礦井鼠籠提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋盛

(神華能源股份有限責(zé)任公司神東煤炭集團(tuán),陜西榆林　719315)

礦井鼠籠提升機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋盛

(神華能源股份有限責(zé)任公司神東煤炭集團(tuán),陜西榆林719315)

礦井提升機(jī)是礦山生產(chǎn)過程中最重要的設(shè)備之一,是聯(lián)系井下和地面完成人員、物料、設(shè)備運(yùn)輸?shù)摹把屎怼痹O(shè)備。作為礦山中重要的生產(chǎn)設(shè)備的礦井提升機(jī),為了實(shí)現(xiàn)礦井提升機(jī)安全可靠地運(yùn)行,設(shè)計(jì)一套可靠的提升機(jī)的電控系統(tǒng)就具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文針對(duì)礦井提升機(jī)工作過程和控制要求,設(shè)計(jì)了一套基于PLC、高壓變頻器的提升機(jī)電控系統(tǒng)。

礦井提升機(jī)高壓變頻器PLC提升機(jī)供電

傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用繼電器-接觸器控制，使得礦井提升機(jī)工作過程中出現(xiàn)速度不平穩(wěn)、故障率高、耗費(fèi)電能大、可靠性差等問題。為了解決這些問題，設(shè)計(jì)一套全新的安全可靠的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)是非常必要的。

1　礦井鼠籠提升機(jī)電控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

提升機(jī)系統(tǒng)通過控制交流電機(jī)來實(shí)現(xiàn)提升設(shè)備的往復(fù)運(yùn)行，交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)決定了提升設(shè)備的上下運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的變化使得提升設(shè)備能夠加減速運(yùn)行。提升機(jī)的工作時(shí)序，“為了使提升設(shè)備能夠安全可靠地持續(xù)工作，電動(dòng)機(jī)在正反轉(zhuǎn)時(shí)，都會(huì)經(jīng)歷啟動(dòng)、加速運(yùn)行、穩(wěn)定運(yùn)行、減速運(yùn)行、低速運(yùn)行、停車制動(dòng)等幾個(gè)階段”[1]。

(1)第一階段t1:啟動(dòng)后的初加速運(yùn)行階段，此時(shí)應(yīng)該緩慢加速，以免對(duì)提升設(shè)備產(chǎn)生過大的沖擊。

(2)第二階段t2:主加速運(yùn)行時(shí)間，此時(shí)的加速度較大，速度從v2一直加速到v1。

(3)第三階段t3:提升設(shè)備以最大運(yùn)行速度v1穩(wěn)定運(yùn)行，一般這段時(shí)間提升設(shè)備位于井筒中段，運(yùn)行時(shí)間最長。

(4)第四階段t4:主減速階段，提升設(shè)備以很大的加速度減速，在t4時(shí)間內(nèi)從最大速度v1減速到較低速度v2。

(5)第五階段t5:爬行階段的運(yùn)行時(shí)間，提升設(shè)備以較低的速度運(yùn)行，以便能夠在規(guī)定位置停車。

(6)第六階段t6: 停車制動(dòng)的時(shí)間，提升設(shè)備到達(dá)規(guī)定位置，提升機(jī)停車用的時(shí)間。

與提升機(jī)的工作時(shí)序相應(yīng)的，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行一樣有這相同的六個(gè)階段。由于提升機(jī)的往復(fù)運(yùn)行是靠電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，所以電機(jī)應(yīng)該能夠在正轉(zhuǎn)加速、正轉(zhuǎn)減速、反轉(zhuǎn)加速、反轉(zhuǎn)加速這四個(gè)象限內(nèi)運(yùn)行。

從礦井提升機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中不難看出，其電控系統(tǒng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)能否安全可靠地運(yùn)行有著決定性的作用。礦井鼠籠提升機(jī)電控系統(tǒng)可分為這幾個(gè)部分:供電系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感器監(jiān)測系統(tǒng)(測速系統(tǒng))、生產(chǎn)負(fù)載等。

