乔欣毕业设计1文档格式.docx
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国内PLC形成产品化的生产企业市场占有率不超过10%,但在价格上占有明显的优势。
所以，本设计方案定为变频调速、PLC控制。
采用2台YBSS－250－12电动机，ABB公司变频器，三菱PLC。
改造后，系统运行将更加安全、节能、可靠。
设计的基本步骤为
1、根据国家有关规定和驱动系统的功率计算，查手册、选择电动机。
2根据钢缆皮带运输的实际要求，结合变频控制方法分析，完成变频器的选型。
3按照控制要求，确定外部联锁信号、相关保护等，分析需用点数、容量、通信预留等，选用PLC的型号、规格和技术参数。
4采用梯形图法完成软件设计。
5配置系统所需的装置和元件。
6用计算机绘制相关图纸。
7上机验证控制方案的可行性。
第二节设计原则和标准
1、遵循“五高”方针，即高起点、高技术、高质量、高效率、高效益，突出效益优先。
2、技术先进，可靠性高，扩展与升级容易，具有故障自诊断功能，作到能用、够用，好用。
3、充分利用现有资源，在技术先进的基础上，做到经济实用。
4、系统符合《煤矿安全规程》（2004版）相关系统设计，安装的规定，实现控制系统所有设备防爆。
5、系统的电磁兼容性符合国家标准。
6、网络通讯功能强大，易于与其它系统集成。
7、紧密结合现场实际情况，减速机、驱动轮、牵引钢丝绳、胶带、机身保持不变。
第三节驱动系统的功率计算
一、主要计算参数
1、运输长度：
L=780m
2、倾角：
β=9°
30′
3、提升高度:
H=115.96m
4、输送能力：
Q=600t/h
5、牵引钢丝绳:
6×
W（26）-40.5-ZZ
6、减速机型号:
GLJ-170传动比:
i=35.5
7、驱动轮直径:
D=3500㎜摩擦衬垫:
铝基合金
8、导向轮直径:
D=2800㎜
9、带速：
V
=2.0m/sV
=1.8m/sV
=0.5m/s
10、胶带宽度:
B=1.0m
11、单位长度物料重量：
q=Q/3.6V=600/3.6×
2=83.3㎏/m
12、单位长度胶带重量：
q
=25.6㎏/m
13、单位长度钢丝绳重量：
=6.09㎏/m
14、钢丝绳运行阻力系数：
ω=0.02（0.01~0.03）
15、钢丝绳允许挠度系数：
C
=0.025（0.01~0.03）
16、牵引钢丝绳载荷分布不均匀系数：
=1.05
17、上托轮转动部分重量：
q′=9.6㎏/m
18、下托轮转动部分重量：
q″=4.8㎏/m
19、钢丝绳经一个导向轮的阻力系数：
K
=1.02
20、牵引钢丝绳数：
n
=2
21、下托轮间距：
l″=6m
二、阻力计算
1、有载段阻力：
W′=L〔（q+q
+2q
）（ω
β+
β）+q′ω〕
=780×
〔（83.3+25.6+2×
6.09）（0.02
9.5°
+
）+9.6×
0.02〕
=17600㎏
2、空载段阻力：
W″=L〔（q
β－
β）+q″ω〕
〔（25.6+2×
－
）+4.8×
=－4207.5㎏
三、张力分布示意图
图一张力分布示意图
四、逐点张力计算
从胶带两端至钢丝绳两端二段距离内，由钢丝绳重量所产生的阻力可忽略不计，S1、S2、S3、S4视为钢丝绳各点张力。
1、驱动段最小张力
S
=S2=1.225n
（C
/n
+q
）l″10/C
=1.225×
2（1.05×
25.6/2+6.09）6×
10/0.025
=114836.4N=11483.64㎏
2、其它各点张力
S1=S2－W″
=11483－（－4207）
=15690㎏
S3=K
S2
=1.02×
11483=11712.66㎏
S4=S3+W′
=11712.66+17600=29312.66㎏
3、驱动轮牵引力
F=S4－S1
=29312.66－15690=13622.66㎏
五、电动机功率计算
P′=m
FV/102η
=1.25×
13622.66×
2/（102×
0.85）
=392.81KW
式中：
m
——电动机功率备用系数（1.15~1.25）；
η——机械传动效率（0.85~0.95）。
第二章设备选型
第一节电动机选型
一、电动机起动功率验算
（一）重载起动时增加的功率
P″=1/η〔0.00028QLV/t+0.002q
LV²
/t+0.004q
/t+0.002（q′+q″）LV²
/t+0.001（∑G
V²
）/t+G
/1000/t+n²
（GD²
）/366000/t〕
=1/0.85×
〔0.00028×
600×
780×
2/20+0.002×
25.6×
2²
/20+0.004×
6.09×
/20+0.002×
（9.6+4.8）×
/20+0.001×
（4620×
）/20+
24515.6×
/1000/20+495²
×
864/366000/20〕
=75.45KW
t——钢缆皮带机起动时间，8~20S
∑G
——除驱动轮和中间托绳轮以外的各种轮子转动部分重量的总和，查机械制造零部件图，∑G
=4620㎏
GD²
——电动机转动惯量。
G
——驱动轮与减速机转动部分的变位重量。
（二）过负荷验算：
（P′+P″）/P
≤（0.75~0.85）λ（过载系数）
（392.81+75.45）/2×
250≤（0.75~0.85）×
2.5
0.9365＜1.875~2.125
根据以上验算结果得知选用的电动机功率能满足要求。
二、电机选型结果
1、由于设备用于煤矿井下，所以必须选用防爆型电动机。
2、井下低压供电皮带电压等级一般为:
