提升机的电机调速系统设计毕业论文.doc
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1、提升机的电机调速系统设计摘 要 矿井提升机是采矿工业中联系井下与地面的主要运输工具。用于竖井和斜井提升煤炭、矿石、矸石以及升降人员、材料、工具和设备等。主轴装置采用剖分式、整体式弹性结构卷筒,卷筒受力均匀、强度大、盘式制动器为油缸后置式,动作灵活,无油污制动盘,安全可靠;具有电气延时二级制动性能,并可在井口时自动解除;双筒提升机设有径向齿块式调绳离合器;传动部位可配置行星减速器或平行轴圆弧齿轮减速器。电气具有必须的各种电器保护和连锁装置,根据要求提供动力制动。提升机在提升和下降的过程中一直伴随着电动机的转速变化,其转速的变化主要依靠电机调速系统。可以说电机调速系统在整个提升机系统中起着至关重要
2、的作用。 目 录第一章 概述4第二章 提升机的交流调速 21 提升机交流调速的现状52、2 用单片机控制的交流调速的原理7第三章 提升机交流调速系统的设计3.1 调速系统总体方案设计153.2 提升机系统主回路的设计163.3 元器件的选择163.4 转差频率控制原理及调节器的设计173.5 系统软件的设计19第四章 PWM控制信号的产生及变换器的设计24五 结束语26参考文献27致谢28第一章 概述 矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械,是一种大型绞车。用钢丝绳带动容器(罐笼或箕斗)在井筒中升降,完成输送物料和人员的任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大
3、、速度高,已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。 矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒(或摩擦轮)、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成,采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种,钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳,连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳,连接两个容器,运转时一个容器上升,另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上,利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的
4、两端各连接一个容器,或一端连接容器,另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机(机房设在井筒顶部塔架上)和落地摩擦式矿井提升机(机房直接设在地面上)两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是:可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮,从而机组尺寸小,便于制造;速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。提升机无论正转、反转,其工作过程是相同的,都有加速、稳定运行、减速、爬行、制动停车五个阶段。每一个提升循环运行的时间,与系统的运行速度、加速度及井深有关。各段加速度的大小根据工艺情况
5、决定,运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。(1)第一阶段t1:车厢在井底工作面装满煤后,由井底信号工发一个提升联络信号给地面井口信号操作工人,井口信号工再向车房操作工发出开车信号,然后将提升机司机根据相应的信号开机提升。重车启动后,加速运行,在加速时间内,设备如果没有问题,则再加速到正常运行速度。 (2)第二阶段t2:重车以最大速度稳定运行,一般这段时间最长。 (3)第三阶段t3:提升机司机根据提升容器的深度指示,到减速段时减速,如减速时间设置较短时,变频器制动单元和制动电阻起作用,不致因减速过快而跳闸。 (4)第四阶段t4:车减速到低速爬行,便于在规定的位置停车。 (5)第五阶段t5:到
6、停车位置时,变频器立即停车,车减速到零,井口信号工向车房发一个停车联络信号,整个提升过程结束。第二章 提升机的交流调速2.1 提升机交流调速的现状随着电力电子技术,计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代,变频调速技术得到了飞速的发展。据资料显示,现在有90%以上的动力源来自电动机。我国生产的电能60%用于电动机,电动机与人们的生活息息相关,密不可分,所以要对电动机的调速有足够的重视。我们都知道,动力和运动是可以相互转化的,从这个意义上说电动机也是最常见的运动源,对运动控制的最有效方式是对运动源的控制。因此,常常通过对电动机的控制来实现运动控制。实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制。
7、对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类。简单控制是指对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器、可编程器件和开关元件来实现。复杂控制是指对电动机的转速、转角、转距、电压、电流等物理量进行控制。而且有时往往需要非常精确的控制。以前,对电动机的简单控制的应用较多,但是,随着现代化步伐的前进,人民对自动化的需求也越来越高,使电动机的复杂控制逐渐成为主流,其应用领域极为广泛。在军事和雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态、飞船光电池对太阳的控制等。工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、绕线机、泵和压缩机、轧机主传动等设备的控制。计算机外
8、围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器、绘图仪、打印机、复印机等的控制;音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、冰箱空调、电扇等的控制,我们统统称其为电动机的控制。交流调速控制作为对电动机控制的一种手段。作用相当明显,这里就不再多做介绍,就交流调速系统目前的发展水平而言,可概括的如下:(1)已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级。并解决了交流调速的性能指标问题,填补了直流调速系统在特大容量调速的空白。(2)可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力,从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求。(3)可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制。除了控制部分可以得到
