学 士 学 位 论 文矿井提升机直流电控系统设计 作者姓名： 董 佩 导师姓名： 张开如 专业名称： 自动化 所在学院：信息与电气工程学院山 东 科 技 大 学2009年6月摘要矿井直流提升机电控系统由直流电动机、卷筒、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操作系统等组成。与传统提升机电控系统相比，该系统具有单机容量大、体积小、重量轻、起动平滑性好、调速范围宽、精度高和安全可靠性高等优点。本文主要介绍该系统的硬件电路设计、保护电路的设计和系统的工作原理。根据课题的设计要求，本系统从主电路结构的选择和计算、控制方案的选择、保护电路的设计和系统的动静态特性的分析计算等方面出发，进行矿井直流提升机电控系统的设计。该系统能完成对矿井直流提升机的起动、加速运行、匀速运行、减速运行和回馈制动的控制，并且可以实现提升机的四象限运行。 关键词：提升机 电控系统 磁场可逆 逻辑无环流ABSTRACT The mine DC hoist electric control system consists of the DC motor, drum, brake system, in-depth instruction systems, gun systems and operating systems and so on. With the traditional mechanical and electrical control system upgrade; this system has a single large capacity, small size, light weight, a good smooth start-up feature, high precision and high security and reliability. This paper describes hardware circuit design, protection circuit design and the working principle of the system. In accordance with the design requirements of the subject, the design of the mine DC hoist electric control system is from the choice and calculation of the main circuit of the system, the choice of the control program, the design of the protection system and system analysis and calculation of static and dynamic characteristics. The system is able to complete the start, the running of speed up, uniform running, deceleration running and feedback control, furthermore it can run in the four quadrants.Key words：Hoist The electric control system Reversible magnetic field The logic of non-circulation 目录1. 绪论 1.1 矿井提升机国内外发展状况 1.2 本课题的目的和意义2. 系统的设备参数3. 系统的设计要求4. 方案的选择与比较 4.1提升机拖动方式的选择 4.2电动机调速方法的比较 4.3可控直流电源的比较 4.4电枢可逆与磁场可逆的比较 4.5逻辑有环流和无环流的比较 4.6矿井提升机供电电路组合方式 4.7单闭环和双闭环的比较5. 主回路及保护装置的选择、计算 5.1电枢回路选择计算 5.2励磁回路的选择计算 5.3电枢回路保护装置的选择、计算 5.4励磁回路保护装置的选择、计算6. 单元电路的设计6.1系统总体框图6.2系统的电路原理图6.3电动机电枢回路6.4电动机励磁回路6.5 检测单元7. 控制系统动态参数计算 7.1调节器结构的选择 7.2电流环参数的计算 7.3速度环参数的计算 7.4励磁回路动态设计8. 调速系统运行分析参考文献致谢1绪论1.1矿井提升机国内外发展状况一、国内提升机发展现状1.交流拖动方式目前我国提升机约70%采用串电阻调速的交流拖动方式。有单绳和多绳两种系列，大都采用改变转差率S的调速方法，在调速中产生大量的转差功率，使大量电能消耗在转子附加电阻上，导致调速的经济性变差。极少数提升机采用串级调速方法，其调速范围窄，且投资大。2.直流拖动方式我国提升机采用直流拖动有两种系统:直流发电机-电动机机组(F-D)和晶闸管-直流电动机(SCR-D)系统。其生产和使用情况如下:(1)国内研制大型直流提升机主要有三大厂家:上海电机厂主要生产配套电机，己生产低速直流电机800多台，最大容量5775kw，额定转速50r/min，其中长广煤矿及五村煤矿的提升机为10O0kW、48r/min，淮南潘三矿采用一台2600kW低速直联电机;上海冶金矿山机械厂主要生产主机及信号系统，已生产80多台提升机，1979年生产过一台低速直联落地式提升机:北京整流器厂主要生产配套电控系统，己从瑞士BBC公司和瑞典ASEA公司引进了晶闸管电控整机系统及元件生产线，直流电控容量可达到7000kW;还引进了交流变频调速(交-直-交)电控生产线，可生产单机420kw变频调速电控设备;1986年向甘肃金川矿提供了一套带微机控制的800kW直流电控设备。