論文：礦山提升機速度保護裝置的設(shè)計與應(yīng)用

論文：礦山提升機速度保護裝置的設(shè)計與應(yīng)用

目 錄

摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1問題的提出 1
1.2礦山提升機的發(fā)展狀況 2
1.3本課題研究的意義 3
1.4研究的主要內(nèi)容 4
第2章 礦山提升機及其電氣控制系統(tǒng) 5
2.1礦山提升機主要組成部分及其作用 5
2.1.1礦山提升機的組成 5
2.1.2礦山提升機各部分的作用 5
2.2礦山提升機電氣控制系統(tǒng) 7
2.2.1提升機控制系統(tǒng)分析 7
2.2.2提升機交流調(diào)速方式 8
2.3礦山提升機速度圖 10
2.4小結(jié) 11
第3章 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 12
3.1 12
3.2 14
3.3 17
3.4 18
3.5 19
3.6……………………………………………………………………………………………..20
3.7…………………………………………………………………………………………....21
第4章 單片機－變頻器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng) 20
4.1調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成以及體系架構(gòu) 20
4.2速度閉環(huán)控制結(jié)構(gòu) 21
4.3電流閉環(huán)結(jié)構(gòu) 22
4.4小結(jié) 25
第5章 工業(yè)應(yīng)用 26
5.1礦山提升機調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn) 26
5.2運行結(jié)果分析 28
5.3小結(jié) 29
第6章 總結(jié)與展望 30
6.1總結(jié) 30
6.2展望 30
參考文獻 31
致 謝 35


第1章 緒論
1.1問題的提出
礦井提升機是礦山生產(chǎn)中至關(guān)重要的大型設(shè)備，對礦井的生產(chǎn)安全起著非常重要的作用，因而，有著重要的國民經(jīng)濟意義。提升機電力傳動系統(tǒng)運行過程復雜，提升機的電動機又經(jīng)常正反向切換運行，頻繁的處于電動以及制動兩個狀態(tài)不斷轉(zhuǎn)換以及超負荷的狀態(tài)。對于提升機來說，提升運行過程中的安全性以及可靠性是至關(guān)重要的，特別是用于搭載乘務(wù)人員的副井，如果發(fā)生故障往往會導致機毀人亡的嚴重后果，因而，為了保證提升機能夠安全可靠的運行，使得提升機的安全性以及可靠性變成研究以及制造時必須首先考慮的至關(guān)重要的問題。隨著國內(nèi)礦井生產(chǎn)量的飛速的提高，提高提升機的安全性、可靠性，提高生產(chǎn)效率以及整機的自動化水平，降低操作維護人員的勞動強度，提高處理設(shè)備故障的速度等，就變成了非常迫切的要求。因而本文以研究以及設(shè)計提升機控制系統(tǒng)為目的，仔細地研究以及分析了提升機系統(tǒng)內(nèi)部的各個組成部分及其之間的聯(lián)系，期望更近一步地了解提升機系統(tǒng)，更好地為礦山單位服務(wù)，為國民經(jīng)濟的發(fā)展提供更好的條件。
礦山提升機發(fā)展的關(guān)鍵因素是電氣控制系統(tǒng)的快速發(fā)展。提升機電控系統(tǒng)經(jīng)歷了由繼電器控制、分離元件控制、模擬電路控制到微電子(計算機)控制的發(fā)展歷程。目前已廣泛應(yīng)用的提升機數(shù)字控制系統(tǒng)(計算機控制)使礦山提升機的電控系統(tǒng)得到了質(zhì)的飛躍。采用數(shù)控技術(shù)后，提升機電控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、不存在零漂等模擬裝置的缺陷、系統(tǒng)功能開發(fā)簡單等優(yōu)點；特別是其具有的智能化的信息采集、故障診斷以及在線檢測等功能，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性，縮短了查找以及排除故障的時間，降低了維護成本。礦井提升是礦井生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，在礦井生產(chǎn)中占有十分重要的位置。2005年，依據(jù)湖南省煤炭安年全監(jiān)察局的要求，煤礦在用提升機都必須裝設(shè)完整的后備保護裝置。湖南省新生煤礦五家沖副井的礦山提升機由于機器老化，年久失修，并且很多保護出廠時就沒有設(shè)計，所以保護裝置并不完善。為了保證提升機能夠安全的運行，必須配備一套完整的提升機后備保護裝置。
