毕业设计(论文)-刮板输送机的变频软起动.doc
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1、河南理工大学毕业设计(论文)说明书摘要刮板输送机是煤矿开采的关键设备之一,是采煤工作面唯一的连续运输设备。随着刮板输送机装机功率的增大,它的起动问题越来越成为人们关注的焦点。软起动器因为起动电流小、节约能源以及减少了对机械的起动冲击,而广泛应用于三相笼型异步电动机的起动中。传统的降压起动方法基本上是靠单纯的降低电压来起动电动机的,起动转矩很小,不适用于刮板输送机。本文在分析大功率刮板输送机的基础上,根据刮板输送机的具体要求,采用变频调速技术来实现刮板输送机变频软起动。系统的控制电路采用新的起动方法变频起动,来保证电动机在起动初期具有低电流、高转矩的特性。系统采用IGBT作为主功率器件,以80C
2、196MC单片机为控制核心,充分利用其片内波形发生器能直接用软件产生PWM波的特点,同时采用M57962K-01构成IGBT的驱动电路,在控制上采用恒UF控制且在低频补偿的策略。本文还给出了系统的软件、硬件和保护电路的设计方法。这些设计使系统能够可靠工作,运行状态良好,达到了设计目的。关键词:刮板输送机; 变频软起动; 变频调速; 恒UF控制; PWM波80C196MCAbstractArmored Face Conveyor is one of the key equipments in coal mining face , and what is more is that it is th
3、e only continuous conveying equipment . With the increase of the , more and more attentions are paid on it. Soft starter is widely used in the startup of asynchronous electromotor because of its small startup current , the economy of energy sources and reducing mechanical startup impact . Convention
4、al reduced-voltage start methods start up asynchronous electromotor merely by decreasing voltageSo the startup torque is very small and can not fit the request for Armored Face ConveyorBased on the analysis on large power Armored Face Conveyor, and according to the specific requirements of Armored F
5、ace Conveyor , this paper indicates that the variable frequency could be used to realize soft-Start procedure of Armored Face Conveyor. The new method of reducing power supply frequency is proposed in circuit of control system to guarantee high starting torque and small starting current at the start
6、up timeThis kind of drive system uses the power IGBT as main switch, the 16 bit single chip microcomputer 80C196MC as the control unitThe wave form generator can generate directly three phase PWM wave forms by software in the 80C196MC. The IGBT drive circuit uses M57962K-01 driver. The system use co
7、nstant V/F control and low frequency compensation regulationIn this paper,the software,hardware and protected circuit are discussed These designs can make system work more reliably and reach expectant aimKEYWORDS:Armored Face Conveyor ; the soft starter based on variable frequency; variable frequenc
8、y variable speed ; constant VF control ; PWM wave ; 80C196MC 目录摘要1Abstract2目录31绪论11.1刮板输送机基本结构11.2刮板输送机的起动控制要求21.3交流异步电动机起动方式比较31.4论文研究的内容42 刮板输送机变频软起动器硬件电路设计52.1系统硬件电路结构总体设计52.3驱动电路设计92.4检测电路设计112.4.1 转速检测电路设计112.4.2 电流检测及过流保护电路设计122.5保护电路设计132.5.1过压欠压保护电路132.5.2泵升控制电路152.5.3过热保护电路172.5.4 断链保护电路172