本文選用的電機(jī)是額定電壓為10kV，額定功率為1250kW的三相異步鼠籠電動(dòng)機(jī)。供電系統(tǒng)采用了10kV雙回路的進(jìn)線方式;驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要是由高壓變頻器部分組成，來自母線的10kV電壓通過高壓變頻器的的調(diào)頻調(diào)壓后，供給電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行;控制系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC;測速系統(tǒng)通過旋轉(zhuǎn)編碼器與PLC中計(jì)數(shù)模塊結(jié)合的方式，通過M/T法進(jìn)行測速;生產(chǎn)負(fù)載中主要有提升機(jī)、滾筒、以及減速箱等。

2　高壓變頻器的主回路計(jì)算及選型

“高壓變頻器是應(yīng)高壓交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速的需要而誕生的，它是利用電力電子器件的通斷作用將工頻電源變換成另一種頻率電源的電能控制裝置。高壓變頻器是目前最理想的高壓電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，高壓變頻器是隨著大功率電力電子器件的飛速發(fā)展而發(fā)展起來的”。雖然高壓變頻器產(chǎn)品的種類有許多，但其基本的工作原理都是一樣的。“三相交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為”:

式中:n為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速;

n0為電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速;

p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù);

f交流電的頻率;

S為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

本文中高壓電動(dòng)機(jī)額定電壓為10kV，額定功率為1250kW。那么高壓變頻器的輸出線電壓值也應(yīng)該為10kV。

高壓變頻器輸出線電壓為

式中U0為高壓變頻器輸出線電壓有效值(V)

Ud為功率單元中直流電路中直流電壓值(V)

N為每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)

md為波形系數(shù)，當(dāng)功率單元的逆變電路逆變部分采用正弦波調(diào)制時(shí)，md=，當(dāng)采用平頂波調(diào)制時(shí)md=2。

本設(shè)計(jì)中采用SPWM波控制逆變電路，采用的是正弦波調(diào)制，md取。每相串聯(lián)六個(gè)功率單元，所以N=6。

算得功率單元直流電壓Ud=1361V。功率單元整流部分采用三相全控橋進(jìn)行整流，整流后輸出直流電壓為

式中Ud整流后輸出的直流電壓

U2l移相變壓器二次側(cè)輸出相電流值

1.35為三相全控橋整流系數(shù)

α為觸發(fā)角，空載時(shí)，取α=0

移相變壓器二次側(cè)線電壓有效值U2l=1008V。

電機(jī)額定功率P=1250kW，額定電壓U=10000V，功率因數(shù)cos φ=0.95

由于電機(jī)所帶負(fù)載提升機(jī)屬于頻繁加減速的設(shè)備，那么變頻器容量應(yīng)該比電機(jī)額定功率稍大，留有一定的裕量。變頻器容量取電機(jī)額定功率的1.5倍。

變頻器的輸出電流:I0=1.5IAN=1.5×76=114A

移相變壓器二次側(cè)輸出電流:I2=1.816Id=0.816I0=0.816× 114=93A

另外，晶閘管選用額定電壓2800V，額定電壓為100A的晶閘管，IGBT模塊可選用額定電壓3300V，額定電流600A的器件，具體型號(hào)為英飛凌公司生產(chǎn)的DD500S33HE3 IGBT模塊。直流濾波電流一般采用大容量電容進(jìn)行濾波，整流電流輸出直流電壓Ud=1361V，一般考慮10%的電壓波動(dòng)，則輸出的最大直流電壓值在1500左右，電容的耐壓值應(yīng)該在此之上。理論上，濾波電容的容量越大越好，不過實(shí)際上選取電容容量是從限制電壓波動(dòng)的角度來考慮的，在此系統(tǒng)中濾波電容器的容量選擇7.11×10-3F。綜合以上條件，高壓變頻器選用北京合康億盛公司生產(chǎn)的H IVERT-Y/T通用10kV系列高壓變頻器。