本課題針對礦山提升機后備保護裝置中的防止過速保護裝置以及限速保護裝置的工作原理進行分析，特別是對提升機速度的監(jiān)控以防止提升容器超速行駛等問題進行系統(tǒng)地研究。
1.2礦山提升機的發(fā)展狀況
當前國內(nèi)提升機電控系統(tǒng)絕
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的調(diào)繩離合器油缸提供所需的壓力油。
（3）機械傳動系統(tǒng)
1)減速器。減速器的作用是減速以及傳遞動力。根據(jù)提升速度的要求，提升機主軸的轉(zhuǎn)速一般在20～60r/min之間，而拖動提升機的電動機轉(zhuǎn)速通常在480～960r/min的范圍內(nèi)，因而，除采用低速直流電機拖動外，不能把電動機與主軸直接連接，必須經(jīng)過減速器減速。
2)聯(lián)軸器。主要用來連接提升機的旋轉(zhuǎn)部分，并起傳遞動力的作用。
（4）潤滑系統(tǒng)
在提升機工作時不間斷地向主軸承、減速器軸承以及嚙合齒面壓送潤滑油，以保證軸承以及齒輪能良好地工作。潤滑系統(tǒng)必須以及自動保護系統(tǒng)與主電動機連鎖，當潤滑系統(tǒng)失靈時(如潤滑油壓力過高或者過低，軸承溫升過高等)，主電動機斷電，由提升機進行安全制動。在啟動主電動機之前，必須先開動潤滑油泵，來確保提升機在充分潤滑的前提下工作。
（5）檢測及操縱系統(tǒng)
1)操縱臺。①操縱臺上裝有各種手把以及開關(guān)，是操縱提升機完成提升、下放等各種動作的操縱裝置。②操縱臺七裝有各種儀表，向司機反映提升機的運行狀況及設(shè)備的工作情況。
2)深度指示器。①指示提升容器的運行位置。②容器接近井口卸載位置以及井底停車場時，發(fā)出減速信號。③當提升機超速以及過卷的時候．進行限速以及過速保護。 ④對多繩摩擦式提升機，深度指示器還能自動調(diào)零，來消除由于鋼絲繩在主導輪摩擦襯墊上的滑動、蠕動以及自然伸長等導致的指示誤差。
3)測速發(fā)電裝置。①依靠設(shè)在操縱臺上的電壓表來向司機指示提升機的實際運行速度。②參與等速運行以及減速階段中的超速保護。
（6）拖動、控制以及自動保護系統(tǒng)
拖動、控制以及自動保護系統(tǒng)包括主電動機、電氣控制系統(tǒng)、自動保護系統(tǒng)以及信號系統(tǒng)。
2.2礦山提升機電氣控制系統(tǒng)
2.2.1系統(tǒng)主要特點
所有的帶式輸送機均為雙傳動滾筒，用聯(lián)動齒輪傳動，工作時 1 用 1 備，即雙驅(qū)單用結(jié)構(gòu)，解決了由于電動機或減速機出現(xiàn)故障而使整個系統(tǒng)停產(chǎn)的問題，大大提高了運行的可靠性。各帶式輸送機均配備軟啟動器，實現(xiàn)了平滑無沖擊起動；所有的開關(guān)及綜合保護裝置型號統(tǒng)一，減少了配件種類，降低了設(shè)備維護與維修費用。所有的電器設(shè)備等均具有防爆性能。帶式輸送機用彩鋼瓦密封，機頭、機身、機尾用不同顏色，并在上、下調(diào)心托輥處作標記，方便調(diào)偏及日常維護。
該運輸系統(tǒng)已于 2009 年在石壕煤礦安裝調(diào)試完畢，設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。石壕礦年產(chǎn)量由 80 萬 t 提高到了 200 萬 t。轉(zhuǎn)彎運輸系統(tǒng)比較好地滿足了長距離、巷道轉(zhuǎn)
彎較多且轉(zhuǎn)角較大的井下運輸使用要求，經(jīng)濟顯著。礦井提升機電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用目前礦井提升機電控系統(tǒng)大量運用各種現(xiàn)路總線以及網(wǎng)絡(luò)，以提高系統(tǒng)的自動化程度，方便監(jiān)控以及管理。對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)來說，通信質(zhì)量非常重要，通信的穩(wěn)定性直接關(guān)系到生產(chǎn)安全以及效率，因而對信號。信號傳輸可以分為有線傳輸以及無線傳輸，有線傳輸又可分為電氣介質(zhì) (普通電纜)
