礦山機(jī)電設(shè)備論文

1、 山西煤炭管理干部學(xué)院成人高等教育畢業(yè)論文（初稿） 摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電動機(jī)的控制也得到了空前的發(fā)展，原來以直流電機(jī)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(jī)，交流電機(jī)與直流電機(jī)相比有其天然的優(yōu)勢即：成本低、過載能力強(qiáng)、操作簡單、易于控制等。但是交流電機(jī)又有自己一個明顯的缺點(diǎn)就是不易調(diào)速。為了解決交流電機(jī)不易調(diào)速的缺點(diǎn)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(diào)速。于是變頻器便成了交流電機(jī)控制中一個比較核心的部分，因?yàn)樗暮脡闹苯雨P(guān)系整個控制系統(tǒng)的性能。于是采用什么樣的控制方案設(shè)計(jì)變頻器便成了異步電動機(jī)調(diào)速設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要的問題。 本文讓我知道了礦用提升

2、機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展前景，依據(jù)現(xiàn)有礦用設(shè)備對整個礦用提升機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。1 礦用系統(tǒng)的概述與發(fā)展1.1礦井提升機(jī)系統(tǒng)的概述礦井提升機(jī)是礦山大型固定設(shè)備之一，是井下與地面的主要運(yùn)輸工具。礦井提升機(jī)主要擔(dān)負(fù)一個礦井所有的礦物(煤，礦石)提升，升降人員，運(yùn)輸設(shè)備，下放材料等，根據(jù)提升機(jī)的工作種類或工作原理的不同，提升機(jī)有不同的分類：提升機(jī)按工作種類可分為：(l)主井提升機(jī)：擔(dān)負(fù)礦井生產(chǎn)礦物提升的主提升機(jī)。(2)副井提升機(jī)：擔(dān)負(fù)礦井人員、材料、設(shè)備等升降任務(wù)的提升機(jī)。按驅(qū)動方式可分為：(1)直流提升機(jī)；(2)交流提升機(jī)；直流提升機(jī)又分為：(l)發(fā)電機(jī)組控制提升機(jī)；(2)晶閘管調(diào)速提升機(jī)；交流提升機(jī)分

3、為：(1)TDK系列串電阻柜調(diào)速提升機(jī)；(2)串極調(diào)速提升機(jī)；(3)變極調(diào)速提升機(jī)；(4)變頻調(diào)速提升機(jī)；各類提升機(jī)的工作原理和構(gòu)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：.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(hù)裝置控制裝置圖1.1 提升機(jī)組成框圖動力裝置：主電機(jī)；傳動系統(tǒng)：減速機(jī)、聯(lián)軸器、滾筒、導(dǎo)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(hù)系統(tǒng)：提供礦井提升機(jī)完善后備保護(hù)的系統(tǒng)；以上

4、是關(guān)于礦用提升機(jī)的作用、類型和結(jié)構(gòu)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(jī)的發(fā)展情況。目前國內(nèi)礦用提升機(jī)一般都還是采用交流繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制系統(tǒng)。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)載變動時很難實(shí)現(xiàn)恒減速控制，經(jīng)常會造成過卷和過放事故，提升機(jī)頻繁的啟動和制動工作過程會使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的能耗，轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器，電阻器，線繞電機(jī)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(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)越來越多的被用到現(xiàn)在工業(yè)當(dāng)中，大有取代直流電機(jī)的趨勢。變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)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(yīng)

5、用變頻技術(shù)來控制提升機(jī)并取得了很好的效果。隨著現(xiàn)代數(shù)字電子的發(fā)展計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)成為一種很成熟的控制技術(shù)它以它的節(jié)能和使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)成為了一種主流控制方式。于是以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的變頻調(diào)速也必將成為交流電機(jī)調(diào)速的一種趨勢?，F(xiàn)在我國也已經(jīng)開始進(jìn)行了數(shù)控化的開發(fā)研制，并逐漸應(yīng)用到了提升機(jī)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(jī)電控系統(tǒng)的集成開發(fā)嘗試?？紤]當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，緊密結(jié)合提升機(jī)控制工藝的要求，我們認(rèn)為當(dāng)今先進(jìn)的數(shù)字化提升機(jī)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：在驅(qū)動控制上，礦井提升機(jī)與直流拖動與交流拖動相比，調(diào)速性能好，不需要附加其他拖動裝置，隨著驅(qū)動控制產(chǎn)品的成熟，完全能夠?qū)崿F(xiàn)全數(shù)字化控制，大大提