3　高壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的供電系統(tǒng)采用10kV雙回路進(jìn)線，10kV電源分別來子不同的變電站，在同一時(shí)間，只有一路電源給系統(tǒng)供電，承擔(dān)系統(tǒng)全部的工作負(fù)荷，另一路電源備用，當(dāng)正在供電的一路電源發(fā)生故障時(shí)，可以立即切換到另一路電源，提高了供電系統(tǒng)的可靠性和安全性。兩路電源進(jìn)行都是先連接到高壓進(jìn)線柜，進(jìn)線柜中有高壓斷路器用來切換電源。供電線路采用了單母線分段制線路，母線上引出兩路電源，一路供給高壓設(shè)備，一路供給低壓設(shè)備。供給高壓的電源線直接從母線中引出，先通過出線柜直接與高壓變頻器連接，10kV高壓通過高壓變頻器的調(diào)壓調(diào)頻后帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。另一路從出線柜引出后通過10kV/380V變壓器，變壓器二次側(cè)出來的低壓供給其他低壓設(shè)備，如PLC控制柜、照明設(shè)備等。為了保證低壓設(shè)備供電系統(tǒng)的可靠性，也必須有兩路低壓進(jìn)線，另外一路可以直接從其他變電站引進(jìn)低壓線路。

4　PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中，PLC控制系統(tǒng)是控制系統(tǒng)各部分穩(wěn)定運(yùn)行的核心。PLC通過接受提升機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中的產(chǎn)生的各種信號(hào)，通過預(yù)先裝載的程序進(jìn)行邏輯運(yùn)算，然后發(fā)出指示信號(hào)，在接收來自主控制臺(tái)的信號(hào)后控制系統(tǒng)運(yùn)行。在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中，輸入PLC的輸入信號(hào)一般有:提升機(jī)上升信號(hào)、提升機(jī)下降信號(hào)、速度轉(zhuǎn)接信號(hào)、軸編碼器的高速脈沖信號(hào)、電機(jī)過載信號(hào)、超重信號(hào)、急停信號(hào)、過卷信號(hào)、調(diào)繩信號(hào)和液壓軸溫度信號(hào)等。PLC輸出信號(hào)一般有:控制變頻器多段速度運(yùn)行的指示信號(hào)、由變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停車、加減速的信號(hào)、液壓控制閥控制信號(hào)、提升機(jī)抱閘停車時(shí)的指示信號(hào)以及其他各種指示信號(hào)。本系統(tǒng)采用西門子公司生產(chǎn)的S7-300系列PLC作為礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)的控制器件。

4.1S7-300系列PLC硬件設(shè)計(jì)

S7-300系列PLC是西門子公司在上世紀(jì)末推出的，具有不錯(cuò)的性價(jià)比，使它具有不錯(cuò)的競爭優(yōu)勢，很強(qiáng)電磁兼容性、抗振動(dòng)抗沖擊性強(qiáng)則讓它能適應(yīng)各種復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境，在工業(yè)領(lǐng)域隨處都能看見它的身影。本系統(tǒng)利用負(fù)載電源模塊、CPU模塊、信號(hào)模塊、通信處理器、功能模塊、接口模塊和導(dǎo)軌構(gòu)成一個(gè)PLC系統(tǒng)。下面將主要對(duì)PLC中最主要的幾個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1.1CPU模塊

CPU模塊是由CPU芯片和存儲(chǔ)器構(gòu)成。本系統(tǒng)選用的CPU模塊型號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)型CPU 315-2DP，315-2DP具有比較大的容量，而且其對(duì)二進(jìn)制和浮點(diǎn)數(shù)處理性能上也是比較出色的。同時(shí)它還具有兩個(gè)PROFIBUS-DP主站/從站接口，并且可以配置成分布化的結(jié)構(gòu)。這對(duì)于有著多個(gè)輸入輸出量的礦井提升機(jī)系統(tǒng)是非常適用的。

4.1.2信號(hào)模塊

本系統(tǒng)中數(shù)字量輸入模塊采用SM 321 DI32xDC24V模塊，數(shù)字量輸出模塊采用SM 322 DO16xDC24V/0.5A模塊，模擬量輸入采用SM 331 A I8x12Bit，模擬量輸出采用SM 332 AO4x12Bit。

數(shù)字量輸入模塊SM 321主要作用是將輸入的數(shù)字信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成PLC內(nèi)部運(yùn)行的信號(hào)電平，然后進(jìn)行經(jīng)光電隔離和濾波，送到輸出緩沖區(qū)等待CPU采樣，采樣后的信號(hào)經(jīng)總線被送入輸入映像區(qū)。