傳輸以及物理介質(zhì) (塑料光纖，玻璃光纖等) 傳輸。在現(xiàn)場總線級網(wǎng)絡(luò)中普遍使用的是屏蔽電纜傳輸。電纜由于線材本身特性的問題，傳輸速率較低，傳輸距離
受到限制，在充斥著電磁波的使用環(huán)境中，電磁波的干擾更使普通電纜傳輸?shù)男式档停踔脸霈F(xiàn)通信故障。
提升機電控系統(tǒng)一般安裝在提升機機房，環(huán)境比較好，如果安裝規(guī)范，使用屏蔽電纜通信成本較低，效果也比較好。若通信范圍擴大到室外井筒，通信網(wǎng)絡(luò)需要從機房延伸至井筒的底部，通信距離超過 1 000 m，加上井筒中環(huán)境潮濕，各種電纜集中敷設(shè)，網(wǎng)絡(luò)通信易受干擾，由此引起的維護工作量增大，而光纜受自然環(huán)境影響小，且不受電磁環(huán)境影響，可以很好地解決傳輸過程中的各種問題。
2.2.2提升機的特點
• (1)提升范圍廣
該類提升機對物料的種類，特性及塊度的適用范圍廣。不僅能提升粉狀以及塊狀普通物料，并且可提升磨琢性較強的物料.
(2)輸送能力大
該系列提升機具有NE15～NE800多種規(guī)格。提升量范圍為15～800m3/h。
(3)驅(qū)動功率小
這類提升機采取流入式喂料，重力誘導式卸料，且采用密集型布置的大容量料斗輸送，鏈速低提升量大。物料提升時，幾乎無回料現(xiàn)象，因而驅(qū)動功率小，理論計算軸功率是環(huán)鏈提升機的25%～45%。
(4)使用壽命長
提升機的喂料采取流入式，材料之間很少發(fā)生擠壓以及碰撞現(xiàn)象，本機的設(shè)計保證物料在喂料、提升以及卸料中不會撒落，這就防止了磨粒磨損，輸送鏈采用板鏈式高強度耐磨鏈條，延長了鏈條以及鏈斗的使用壽命。
(5)提升高度高
該系列提升機鏈速低、運行平穩(wěn)、且采用板鏈式高強度耐磨鏈條，因而可達較高的提升高度（高達40M）。
(6)運行可靠性好
先進的設(shè)計原理，保證了整機運行的可靠性，無故障時間超過了3萬小時。操作、維修方便，易損件少。
(7)結(jié)構(gòu)尺寸小
與同等提升量的其它各種提升機相比，這種提升機的結(jié)構(gòu)尺寸較小。
(8)加工精度高
2.2.3 風光提升機變頻器網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)
　　網(wǎng)絡(luò)化操縱臺，雙plc雙線制控制。操作系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)之間依靠工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)進行系統(tǒng)通訊及信號交換，留有與信號系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)的接口，具有遠程監(jiān)控傳輸功能。加、減速過程平滑調(diào)節(jié)。
　�。�1）操作以及安全保護系統(tǒng)選用兩套不同配置的plc，互為冗余控制，對提升機運行關(guān)鍵的信號（如速度、容器位置、安全、減速、過卷等）均采用多線制保護，互為監(jiān)視。
　�。�2）具有手動、半自動、檢修及應(yīng)急控制等各種控制方式。保證速度圖為s曲線。
　�。�3）具有以下多種保護功能：
　　防過卷保護；防過速保護；防過負荷保護、防欠電壓保護；限速保護；深度指示器失效保護；閘瓦過磨損保護；松繩保護；信號方向閉鎖等。
　　（4）安全保護有三種狀況（輕故障允許一次開車，嚴重故障，較嚴重故障），并實現(xiàn)不同的處理措施：
　　輕故障允許一次開車，本次運行結(jié)束后不維修好，不能再次開車。選用雙套plc，雙plc之間既有軟件上的聯(lián)鎖，又有硬件上的聯(lián)鎖以及看門狗電路，對plc的運行進行監(jiān)視，防止由于plc死機或者其他意外情況，導致plc故障時能及時監(jiān)測并參與安全保護。操作臺上裝有19″液晶觸摸屏、指示燈、儀表、選擇開關(guān)、按鈕、音響設(shè)備等，能實現(xiàn)提升機運行的各種控制工藝的要求，實現(xiàn)靜、動態(tài)參數(shù)及故障參數(shù)中文彩屏顯示，故障自診斷及查詢。
　　較嚴重故障實現(xiàn)先減速到1m/s后實施安全制動（包括機械深度指示器失效、松繩保護、編碼器位置偏差過大、制動油路故障、閘瓦磨損、主回路過壓、接地或者欠壓等）。
　　嚴重故障實現(xiàn)立即啟動安全回路實施安全制動（包括等速過速、限速過速、包絡(luò)線超速、爬行段超速、高低壓電源故障、過流、變頻器故障、錯向、plc故障、過卷、急停操作、網(wǎng)絡(luò)通訊故障、2只測速元件同時損壞、主回路失壓、速度比較錯誤、殘壓高、電機溫度過高等）。