9、.5.5 堆煤保护电路192.5.6故障综合处理电路202.6控制电路设计212.6.1选择主控芯片80C196MC212.6.2 80C196MC结构特点212.6.3 80C196MC存储器扩展电路232.6.4 看门狗电路252.7 键盘显示电路272.8 外围输入电路292.9系统供电电源设计303 刮板输送机变频软起动器软件设计323.1刮板输送机起动特点及变频软起动曲线选择323.2变频软起动器的恒压频比控制方式343.3变频软起动器的SPWM产生方式373.4 变频软起动器主程序383.5刮板输送机变频软起动参数设置子程序403.6 基于Harrison曲线的SPWM子程序403
10、.6.1 SPWM波形生成原理与控制算法403.6.2 基于Harrison曲线的SPWM输出程序433.7 A/D 转换子程序443.8堵转自动控制程序474 系统运行484.1变频软启动器运行前参数的整定484.2变频软启动器运行过程48结论54附录 刮板输送机变频软起动器电路图55参 考 文 献56致谢5758河南理工大学毕业设计(论文)说明书1绪论1.1刮板输送机基本结构刮板输送机是综采工作面的关键设备,在煤炭生产过程中有无可替代的作用,它的工作情况直接影响井下的生产。工作面刮板输送机主要用来与采煤机、液压支架、顺槽转载机、破碎机和带式输送机配套而实现综采工作面的落煤、装煤、运煤、移溜
11、和顶板支护等工序的机械化。刮板输送机一般适用于018-415m的煤层,并可作为采煤机和刨煤机运行的轨道和安装基础,以及液压支架向前移动的支点。刮板输送机的主要结构如图1-1所示:图1-1 刮板输送机结构图机头部机头部是由机头架、链轮、减速器、盲轴、联轴器和电动机组成,它是将电动机的动力传递给刮板链的装置。机尾部机尾部分为有驱动装置的和无驱动装置的两种。图1-1所示为有驱动装置的机尾部,因机尾不需要卸载高度,除了机尾架与机头架有所不同外,其他部件与机头部相同。中部槽与附属部件中部槽是刮板输送机的机身,由槽帮钢和中板焊接而成,上槽是装运物料的承载槽,下槽底部敞开供刮板链返程用。刮板链刮板链由链条和
12、刮板组成,是刮板输送机的牵引构件,刮板的作用是刮推槽内的物料。目前使用的有中单链、中双链和边双链三种。刮板的间距,由所运物料的性质、块度和安装倾角确定。刮板链切人物料的阻力应大于物料在槽内移动的阻力。紧链装置刮板链安装时,要给予一定的预紧力,使它运行时在张力最小点不发生链条松弛或堆积。推移装置推移装置是在采煤工作面内将刮板输送机向煤壁推移的机械。综采工作面使用液压支架上的推移千斤顶,非综采工作面用单体液压推溜器或手动液压推溜器。1.2刮板输送机的起动控制要求综采工作面刮板输送机工作条件恶劣,存在停车的随时性。刮板输送机链条刮板运动的静摩擦力很大,特别是刮板输送机停机后,还有片帮煤给输送机加载产
13、生“压溜”,造成设备难起动。井下又受到了电网容量的限制、空间限制、同时又处于爆炸性气体与煤尘的环境中,使解决井下大型运输设备的重载难起动问题更加艰难。刮板输送机的起动控制有以下要求:(1)尽可能小的起动电流,以减少对电网的冲击、减少电机发热和供电系统的影响。(2)由于刮板输送机起动初始为吸收间隙的空载运动,要求电机此时转矩要小,速度要慢;由静止转为运动时,要求电动机有足够大的转矩来克服静摩擦阻力,并且能有平稳提升的起动转矩和符合要求的机械特性曲线,逐步加速;克服静摩擦后,负载会明显减少,此时电机的力矩提升又相对变慢,这样才可实现平稳起动。1.3交流异步电动机起动方式比较交流感应电机直接起动是直
14、接给电机加额定电压,起动速度快,但危害大。首先,直接起动时的起动电流可达额定电流的47倍,造成电网电压跌落,对电网的冲击很大;其次,直接起动产生的过大冲击转距往往使电动机转子笼条、端环断裂,定子端部绕组绝缘磨损、击穿或转轴扭曲等,从而影响电机的寿命,同时,过大的冲击力会造成传动的其他设备非正常的磨耗和老化,影响设备精度。随着科学技术的发展,多种技术应用于软起动领域,出现了许多新型的软起动产品,它们具有控制方式灵活简便、对系统冲击小、控制元件不易损坏及维护方便等诸多优点,现已逐步取代传统的控制装置。下面就几种软起动方式做一些分析比较。(1)传统起动方式 电动机传统起动方式有自耦减压、Y减压、串电
15、抗器减压等。其优点是控制线路简单、前期投入成本低、维护方便。传统起动方式缺点是:对电网的冲击大,影响电网供电质量;对机械设备冲击大,降低设备使用寿命;容易导致电气故障,同时变压器容量要求较大。(2)晶闸管调压软起动晶闸管调压软起动器采用大功率可控硅作主回路开关元件,通过改变可控硅的导通角来实现电动机电压的平稳升降和无触点通断,起动电流可以限制到电机额定电流的175到500。晶闸管调压软起动实质上也是一种降压起动,与传统的降压起动不同之处在于电压并非突变,而是利用无触点电子开关器件控制电压的平稳上升。(3)变频软起动方式 变频起动也是一种软起动,是交流异步电动机理想的起动方式。它既具有软起动的特
16、点又可在电机正常运行时调整频率。它把电力配电网50Hz恒定频率的交流电变成可调频率的交流电,供普通的交流异步电动机作电源用。由于变频器采用电压频率按比例平滑上升的控制方式,能提供低频起动转矩,有利于电动机平稳起动,且可控制起动速度,是一种真正的平滑软起动方式。同时它保持了电动机的硬机械特性,与其他起动方式相比,起动电流小而起动转矩大,对设备无冲击力矩,既不影响其他设备的运行,又有较理想的起动特性。通过综合研究比较上述起动方式同时结合刮板输送机自身的特点,本文采用变频软起动作为刮板输送机的软起动方式。1.4论文研究的内容本文在掌握交流电机变频调速基本原理的基础上,采用Intel 80C196MC