數(shù)字量輸出模塊SM 322作用是將PLC內(nèi)部信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成外部所需的信號(hào)電平，可用來直接驅(qū)動(dòng)各種線圈、信息指示燈和極小功率的電機(jī)等。數(shù)字量輸出模塊分為直流輸出、交流輸出交直流輸出方式，前兩種是通過晶閘管輸出，最后一種是通過繼電器輸出。

4.1.3功能模塊

本設(shè)計(jì)的功能模塊為計(jì)數(shù)器模塊，型號(hào)為FM 350-1，F(xiàn)M 350-1是一種高速計(jì)數(shù)器模塊，用于S7-300可編程控制器。模塊可以連接1通道90相位差脈沖或脈沖加方向的計(jì)數(shù)輸入，完成計(jì)數(shù)與測量的功能。計(jì)數(shù)功能包括連續(xù)計(jì)數(shù)、脈沖倍頻、周期計(jì)數(shù)、單循環(huán)計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)值比較和計(jì)數(shù)值鎖存等;而測量功能包括頻率、轉(zhuǎn)速和周期測量。

選擇FM 350-1計(jì)數(shù)模塊的原因是:與CPU模塊內(nèi)部集成的計(jì)數(shù)器相比，在性能方面有如下幾個(gè)優(yōu)勢:

(1)高速計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)范圍比集成計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍更大，而且其最高計(jì)數(shù)頻率能夠達(dá)到500kHz。

(2)計(jì)數(shù)輸入信號(hào)種類齊全。

(3)FM 350-1模塊除了具有高速計(jì)數(shù)功能外，還有同步控制模式和測量模式。測量模式時(shí)能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量和周期測量功能。

(4)狀態(tài)指示:模塊的工作狀態(tài)可以通過安裝于面板上的狀態(tài)指示燈與安裝于I/O點(diǎn)上的指示燈檢查。通過狀態(tài)指示燈，可以指示計(jì)數(shù)模塊的運(yùn)行、出錯(cuò)報(bào)警、計(jì)數(shù)方向以及各信號(hào)的I/O狀態(tài)。

(5)I/O控制信號(hào):模塊除計(jì)數(shù)輸入外，還可以連接3點(diǎn)數(shù)字量輸入信號(hào)，連接的輸入信號(hào)可以作為模塊的啟動(dòng)、停止等外部控制信號(hào)，而且還可以連接2個(gè)數(shù)字量輸出信號(hào)。

4.2電機(jī)測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電機(jī)的測速是通過PLC系統(tǒng)與旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)合來完成的。旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在被測電機(jī)的主軸上，與被測電機(jī)的主軸同軸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖量是固定的，通過與PLC中FM 350-1計(jì)數(shù)模塊相連的導(dǎo)線，旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出脈沖被送入計(jì)數(shù)模塊中，電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，在固定時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)模塊計(jì)數(shù)的脈沖量也不同。根據(jù)這個(gè)原理，系統(tǒng)就能對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。

現(xiàn)在電機(jī)測速一般采用光電編碼器進(jìn)行測速，光電旋轉(zhuǎn)編碼器是通過光電轉(zhuǎn)化，將電機(jī)主軸的角位移量轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)的傳感器。光電旋轉(zhuǎn)編碼器是由光柵碼盤和光電檢測裝置構(gòu)成的，光柵碼在一定的直徑上有這多個(gè)等距的圓形小孔，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵碼盤也跟著一起同速旋轉(zhuǎn)。發(fā)光元件和光敏元件分別位于光柵碼盤的兩側(cè)，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)光元件發(fā)出的光通過光柵碼盤上的小孔照射到光敏元件上，光敏元件感光后把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。“電機(jī)轉(zhuǎn)速不同，光敏元件的輸出脈沖信號(hào)頻率也不同，續(xù)傳編碼器就是根據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行測速的”。

5　結(jié)語

現(xiàn)階段礦井提升機(jī)對(duì)保證礦山的安全生產(chǎn)具有重要作用，是礦山中重要的生產(chǎn)設(shè)備。本文主要為礦井提升機(jī)設(shè)計(jì)了一套基于變頻器和PLC的可靠的電控系統(tǒng)，希望對(duì)其他設(shè)計(jì)人員有一定的參考價(jià)值。

[1]蔣宏民.技術(shù)在我國礦井交流提升系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].冶金礦山,2011(8).

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