　　主控plc軟件能完成提升機手動、半自動、自動、檢修、慢動、緊急控制開車等運行方式的控制要求�？刂婆c監(jiān)視提升系統(tǒng)各路電源，滿足其控制功能及各項安全保護。對調(diào)速系統(tǒng)行程速度給定的控制，自動減速保護，停車時自動抱閘停車。與信號系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的提升信號閉鎖，具有完善的保護功能及遠程診斷功能。
　　輔控plc具備電子數(shù)字監(jiān)控器的功能，進行深度值、速度值、限速值等的指示，依靠與主控系統(tǒng)的聯(lián)鎖。實現(xiàn)過卷、定點限速、全速過速、減速過速、開車錯向、斷軸保護等另一套安全保護，并參與系統(tǒng)控制。主/輔控plc均安裝在操作臺臺體內(nèi)，并與監(jiān)控系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)通訊，各種信號線依靠通訊電纜完成，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。
2.2.4 現(xiàn)場應(yīng)用情況及運行效果
　　大陽煤礦提升機變頻設(shè)備改造工程調(diào)試一次成功，變頻器已經(jīng)平穩(wěn)運行半年時間。使用變頻器后有以下優(yōu)點：
　　（1）變頻系統(tǒng)無需原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低。
　�。�2）調(diào)速方便，連續(xù)平滑調(diào)節(jié)。
　　（3）實現(xiàn)了低頻低壓的軟起動以及軟停止，使運行更加平穩(wěn)，機械沖擊小，避免了掉道現(xiàn)象。
　　（4）啟動及加速過程沖擊電流小，加速過程中最大電流不超過1.3倍的額定電流，提升機在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速，沒有大電流出現(xiàn)，減小了對電網(wǎng)的沖擊。
　�。�5）增加了交流制動功能，使重車停車時更加平穩(wěn)，有效避免了“溜溝”現(xiàn)象。
　�。�6）采用回饋制動技術(shù)，成功解決了位能負載再生發(fā)電能量處理問題，保證了變頻器的安全運行。
　�。�7）節(jié)能效果顯著。據(jù)實測，在低速段節(jié)能明顯，一般可達到37%以上。
　�。�8）采用變頻控制后，原繞線式電機可改為普通電機，這不但降低了成本，普通電機比繞線式電機可節(jié)約投資1/3，并且避免了轉(zhuǎn)子炭刷的燒損及維護。
2.2.5提升機控制系統(tǒng)分析
我國提升機設(shè)備中，普遍采用繼電器有觸點的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件（繼電器、接觸器、電子元件等）用導線連接起來加以實現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)。在接線程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改必須依靠改變接線來實現(xiàn)。繼電器控制系統(tǒng)如圖 2.1所示。輸入設(shè)備(按鈕、行程開關(guān)、限位開關(guān)、傳感器等)用以向系統(tǒng)送入控制信號。輸出設(shè)備（接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件）用以控制生產(chǎn)機械以及生產(chǎn)過程中的各種被控對象。

圖2.1 繼電器控制系統(tǒng)框圖
(1)主提升機是礦井機電設(shè)備“四大件”之一，保護與控制系統(tǒng)相對復雜。(2)主提升機的運行可以劃分為“加速——等速——減速”3個階段，其中等速運行階段的控制最為簡單，加速與減速控制相對復雜，尤其是在減速階段。(3)與其他設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的一個顯著區(qū)別在于：主提升機涉及的控制回路最多，控制系統(tǒng)內(nèi)的繼電器相應(yīng)也很多(根據(jù)提升機的不同，大約在30～50個之間)，各繼電器的常開與常閉觸點更多(大約在150～200個之間)，并且各繼電器之間，各觸點之間存在了大量的串、并聯(lián)關(guān)系，如與安全回路有關(guān)的就有20個觸點，任何一個觸點的動作都可能影響到安全繼電器的吸合。由于觸點多，很容易接錯線，所以對線位號應(yīng)很好的研究。(4)對提升機的控制大體可以分為電控與液控兩大部分(電控主要操作主令手柄，液控主要操作制動手柄)，其中：電控主要依靠各類繼電器與觸點進行控制，它大體可以分為主回路、安全回路、調(diào)繩聯(lián)鎖回路、換向回路、調(diào)速回路、信號回路、過速保護回路、過卷保護回路、深度指示儀回路、延時繼電器回路等。液控的最終目標是完成對提升機的緊閘與松閘，其動力來自于液壓泵站，但液壓泵站油壓的大小又與相關(guān)電氣設(shè)備有關(guān)，這些電氣元件主要有磁放大器、可調(diào)閘自整角機等。