6、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(yīng)采用現(xiàn)在比較成熟的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，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(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高頻率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調(diào)速和啟制動性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外認(rèn)為最有前途的調(diào)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(gòu)成，缺點(diǎn)很多，諧波大，對電網(wǎng)和電機(jī)都有影響。近

7、年來，發(fā)展起來的一些新型器件將改變這一現(xiàn)狀，如IGBT、IGCT、SGCT等。由它們構(gòu)成的高壓變頻器，性能優(yōu)異，可以實(shí)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(wù)的高壓變頻器廠商，僅有少數(shù)的具備科研能力或資金實(shí)力的個別企業(yè)。國內(nèi)僅有少部分的中、高壓電機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)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(jìn)口。這些狀況主要表現(xiàn)在如下幾個方面：(l)

8、國外各大品牌的產(chǎn)品正加緊占領(lǐng)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(dá)。(6)生產(chǎn)工藝落后，面前滿足變頻器產(chǎn)品的技術(shù)要求，但價格低廉。(7)變頻器中使用的功率半導(dǎo)體，驅(qū)動電路，電解電容等關(guān)鍵部件完全依賴進(jìn)口。(8)與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距在縮小，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中。(9)己經(jīng)研制出具有瞬時掉電再恢復(fù)、故障再恢復(fù)等功能的變頻器。(10)能夠進(jìn)行四象限運(yùn)行的高壓變頻器尚在研究與開發(fā)中。1.2.2國外商壓變頗器的發(fā)

9、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(shí)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(diǎn)。目前，在發(fā)達(dá)國家，只要有電機(jī)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(shù)開發(fā)起步早，并具有相當(dāng)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(diào)速產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較完備。(4)與變頻器相關(guān)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(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。(7)產(chǎn)品國際化，當(dāng)?shù)鼗觿　?8)新

10、技術(shù)，新工藝層出不窮，并被大量的、快速的應(yīng)用與產(chǎn)品中。目前沒有10kv產(chǎn)品。交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)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(guān)的技術(shù)問題，后者要解決的軟硬件控制問題。因此，未來高壓變頻調(diào)速技術(shù)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(dǎo)體器件將應(yīng)用在高壓變頻器中。(4)現(xiàn)階段，IGBT、IGCT、S

11、GCT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(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應(yīng)用將趨于成熟。(6)全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動化：參數(shù)自設(shè)定技術(shù);過程自優(yōu)化技術(shù);故障自診斷技術(shù)。(7)應(yīng)用32位MCU、DSP及ASIC等器件，實(shí)現(xiàn)變頻器的高精度，多功能。(8)相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化，規(guī)模化發(fā)展，社會分工將更加明顯。2 礦用提升機(jī)拖動方案選擇實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化控制可以用多種方式來實(shí)現(xiàn)，總體方案設(shè)計(jì)中選擇何種控制系統(tǒng)是關(guān)鍵的一環(huán)。它直接關(guān)系到投資成本、耗能、可靠性、安全性和應(yīng)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

12、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(jī)為控制對象的傳動系統(tǒng)，一般地說，交流傳動比較簡單，設(shè)備和安裝費(fèi)用低，建筑占地面積小，但電氣調(diào)速性能差，減速和爬行階段需要附加拖動裝置。1.串級調(diào)速在繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中引入外加電動勢，以改變電動機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)差率而獲得不同轉(zhuǎn)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(jī)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(diào)速平滑，爬行段不需附加其它設(shè)備和控制性能好等特點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是功率因數(shù)低、顛覆力矩降低

13、約17%，線路較復(fù)雜，投資較高等。2.變頻調(diào)速大型提升機(jī)采用變頻調(diào)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(jī)換向器的換向能力受限，設(shè)計(jì)制造及維護(hù)困難和電動機(jī)體積龐大等問題。變頻調(diào)速是利用異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨頻率變化的特性，通過改變異步電動機(jī)的頻率進(jìn)行調(diào)速的方法，它有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：(l)輸出功率可以連續(xù)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)無級調(diào)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(shè)備在額定功率下運(yùn)行，能保證電動機(jī)在額定電壓下運(yùn)行，從而避免了因電壓高(低)對電機(jī)所造成的危害。3)在電動機(jī)的負(fù)荷低于額定功率時，它可以