(2)从国外引进的晶闸管供电的直流提升机20多套，其中AEG公司21O0kW低速直联6套、西门子公司低速直联4套、瑞典ASEA公司9套。另外，还正在引进计算机控制的低速直联电控系统。二、国外矿井提升机的现状1.晶闸管-电动机(SCR-D)直流低速直联拖动系统部分发达国家原有的交流提升机已基本上被晶闸管-电动机(以下简称SCR-D)系统所取代。如德国、瑞典等国家已有90%以上采用直流提升机，传动系统大都采用低速直联式(省去减速机)，使系统大为简化。如AEG公司采用低速直联的SCR-D系统，电机功率3000kw，额定转速55.8r/min，滚筒直径6.5m，提人速度17m/s，提物速度20m/s，提升高度1200米，具有完善的保护系统;采用磁场反并联，有平波电抗器及卧式深度发送装置；采用积分给定与行程给定相结合的双重给定信号;主回路采用两组三相桥组成12脉动顺抗整流，大大提高了功率因数。SIEMENS(西门子)公司、ABB公司、CEGELEC公司以及ASEA公司等都有相同类型的产品，其性能大同小异。此类系统的优点在于：体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠。其缺点在于：功率因数低，如三相桥平均功率因数只有0.45左右；无功冲击大，高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定的允许范围内。2.交流变频调速同步机驱动提升系统SCR-D直流拖动系统趋于成熟，且采用了顺控技术等措施来提高功率因数，但其功率因数仍然较低，从而从电网吸收大量的无功功率，且对电网品质因数产生严重的影响，提升容量越大，问题越突出。再则，直流电机制造成本高，电枢回路的整流子限制了提升容量的进一步增加，且整流子，碳刷易磨损，加大了维护工作量，故障率高。因此换相整流子是个薄弱环节。由于存在上述两个问题，迫使人们又重新考虑交流拖动方式。自80年代初以来，交流变频供电的同步机拖动异军突起，在大型提升机中发展成为技术、经济均优的拖动方式。如SIEMENS公司1979年投运的2X4200kW、1x2650kw，额定转速55.5r/min；CEGELEC公司1983年投运的1X5480kw，额定转速69.5r/min；AEG公司1985年投运的1x3000kW，额定转速55.8r/min，ABB公司投运的lx4200kw额定转速45.86r/min；SEIMAG公司投运的2x460OkW等变频调速同步机拖动的提升机，经过多年的运行，均获得成功。这种拖动系统主要有如下优点：提升容量几乎不受限制，最大可达10000kW，提升速度可达20m/s以上，提升高度1200米以上，滚筒直径达6.5m，这是直流系统难以达到的；没有整流子和碳刷这一薄弱环节，保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗；功率因数高，可达0.9-1，极大地节省了电能；动态品质好(和直流系统相同)，系统可在四象限平滑过渡和无级调速；由于机械特性好，故起动转矩大。同步机的价格和有色金属的消耗低于直流机；调速范围宽。因此，多数专家认为，变频同步机拖动调速系统是大型提升机拖动的必然发展方向。这种拖动系统的缺点是：必须有专用的变频电源；在恒转矩调速时，低速段电机的过载倍数有所降低；高次谐波对电网有影响，需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。 1.2 本课题的目的和意义近年来，随着我国经济的快速发展和对矿山资源需求的高速增长，对矿山生产技术提出了越来越高的要求。矿井提升机作为矿山进行生产活动的关键设备之一，其电控调速技术的发展对促进矿井生产效率的提高和安全作业，无疑具有极其重大的影响。历经几十年发展，我国的矿井提升机电控技术取得了不少的进步，但与美国、 德国等世界发达国家相比，依然存在着很大的差距。目前，发达国家的矿井提升机电控技术已全面实现了全数字控制，而国内绝大多数中小煤矿的矿井提升机电控系统还是交流串电阻调速的继电器接触器控制系统，效率低下，安全隐患多，严重制约着我国矿山产业的健康发展，急需大规模的技术改造和更新。矿井提升机直流拖动相对于交流拖动，提升能力强，并且调速容易。例如，一台交流提升机功率最大为1000kw，当要求提升功率为2000kw一下时可以采用双交流电机拖动方式，若要求提升功率大于2000kw时则需要采用直流提升机拖动。矿井直流提升机电控系统可以完成对直流提升机的起动、加速运行、匀速运行、减速运行和回馈制动的控制，并且可以实现平滑运行，调速精度高和提升机的四象限运行。矿井直流提升机电控系统的优点在于:体积小，重量轻，占地面积小，安装方便，建筑费用低；无减速器，总效率高，电能消耗少；维护工作量小，备件少，处理事故快；单机容量大，适用范围广；调速平滑，精度高；易于实现最佳控制和自动化，安全可靠。矿井直流提升机电控系统还可为以后的计算机控制的系统的设计和建设打下了基础，和实现矿井提升机的全数字控制。本设计采用磁场换向的晶闸管-直流电动机(SCR-D)系统作为矿井直流提升