9、和直流调速控制同样良好的性能外,异步电动机本身固有的优点,又使整个系统得到更好的动态性能。采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统,调速精度可达到0.002%。2、2用单片机控制的交流调速的原理 一、 微处理器(单片机)取代模拟电路作为电动机的控制器,具有如下特点:(1)使电路更简单。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路更复杂,采用微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。(2)可以实现较为复杂的控制。微处理器具有更强的逻辑功能,运算速度快、精度高,有大容量的存储单元。因此,有能力实现复杂的控制。(3)灵活性和适应性。微处理器的控制方式是有软件来实现的,如果需要修改控制规律,一
10、般不必改变系统的硬件电路,只须修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移,控制精度高。数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题,无论被控量是大还是小,都可以保证足够的控制精度。(5)可以提供人机界面,多机连网工作。用工业控制计算机可谓功能强大,它有极高的速度,很强的运算能力和接口功能,方便的软件功能,但是由于成本高,体积过大,所以只用于大型的控制系统,可编程控制器则恰好相反,它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算,由于功能太弱,所以它只能用于简单的电动机控制。在民用生产中,通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器。本
11、次设计就是用单片机作为电动机的控制器。在设计中用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟电路,就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免,达到提高控制精度的目的。在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制。转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单,异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线,但是不能保证必要的调速精度;而且在动态过程中由于不能保持所需要的转距,动态性能也很差,它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合。如果异步电动机能像直流电动机一样,用控制电枢电流的方法来控制转距,那么就能够得到和直流电动机一样的动静态性能。转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法
12、,采用这种控制方案的调速系统,可以获得与直流电动机恒磁通调速相似的性能。转差频率控制的基本概念,原理由式 可以得出异步电动机的机械特性方程式 令式中 ,它是转差频率。 又由式 即: 所以: 式中 由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值,当转差频率小于临界转差频率(对应于电磁转距最大的转差率)时,电动机运行在稳定工作区,电动机的电流比较小;当转差率大于临界转差率时,电动机进入不稳定工作区,电动机的电流增大,转距减小。所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率。也就是说,异步电动机稳定工作时的转差率很小,从而 也很小,可以认为 , ,所以可近似写成。此式表明,在转差频率很小的范围内,只要能
13、够保持气隙磁通 不变,异步电动机的转距就近似与转差频率成正比,这就是说,在异步电动机中控制,就能和直流电动机中控制电流一样,能够达到控制转距的目的。控制转差频率就代表了控制转距,这就是转差频率控制的基本原理。转差频率控制的基本规律 上面只是近似找到了转距与转差频率的正比关系,可以用它表明转差频率控制的基本原理,但是这一正比关系必须有两个条件才能成立。首先转差频率必须较小,即控制系统必须对限幅,使其满足;其中,对应于最大转距时的转差频率。这就是转差频率控制的基本规律之一。对限幅的功能由转速调节器来实现。上述的第二个条件是气隙磁通必须保持恒定。异步电动机可以控制的量是定子电流,而中包括励磁电流分量
14、和负载电流分量,只有保持励磁电流分量恒定,才能使气隙磁通 恒定,而和 均难以直接测量,若能找到,和 之间的函数关系。当负载改变引起变化时,只要调节,使保持不变,问题就解决了。图1 转差频率控制的基本规律根据并联支路的分流公式取等式两侧向量的副值相等,得:令常数,可以看出图1,它具有如下性质:(1),当=0时,在理想空载时定子电流等于励磁电流;(2),若值增大,定子电流也相应增大;(3),当时, ,这是曲线的渐近线;(4),为正负值时,的对应值不变,左右对称。上述关系表明:只要对定子电流和 的关系符合图1或符合 的规律,就能保持气隙磁通 恒定,这就是转差频率控制的基本规律之二,它有函数电流发生器
15、来实现。总结起来,转差频率控制的基本规律是:(1)在的范围内,转距基本上与成正比,条件是气隙磁通 恒定。(2)定子电流和 的关系符合图1或式子 的规律,就能够保证气隙磁通 恒定。转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理图如图2所示,可以看出该系统具有以下特点:(a)采用电流源变频器,使控制对象具有较好的动态响应,而且便于回馈制动,这是提高系统动态性能的基础。(b)和直流电动机双闭环调速系统一样,外环是转速环,内环是电流环,转速调节器的输出是转差频率给定值,代表转距给定。(c)转差频率的控制作用分两路,分别作用在可控整流器和逆变器上。前者通过函数发生器,按的大小产
16、生相应的信号,再通过电流调节器控制定子电流,以保持恒定,另一路按产生对于于定子频率的控制电压,决定逆变器的输出频率。(d)转速给定信号,都反向,相序鉴别器判断的极性以决定环形分配器的输出相序,而信号本身则经过绝对值变换器决定输出频率的大小,这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行。二、调速系统的工作原理(1)起动过程 起动过程如图2所示。首先说明起动过程是一个恒定子电流,恒转差角频率起动的过程,转速给定信号由电位器设定,作为转速调节器的输入信号,在起动瞬间(对应于图中的A点电动机的转速),而测速发电机TG输出信号, 图2 调速系统的工作原理图转速调节器的输入信号最大,其输出最大达到限幅值而转速
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