14、根據(jù)給定值來調(diào)整電動機(jī)的輸出功率。(3)對電網(wǎng)電壓波動有很大的適應(yīng)能力，并能大大減少系統(tǒng)對電網(wǎng)的污染。(4)可調(diào)范圍(頻率可在0Hz400Hz之間進(jìn)行調(diào)節(jié))寬，可以實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速，并能保證很硬的輸出特性，并且動態(tài)響應(yīng)特性好，調(diào)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(jī)的沖擊，使電動機(jī)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，大大延長了電動機(jī)及整套機(jī)組的使用壽命。除此之外，更兼其體積小、重量輕、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，變頻調(diào)速技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。這將極大地提高工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的自動化水平，從而可以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)節(jié)能的目的

15、。2.1.2直流傳動系統(tǒng)1.直流發(fā)電機(jī)一電動機(jī)傳動方式控制直流發(fā)電機(jī)的勵磁實(shí)現(xiàn)電動機(jī)變電樞電壓調(diào)速，均勻地調(diào)節(jié)勵磁電流和極性，可方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無級調(diào)速和四象限運(yùn)行。其缺點(diǎn)是設(shè)備和安裝費(fèi)用高、建筑占地面積大、發(fā)電機(jī)組維護(hù)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(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行、性能好的調(diào)速系統(tǒng)且效率高、可節(jié)能、維護(hù)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。可逆系統(tǒng)基本上采用有環(huán)流控制和無準(zhǔn)備切換邏輯無環(huán)流控制兩種控制方式。2.2提升機(jī)電控系統(tǒng)選型在保證系統(tǒng)的可靠、安全和經(jīng)濟(jì)性的前提下，綜合考慮上述各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)各

16、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(diào)速系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能、穩(wěn)定運(yùn)行。另外，本系統(tǒng)的上位機(jī)系統(tǒng)：采用觸摸式顯示屏，以模擬畫面形式顯示出絞車運(yùn)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(dú)立的兩套PLC系統(tǒng)進(jìn)行過程實(shí)時監(jiān)控實(shí)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。3 變頗器原理及選型3.1 變頗器原理變頻調(diào)速是通過改變電機(jī)定子繞組供電的頻率來達(dá)到調(diào)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(dǎo)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

17、微處理器編程的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)方法，使輸出波形近似正弦波，用于驅(qū)動異步電機(jī)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。通用變頻器的基本結(jié)構(gòu)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?？刂齐娐分饕芍骺仉娐沸盘枡z測電路、保護(hù)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(jìn)行矢量控制時需要進(jìn)行大量的運(yùn)算，其運(yùn)算電路中往往還有一個以數(shù)字信號處理器DSP為主的轉(zhuǎn)矩計(jì)算用CPU及相應(yīng)的磁通檢測和調(diào)節(jié)電路。3

18、.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(shè)計(jì)涉及到很多運(yùn)算，同時它又對系統(tǒng)的實(shí)時性要求比較嚴(yán)格，基于這些原因一般采用由DSP為核心的變頻系統(tǒng)?；贒SP的矢量控制調(diào)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(jié)構(gòu)、驅(qū)動電路和交流電機(jī)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(zhuǎn)矩推算、相關(guān)電壓電流的檢測處理等功能。為了擴(kuò)大使用范圍，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮了有速度傳感器的情況。輔助電路由輔助開關(guān)電源、光電編碼器、濾波放大器和電流互感器組成，以實(shí)現(xiàn)給系統(tǒng)提供多路直流電源、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測及放大等功能。3.3控制

19、系統(tǒng)模型控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)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(yīng)方法，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.14所示。整個系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)矩環(huán)和磁通環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)。為了增強(qiáng)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(diào)試所需的時間，構(gòu)造了模糊PID自適應(yīng)控制器，取代傳統(tǒng)PI控制器。磁通的閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁通的恒定。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。則可由定子電流d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解藕控制。 由于本論文主要做的是變頻器在礦用提升機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用，所以對于變頻器控制