AC660V
3、由胶带运行速度范围0.5~2米/秒反算电动机转速，则电动机n=96~387转/分。
另外考虑用户要求电动机选型应为今后皮带速度提到2.5米/秒留有余量，电动机的极数选12极。
4、变频调速低速运行时电动机容易发热，因此选用水冷电动机。
选型结果如表一所示
表一电机选型结果
台数
型号
功率
频率（Hz）
电压（V）
电流（A）
转速
（转/分）
生产厂家
2
YBSS－250－12
250KW
50Hz
660V
298.3A
495
南阳防爆电机集团
第二节变频器选型
一、变频器
（一）通用变频器的基本结构和类型
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。
它就是一种改变电源频率和电压的设备，从结构上看，变频器分为3部分：
1、操作面板：
包括显示屏和键盘；
2、主电路接线端：
包括工频电网的输入端和接电动机的输出端；
3、控制端子：
包括外部信号控制变频调速器的端子、变频调速器工作状态指示端子、变频与微机或其他设备的通信接口。
从结构上看，变频器分为交－交变频器和交－直－交变频两类。
（1）交－交变频器
交－交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电。
其主要优点是没有中间环节，故变换效率高。
但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下，主要用于容量较大的低速拖动系统中。
（2）交－直－交变频器
交－直－交变频器则是先把交流电经整流器整流成直流电，在经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。
无论是交－交变频器还是交－直－交变频器，从变频电源的性质上看，又可分为电压源型变频器和电流源型变频器。
电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；
电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流滤波是电感。
①、电压源型变频器
在交－直－交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。
一般的交－交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。
②、电流源型变频器
当交－直－交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。
有的交－交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波具有电流源的性质，它也是电流源型变频。
二、选用变频调速的原因列出几种交流调速的比较
（一）变频调速可以实现软起动，降低机械冲击、降低起动电流对电网的影响、乘人时抑制加速度给人带来的不良反应。
软启动方式是在电源和电机之间串入软启动器的一种电机启动方式，也可归入降压启动的范畴，但它不同于一般的降压启动，它采用的是逐步升压的方式，电流也是逐步增大的，其停止时电流和电压也是逐步减小的。
软启动装置以微电脑作为其控制单元，利用软件，通过建立输入电动机、电网和负载数学模型，根据选定控制策略作出离线模拟，采用三对反并联晶闸管串接于电动机的三相供电线上。
利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其触发导通角的大小来改变晶闸管的开通程度，以此来改变电动机启动时输入电压和输入电流的大小，达到控制电机的启动特性。
软启动控制器接收到启动指令后，便进行有关计算，确定晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管使软启动装置按所设定的方式输出相应的电压，以控制电机的启动过程。
电机完成启动过程后，软启动控制器便控制交流接触器吸合，短路所有晶闸管，使电机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。
实际应用中，软启动具有下列优点
1、无冲击电流。
软启动器在启动电机时，电机启动电流从零线性上升至设定值。
它对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳启动，减少对负载的冲击转矩，能延长机器使用寿命，而且启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动，可频繁启动。
2、软停车功能。
停止时平滑减速，逐渐停机，从而克服了瞬间断点停机的弊病，减轻对负载设备的机械冲击，减少设备损坏。
3、启动参数可调。
根据负载情况及电网继电保护特性，可自由地无级调整至最佳启动电流。
软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流，提高系统运行平稳性，延长电机及相关设备的使用寿命。
因其电机启动时的电压和电流均可在一定范围内由用户进行调整，且可提供多种智能的启动曲线，有完善的电机保护功能，有显著的节能效果，因此，其用途相当广泛，目前在世界上正处于大力发展阶段。
（二）能够实现运人、运煤、及验绳检修多种速度。
（三）四矿钢缆皮带属于集中运输巷，担负着丁九、戊九采区及联络巷分运皮带的煤炭运输任务，有长期运行要求，变频调速能够降低冲击、节约电能，设备初期投资大点，但从长远来看还是经济的。
