的沖擊 使電動機能夠平 穩(wěn)地加速或減速 從而避免了驟然啟動或驟然停止所造成的損害 大大 礦井提升機 延長了電動機及整套機組的使用壽命 除此之外 更兼其體積小 重量輕 通用性強的特點 因此 變頻 調速技術越來越廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)領域 這將極大地提高工業(yè)生產(chǎn) 領域的自動化水平 從而可以實現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能的目的 2 1 2 直流傳動系統(tǒng) 1 直流發(fā)電機一電動機傳動方式控制直流發(fā)電機的勵磁實現(xiàn)電動機 變電樞電壓調速 均勻地調節(jié)勵磁電流和極性 可方便地實現(xiàn)轉速無級 調速和四象限運行 其缺點是設備和安裝費用高 建筑占地面積大 發(fā) 電機組維護工作量大 2 晶閘管變流裝置供電方式利用晶閘管變流裝置組成的可逆系統(tǒng)是 一種可實現(xiàn)四象限運行 性能好的調速系統(tǒng)且效率高 可節(jié)能 維護工 作量小 在該系統(tǒng)下一般均采用以電樞電流反饋為內(nèi)環(huán)和測速反饋為外 環(huán)的雙環(huán)調節(jié)系統(tǒng) 可逆系統(tǒng)基本上采用有環(huán)流控制和無準備切換邏輯 無環(huán)流控制兩種控制方式 2 2 提升機電控系統(tǒng)選型 在保證系統(tǒng)的可靠 安全和經(jīng)濟性的前提下 綜合考慮上述各種方 案的優(yōu)缺點 本系統(tǒng)各模塊的選型方案如下 拖動控制系統(tǒng) 采用三相交流異步電動變頻調速系統(tǒng) 以實現(xiàn)節(jié)能 穩(wěn)定運行 另外 本系統(tǒng)的上位機系統(tǒng) 采用觸摸式顯示屏 以模擬畫面形式 顯示出絞車運行的各種狀態(tài) 各種參數(shù)及各種控制元件工作狀況 主控 制系統(tǒng) 采用完全獨立的兩套 PLC 系統(tǒng)進行過程實時監(jiān)控實現(xiàn)安全回 路的雙線制 在這 由于時間原因就不過多介紹此部分 礦井提升機 3 變頗器原理及選型 3 1 1 變頗器原理 變頻調速是通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調速的目的 變頻器的工作原理是把市電 380V 50Hz 通過整流器變成平滑直流 然 后利用半導體器件 GTO GTR 或 IGBT 組成的三相逆變器 將直流電 變成可變電壓和可變頻率的交流電 由于采用微處理器編程的正弦脈寬 調制 SPWM 方法 使輸出波形近似正弦波 用于驅動異步電機 實現(xiàn) 無級調速 通用變頻器的基本結構原理如圖 4 1 所示 由圖 4 1 可見通 用變頻器由功率主電路和控制電路及操作顯示三部分組成 主電路包括 整流器 直流中間電路 逆變器及檢測部分的傳感器 圖中未畫出 直 流中間電路包括限流電路 濾波電路和制動電路以及電源再生電路等 控制電路主要由主控電路信號檢測電路 保護電路控制電源和操作顯示 接口電路等組成 高性能矢量型通用變頻器由于采用了矢量控制方式 在進行矢量控制時需要進行大量的運算 其運算電路中往往還有一個以 數(shù)字信號處理器 DSP 為主的轉矩計算用 CPU 及相應的磁通檢測和調節(jié) 電路 3 1 2 模糊 PID 變頻器系統(tǒng)原理 前面我們已經(jīng)提到由于變頻器的設計涉及到很多運算 同時它又對 系統(tǒng)的實時性要求比較嚴格 基于這些原因一般采用由 DSP 為核心的 變頻系統(tǒng) 基于 DSP 的矢量控制調試系統(tǒng)由功率電路 控制系統(tǒng)及輔 助電路組成 功率電路由電壓型的交 直 交變壓變頻結構 驅動電路 和交流電機組成 控制系統(tǒng)由 DSP 芯片為核心及其外圍輔助電路組成 用來完成矢量控制核心算法 SVPWM 產(chǎn)生 轉矩推算 相關電壓電流 礦井提升機 的檢測處理等功能 為了擴大使用范圍 該系統(tǒng)設計時考慮了有速度傳 感器的情況 輔助電路由輔助開關電源 光電編碼器 濾波放大器和電 流互感器組成 以實現(xiàn)給系統(tǒng)提供多路直流電源 電機轉速檢測及放大 等功能 3 1 3 控制系統(tǒng)模型 控制系統(tǒng)采用轉子磁場定向間接矢量控制方案 速度估算采用基于 電壓和電流模型的模型參考自適應方法 其系統(tǒng)結構如圖 4 14 所示 整個系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制 轉矩環(huán)和磁通環(huán)為內(nèi)環(huán) 轉速環(huán)為外環(huán) 為 了增強系統(tǒng)的魯棒性 提高系統(tǒng)的靜動態(tài)性能 減小系統(tǒng)開發(fā) 調試所 需的時間 構造了模糊 PID 自適應控制器 取代傳統(tǒng) PI 控制器 磁