矿井提升系统节能控制方案的研究.doc
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1、 摘 要 矿产资源是国家自然资源的重要组成部分,是国民经济的基础,而矿井提升机是矿山生产的关键设备。提升机的电控装置性能怎样,将直接影响矿山生产的安全与效率。本课题设计了新型提升机控制系统,介绍了矿井提升机的产生与发展过程。分析了传统的转子串级调速方法功耗情况和优缺点,以及采用变频调速的控制方法电机的功耗情况,在此基础上分析了传统绕线式电机调速控制系统的特点以及变频调速系统的特点。论文研究了矿井提升机的提升控制及速度控制、实现了节能、安全性的要求,着重研究了系统的变频调速方案、研究了变频调速系统的工作原理,并对转子变频调速进行了建模。分析了提升机控制系统的组成以及开车方式的控制。设计了提升机自
2、动控制系统的监控系统;通过给定参数的计算和具体数据的比较,证明了这种控制方式的优越性和实用性。 最后,研究了 PROFIBUS 现场总线在提升机控制系统中的作用,设计了提升机的控制系统网络以及通讯参数的设置,研究了提升机控制系统的节能效果以及其他方面的优点。关键词 矿井/提升机/节能/变频调速/速度控制RESEARCH THE CONTROL OF MINE HOIST SYSTEM ENERGY PROGRAMABSTRACTThe mineral resource is an important part of the natural resource, it is the foundat
3、ion of the national economy, and the mine hoist is the key equipment in the mine production. The function of the hoist s electronic device will directly determine the safety and efficiency of the production in mines. The paper designs the hoist control system, which using the computer software and h
4、ardware technology 、field bus technology 、 frequency conversion technology and PLC technology, in order to make the hoist achieve safe, energy-saving purposes. The paper discusses the development of the mine hoist ,then analysis the advantages and disadvantages of traditional winding motor speed con
5、trol system and the frequency speed regulation system. Through researching the mine hoist control 、the speed control、the requirements and characteristics of the energy saving and safety ,then analysis and design the rotor frequency control system theory and program, S-shaped given speed curve and do
6、uble PLC control system. Discusses the composition of the hoist control system and the style of driving control. Design the monitoring system of the control system, analysis the characteristics of the hoist control system and the importance of production in the coal mine. It fully indicates the supe
7、riority and practicability of this control method. Finally, it discusses the importance of the PROFIBUS field bus in control system , analysis the elevator control system network, sets the communication parameters, analysis the energy saving of the hoist control system and other aspects of advantage
8、s. KEY WORDS mine,hoist,energy-saving;,frequency speed,speed control 目录:1. 绪论1.1 课题来源与研究背景1.2 课题研究的意义1.3 课题在国内的研究概况、水平和发展趋势2. 提升机控制系统的基本概况 2.1矿井提升机的概况 2.2矿井提升机控制的系统工作方式3. 提升机变频调速系统 3.1转子变频调速控制系统的特点 3.2转子变频调速原理与方案 3.3转子变频调速系统的工作原理和建模 3.4逆变器的控制 3.5变频器节能分析4结合矿井提升机的具体的参数分析方案的节能情况 4.1矿井系统的参数的计算 4.2计算并比较具