2.2.6提升機交流調(diào)速方式
交流電動機包括異步電動機、同步電動機以及開關(guān)磁阻電動機。這類電動機結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、造價較低、運行可靠，特別是籠型異步電動機以及永磁同步電動機更可免維護。在單機容量、速度極限、供電電壓等方面均優(yōu)于直流電動機，在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。由于交流電動機是一個多變量、強耦合、非線性、時變的復雜系統(tǒng)，從原理上看其調(diào)速性能不如直流電動機，但隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、微機控制技術(shù)以及電動機控制理論的發(fā)展，使交流電動機調(diào)速技術(shù)得到了飛速地發(fā)展并進入了工業(yè)實用。特別是矢量變換控制以及直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)等高性能交流調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)，使交流調(diào)速系統(tǒng)性能已能與直流調(diào)速相媲美，交流調(diào)速傳動已變成電力傳動的主流技術(shù)。
四象限運行的核心是能量從負載向電源的回饋。交—直—交電壓源型變頻器采用大電容濾波，直流環(huán)節(jié)電壓Ua極性不能改變；若負載電動機作發(fā)電運行，直流環(huán)節(jié)電流Id將改變流向，促使能量從負載泵人電容，引起Ud升高。此時必須采取能量消耗或者回饋電源的措施予以抑制。能耗制動。在直流母線上并接能耗電阻R0，及電子開關(guān)VT0，當Ud高于設(shè)定值時VT0導通，使回饋能量依靠R0泄放而使Ud下降，電動機產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩。由于受能耗電阻溫升限制，該方法只能用于小功率及無需快速制動的場合。
（1）變極對數(shù)調(diào)速方法
這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機定子極對達到調(diào)速目的，繞組有多少種極對數(shù)，轉(zhuǎn)速就有多少級。改變定子極對數(shù)的辦法有：①在定子槽里放上兩套極對數(shù)不同的獨立繞組；②在同一套定子繞組，改變它的聯(lián)結(jié)方法，得到不同的極對數(shù)；③在定子槽里放上兩套極對數(shù)不同的獨立繞組，而每套獨立繞組本身又可以依靠改變它的聯(lián)結(jié)方法，得到不同的極對數(shù)。特點如下：①具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好；②無轉(zhuǎn)差損耗，效率高；③接線簡單、控制方便、價格低；④有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速；此調(diào)速方法可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。
（2）變頻調(diào)速方法
變頻調(diào)速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速時可以從基頻往下調(diào)，也可往上調(diào)。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器以及交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點：①效率高，調(diào)速過程中 ……（未完，全文共39086字，當前僅顯示7030字，請閱讀下面提示信息。收藏《論文：礦山提升機速度保護裝置的設(shè)計與應(yīng)用》）