17、,运用SPWM控制算法,提出了刮板输送机变频软起动器总体设计方案,并详细阐述了其中关键技术的研究和设计。具体研究工作包括:变频调速系统硬件电路的研究和设计、变频调速系统控制软件的研究。硬件电路由主电路、控制电路、驱动电路、系统检测保护电路和电源电路组成。主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路和IGBT驱动电路。控制电路主要80C196MC及其一些外围设备构成,它主要用来生成SPWM波形。驱动电路采用三菱公司的IGBT专用驱动模块M57962K-01。保护电路包括过压欠压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、泵升检测控制电路、堆煤保护电路和断链保护电路。2 刮板输送机变频软起动器硬件电路设计2
18、.1系统硬件电路结构总体设计本文设计的刮板输送机变频软起动器以Intel公司的80C196MC为控制核心,由主电路、控制电路、驱动电路和系统检测电路、保护电路组成,其总体设计图如图2-1所示。图2-1 刮板输送机变频软起动器总体设计图如图2-2所示,主电路部分由整流电路、滤波电路、逆变电路组成。其工作原理是把三相交流电压通过整流模块变为直流电压,整流后的脉动电压再经过大电容平滑后成为稳定的直流电压。IGBT逆变电路对该直流电压进行逆变,形成电压和频率均可调的三相交流电,提供给电机。图2-2 主电路控制电路主要由80C196MC及其一些外围设备构成,它主要用来根据输入信号发出控制命令和生成SPW
19、M波形。80C196MC 特别集成了专为电机控制而设计的波形发生器(WFG)这一功能外设,使得它在电机控制中倍受青睐它也被称为电机控制器(Motor Controller)。驱动电路采用三菱公司的IGBT专用驱动模块M57962K-01。M57962K-01因其驱动可靠价格低廉被广泛地应用于大功率IGBT驱动领域,它采用双电源驱动结构,内部集成有2500V高隔离电压的光耦合器和过电流保护电路。检测电路主要是速度检测电路和电流检测电路。速度检测的目的是检测刮板输送机在起动和运行出现的堵转现象。本设计采用霍尔效应接近式传感器作为系统中电机的转速传感器,传感器输出的信号处理后转换成标准的方波信号,将
20、该信号传输到单片机上,再经过相应的软件设计,就可得出电机的转速。电流检测是在整个起动过程中对起动电流进行实时检测:一方面将电流值送入控制器CPU中进行数值计算,完成电机起动,另一方面与过流设定值进行比较,实现过流故障的及时保护。系统保护电路包括过压欠压保护、过热保护、泵升检测与控制、断链保护和堆煤保护等。过压欠压保护是检测电网电压,以实现过压欠压保护。过热保护是在IGBT模块的散热器上加上一个温度开关,正常状态下温度开关为常开触点,当温度超过设定温度,温度开关动作,光耦导通,输出信号为高电平,将该信号送至CPU,发出过热警报。设置泵升检测与控制电路是因为在主回路中直流电源电压两端并联较大容量的
21、电解电容,而由于主回路直流侧采用不可控整流,感应电动机减速或停车时,储存在电动机转子和负载中的机械能不能回馈给电网,大部分机械能变为电能反馈到电容中,电容吸收了这些电能后,它两端的电压就会升高产生所谓的泵升电压U,如果没有对此电压进行限制,它将对IGBT造成永久性的损害,因此需要设计泵生电压检测电路。断链保护电路是检测刮板链断链现象,堆煤保护电路是防止刮板输送机的机头因堆满原煤,造成机头堵死。2.2主回路设计主电路由整流电路和逆变电路构成,它是本系统的功率驱动单元。由不可控整流环节、中间滤波环节和逆变环节构成。本设计所选的刮板输送机具体参数如表2-1所示。刮板输送机的电机是由2个隔爆型三相异步
22、电动机构成,具体参数如表2-2所示。型 号SGB-630/150输送能力(t/h)250出厂长度(m)200链速(m/s)0.868紧链方式磨擦式紧链器刮板链圆环链破断负载343.24KN规格(断面节距)mm1864刮板间距(mm)1024中部槽(长宽高)mm1200630190整机重量(不含电机、减速器)46.7t表2-1刮板输送机参数表2-2电动机参数功率KW额定电压V满载时转速 r/min电流A功率因数756601480730.89(1) 整流二极管参数通过二级管峰值电流:Im=Ie=*73=103A流过二极管电流有效值:ID=Im二极管电流额定值:Ie= =Im=45.37A整流二极管
23、电压定额:Ud=(23)U=(23)*660V=1900V根据上式确定的电压电流,选用200A,2000V的二极管。(2) 滤波电容参数当没有滤波电容时,三相整流输出平均直流电压为:UDC=3/*U线=1.35*660=891V加上滤波电容后,VDC的最大电压可达到交流线电压的峰值:UDC=*U线=*660=933V选用两个600V的电容串联,总耐压值为1200V (3) IGBT参数正反相峰值电压:Um =U=660=933(V)通态峰值电流:Im=I=103A三相全桥逆变器选用1700V,300A的IGBT2.3驱动电路设计本设计的逆变电路采用了IGBT ,而IGBT应用关键是其驱动电路和
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