9、体的节能情况。结束语致谢参考文献1 绪论矿产资源是国家自然资源的重要组成部分,在国民经济中占有重要地位,而矿井提升机是矿山生产的关键设备,提升机的电控装置性能如何,将直接影响矿山生产的安全与效率。目前,我国在煤炭、冶金、电力等场合已大量使用高压交流绕线式电机拖动的大型设备,但其调速控制多采用转子串联电阻调速、转子串级调速、高压软启动等调速方式,调速性能比较差,能源浪费严重。目前也有部分调速设备使用高压变频调速,调速控制效果好、节能效果明显。但是一般的电机变频调速控制都是针对定子回路的,而高压绕线电机的定子电压一般都在6KV 或者10KV。采用6KV 或10KV 的高压变频器,需要解决元件的耐压
10、性问题、矢量控制问题,进而造成技术难度的增加,造成的可靠性降低、制造成本大幅提高。所以,目前国内外很少有调速设备使用6KV 或者10KV 的矢量控制变频器进行变频调速,而且国内国外多家公司的高压变频技术方案也各不相同,设备通用性差,对于高压电机恒转矩运转的工况,没有完善的矢量控制方案可供选择,大多数高压变频器只能可靠地应用在风机水泵等设备,对于大转矩负载启动还不是很可靠。所以,给煤矿设计一个安全、高效、节能的提升机控制系统迫在眉睫。其主要原因可以概括如下: (1)煤矿工业等重工业属于能耗比较大的产业,能耗在各个行业中名列前茅。据有关资料统计:冶金系统年耗电量约占全国总发电容量的10% 左右,其
11、中要求调速的设备占总容量的90%左右,在国家大力提倡节能减排的大背景下,对其进行相关方面研究,具有重要的经济性能和很强的指导意义。 (2)煤矿工业产量大、经济效益高,同时要求不间断作业率相对较高。过去,由于特定的技术和生产要求,直流电机由于其独特的结构特点,一直占据主导地位,随着生产技术的发展和控制理论的成熟, 直流电机的弊端越来越得以显现:如:日常的维护量相对增加;对安装环境的要求相对苛刻等。逐渐的,交流调速由于其良好的经济性能和调速性能大有取代直流电机之势。特别是近十几年来随着电力电子技术、控制理论、微电子技术的发展以及计算机控制的应用,使交流调速迅速发展,其调速特性与直流调速性能几乎完全
12、一样甚至更优,具有了完全代替直流电动机的可行性和可操作性。(3)变频调速经济效益好。交流调速有许多种方法,例如:异步电机的变极调速、调压调速、转子串电阻调速、变频调速等,但主流还是变频调速。变频调速的变频电源又分为旋转变频机组和静止变频装置两种,由于旋转变频机组设备庞大且一般较为复杂,故已被静止变频装置所代替。现在所指的变频调速绝大部分是指静止变频调速装置即变频器(逆变器) ,据统计,使用静止变频调速以后,系统节电性能明显提高,最少节电为1%3%。目前,大多数中小型矿井所用提升机的控制系统普遍采用交流绕线式电机转子串电阻的调速方式。控制系统在调速过程中有以下缺点:交流接触器动作频繁,电器元件使
13、用寿命低,回路接点数量较多,设备故障率较高,安全性较差;转子外电路所串的电阻产生相当大的能量损耗;该调速系统属于开环串级调速,调速的平滑性差,调速和换挡过程中电流冲击大,低速时机械特性较软,静差率较大,对设备产生较大的冲击,进而影响提升系统的运行质量。 随着变频技术以及 PLC 技术的迅速发展,使得矿井交流提升机控制系统的变频改造成为现实。在本系统中设计了提升机节能控制系统。将高压绕线电机的定子短封,利用变压器的输出电压与变频器的输出电压以及交流绕线电机的转子电压相匹配,通过目前成熟的低压通用型矢量控制变频器技术,可以实现高压交流绕线电机的变频调速,因为高压绕线电机的转子电压较低,转子变频器的
14、电压等级只要与电机转子电压匹配即可,这样可以使用低压变频器解决高压电机的变频调速问题。与高压定子变频调速控制相比,设备简单、通用性强、可靠性高,价格低廉。利用变频技术与 PLC 应用技术以及计算机监控系统相结合,已成为设计控制系统的主导。其可以从部件、单机和系统多层次保证高可靠性要求,同时兼顾经济性、实用性。本控制系统硬件、软件采用模块化、结构化的设计,以便于硬件设备的扩充,又能适应功能的增加和系统规模的扩展。该系统还具有开放、标准的现场总线接口能力,实时性好、抗干扰能力强、人机接口功能强,操作简单、方便、灵活,并在保证系统的实时性和可靠性等技术指标的同时,使系统的可维护性好。2 矿井提升机及
15、其电控系统的发展状况2.1 矿井提升机的发展状况国外的矿井提升机发展较早,目前已有200多年的历史,大致分为两个阶段,第一阶段:蒸汽机拖动矿井提升机。伴随着蒸汽机应用到煤矿领域,彻底改变了生产状况,蒸汽机的使用让煤炭生产有了飞速的发展。第二阶段:电力拖动提升机。电机、电气技术的发展使得矿井提升机的拖动及控制技术有了质的飞跃,使得整个矿井提升系统实现了自动运行。我国矿井提升机的制造起步较晚,新中国建立后,经过三年的经济恢复才陆续开始。一五计划初年,抚顺中型机械厂制造了我国第一台单绳缠绕式双滚简筒提升机:1958年,原洛阳矿山机械厂在仿制苏联型矿井提升机的基础上自行设计和制造了我过第一台DJ2型多
16、绳摩擦式提升机,改革开放后制造了JK系列单绳缠绕式提升机,此系列提升机结构新颖、技术先进,提升能力平均提高25%。1992年直连式多绳摩擦提升机的出现为我国继续加深开采和加大生产量提供了良好的设备支持。到现在为止,我国提升机及其配套设备从设计、制造、自动控制等各个方面有较大提高,己跻身世界先进行列1。我国目前使用的提升机按类型分为缠绕式、摩擦式和内装式。其中,缠绕式又分为单绳和双绳缠绕式,摩擦式又飞为单绳和多绳摩擦式。某矿副井提升机即是单绳缠绕式提升机。如图1所示,。这类提升机在我国矿井中应用广泛,可以用在立井斜井和开凿井提升中。其工作原理简单,将钢丝绳的一端固定在提升机滚筒上,钢丝绳缠绕滚筒