三、调速方案的确定
（一）驱动系统类型
为了与现场机械部分对接，采用一台变频器带一台电动机的单独拖动，整流与逆变一一对应组成变频器的常规方式。
（二）制动方式
钢缆皮带为上行皮带，上皮带运煤或下皮带运人时惯性很小，停车时采用回馈制动节能效果不明显，所以采用结构简单成本低廉的能耗制动。
（三）运行控制模式
1、三种运行控制模式
（1）u/f控制方式思路简单，附加要求少，控制容易实现，适合于多数二次方转矩负载以及对动态性能要求不高的反抗性转矩负载应用。
（2）矢量控制原理实际是对直流电机的模仿，通过矢量变换分离和合成励磁及转矩矢量，实现了磁链子系统和转速子系统的近似解耦，具备了控制转矩的手段。
（3）建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型，利用可测量的物理量，以软测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制，这就是基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。
矢量控制的稳态特性优于直接转矩控制，直接转矩控制的动态特性优于矢量控制，但两者的差别并不大，都是高性能的控制模式，其动态、稳态性能都能满足绝大多数的应用需求。
2、选择结果
根据市场各公司资料和价格，拟选用ABB公司提供的直接转矩控制方式产品。
（1）选择变频器的品牌
根据生产厂家的市场口碑，选ABB公司的产品。
按照电动机额定电流Ievf≥K1Ied=1.1×
298.3=328.13A选355kw变频器。
（2）变频器的选型结果查阅ZJT3—355/1140（660）的具体资料
ZJT3—355/1140（660）水冷式矿用本质安全型交流变频调速控制装置
技术参数：
额定交流电压：
1140V（660）
额定最大输出电流：
355A
输入电源频率：
50HZ
输出频率范围：
0~50HZ
控制型式：
转矩控制型矢量控制型
额定工作制：
不间断工作制
该变频器过载能力：
150%额定电流60S
180%额定电流10S
每次过载的间隔时间应大于20min
在数字控制模式条件下的分辨率为0.1HZ。
四、变频系统组成
主要由输入输出电抗器；
变频器逆变部分（IGBT）,控制部分；
显示部分和电源部分组成。
1、输入输出电抗器用来有效的抑制变频器产生的谐波分量。
2、变频器逆变部分通常是指将交流供电电源整流后通过IGBT逆变模块调制成频率可调的一种电源输出，简称交直交变频器。
3、控制部分指变频器的主控制模块，主要功能是接受或输出各种指令（起停，急停，手动选择，自动选择，故障复位，变频器就绪，变频器运行，变频器故障），速度编码器的信号采集等。
4、显示部分指变频器自身的参数或各种状态在码盘上显示，同时码盘可作为本地控制盘使用。
5、电源部分指提供变频器内部使用的不同等级的电源。
有AC220V;
DC24V等。
五、变频系统的功能
1、系统可任意调整加、减速度。
钢缆皮带输送机要求起动和停止平稳，为减少机械冲击，加、减速度要小于0.2m/s²
，同时为防止起动时瞬时打滑，要求等加速起动。
变频器的加减时间可在1——9999秒内任意调整。
2、所选变频器具有保护和自诊断功能，完善的保护功能以保障电气设备的正常运行，此变频器具有过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺相等保护。
能够保存最近10次的故障代码，还能保存相应的故障参数。
第三节IGBT结构及工作原理
一、IGBT的结构
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）是绝缘栅双极型功率管，它是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;
MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。
IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。
非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。
IGBT在结构上类似于MOSFET，其不同点在于IGBT是在N沟道功率MOSFET的N+基板（漏极）上增加了一个P+基板（IGBT的集电极），形成PN结j1，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与MOSFET相似。
IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区GTR，Rdr是厚基区GTR的扩展电阻。
IGBT是以GTR为主导件、MOSFET为驱动件的复合结构。
由于IGBT是在N沟道MOSFET的N+基板上加一层P+基板，形成了四层结构，由PNP－NPN晶体管构成IGBT。
但是，NPN晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使NPN不起作用。
所以说，IGBT的基本工作与NPN晶体管无关，可以认为是将N沟道MOSFET作为输入极，PNP晶体管作为输出极的单向达林顿管。
采取这样的结构可在N-层作电导率调制，提高电流密度。
这是因为从
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