17、后,另一端绕过井架的天伦连接在提升机容器上,通过滚筒的正、反转完成重物的提升和下放。图2-1 单绳缠绕式提升机 摩擦式提升机依靠钢丝绳与主导轮上的衬垫之间的摩擦力,使提升钢丝绳与主导轮一起运动,从而带动钢丝绳下部悬挂的提升容器提升或下放。摩擦式提升机适用于深井,并且采用尾绳平衡减小张力差来保证系统可靠性。内装式提升机是把电机装在摩擦轮内部,使得电机转子与摩擦轮成为一体。空心的主轴作为冷却风道,从而达到使内部电机降温的目的。世界上第一台内装式提升机1988年在德国豪斯-阿登矿投入运行。目前国际上提升机提升速度已到达20米/秒,一次有效提升量超过60吨,电机容量达到15000KW,滚筒直径达到9米
18、,多绳摩擦最多绳数为10,罐笼一次乘人数达到300人。2.2 矿井提升机电控系统发展现状目前,我国矿井提升机90%以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动,采用转子串电阻调速,由继电器和接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机-发电机组(F-D机组)供电,采用晶闸管整流传动(SCR-D)的只占一部分。传统交流拖动系统的显著缺点是:调速性能差,调速时能量大量消耗在电阻上,给定方式落后,控制精度低,安全保护和监测环节不完善,安全可靠性差,维护工作量大,而且运行不经济。由于异步电动机在低速运行时特性曲线软,在次同步状态下无法产生有效的制动力矩,因而难于准确地控制提升机的停车位置。目
19、前多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速。爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置,仍存在调试困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一个原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善,均为单线系统,且与控制系统相混联,多数共用一套线路,相互影响1986年以来,针对制约提升安全的主要环节,陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能,初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制,使提升安全状况有了改善2-4。 随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展,目前国内外生产的提升机,其控制、监视及保护措施已由原来的继电器或半导
20、体逻辑单元的技术水准发展到多PLC、智能仪表的数字控制以及上位工控机监控的网络控制技术水准5-6。提升机电控系统的特点如下:(1)四象限运行矿井提升机在提升和下放的不同阶段有正力,也有负力:有正转,也有反转:有电动,也有制动,所以提升机运行必须满足四象限运行要求。(2)速度准确、可靠提升机是位置控制系统,对在提升和下放过程中有什么位置加速,等速、减速、爬行有严格要求。(3)直观显示行程提升机的操作人员在控制提升机上提和下放的过程中,需要明确提升容器的实时位置。现在配合电控系统装有立式深度指示器、圆盘式深度指示器或数字深度指示器。 (4)故障监视系统完善提升机运行过程中一旦出现故障,监视系统就会
21、显示和报警,从而加快了故障的排除。2.3 提升机的主要技术参数及连锁保护2.3.1 提升机的主要性能指标提升机的主要工艺参数以及主要技术原理如下所示:1. 主要技术参数a 输入电源电压AC380V或660V,频率50HZ。电压允许波动范围-15%+10%:频率允许波动范围正负2.5%:b 输出频率范围050HZ连续可调:c 过载能力2.5倍一分钟:d 低频运转时,有自动转矩提升功能,能保证100%的额定转矩:e 变频器设有过电压,欠压,过流,过载,功率元件过热和电机缺相等保护功能,设有故障记忆功能。2、主要技术原理 a.变频器在低频运转时,也保证有100%的额定力矩输出。最大转矩为额定转矩的2
22、.5倍。 b.绞车在减速段或重物下放操作时系统能自动转入发电回馈状态,使制动更平稳,操作更平稳,操作更简单,提高了安全可靠性能。 c.操作简单可靠,司机可通过主令手把控制绞车无极调速运行,实现绞车的启动、等速、减速、爬行功能。2.3.2 提升机控制系统的连锁保护PLC内部由程序设置一条安全回路、外部有一跳安全回路,与监控系统一起在完成煤矿安全规程规定的各种保护和系统本身所必须的保护。关键环节如减速点、超速、过卷等采用三重保护,各安全回路之间互相冗余。重故障具有声、光报警功能,轻故障采用预报警方式。1、 矿井提升机的控制功能根据提升机起动、等速运行、减速、停车、验绳、换向以及安全保护的设计要求,
23、改变相应电控系统的工作状态,实现必要的电气联锁和保护功能。2、 提升机控制系统的保护及连锁功能(1) 安全制动时,配合液压站安全阀使提升机实现一级或二级制动:同时变频器进入回馈制动状态,工作闸继电器及动油泵等控制回路断电,使制动油压降为零。(2) 任何情况下,只有司机接到开车信号后,才能使提升机运行。(3) 当提升过程中发生润滑油压力过高、过低,润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温过高时,上位机上有相应的故障信息显示,点亮相应信息灯,告知司机可以完成本次提升工作,当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。(4) 当提升机因发生故障在中途停车,而且提升容器位于减速段行程内时,排除故障后允许司机按
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