绞车设计计算.docx
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绞车设计计算
运河煤矿暗斜井绞车
提升电控改造
设计计算书
天津民益电气有限公司
2009年3月2日
暗斜井绞车提升电控改造设计计算
一、设计依据
提升倾角：
20度
矸石的散体容重：
r=18KN/m3
一次提升重量：
Q矸=108000NQ煤=80000N
提升容器自重：
QZ=37800NQ人行车=22000N
提升机
型号：
JK—2.5/20E
最大静张力【Fjm】=90000N
最大静张力差【Fjc】=90000N
提升机变位重量（包括减速箱）：
Gj=132000N
减速机型号及速比：
XL-30i=20
钢丝绳每米重量：
p=32.14N/m
钢丝绳全厂：
Lp=900m
4、电动机
型号：
YRKS450--10
额定功率Pe:
355kw额定转速ne:
585r/min
过载系数λm：
2.2电动机转子的变位重量：
158720N
定子额定电压：
Ve:
6000V
定子额定电流：
Ie:
46.7A
转子额定电压：
V2e:
809V
转子额定电流：
I2e:
270.3A
绝缘等级F接法：
Y/Y
生产厂上海电机厂
二、设备选择：
1、变频装置容量：
Uout=480V
P=1.732UoutIA=1.732*480*456=379.1KW
查西门子6SE70传动手册，可选P=500KW、UOUT=480V的4象限全数字变频传动装置6SE7036-0T560-0可以满足要求。
2、整流回馈装置
由以上变频装置容量,可选与之匹配的整流回馈装置P=500KW、USET=480V的4象限全数字整流回馈装置6SE7038-2EH85-0可以满足要求。
3、整流变压器
整流变压器为单独变压器向整流回馈装置供电，容量为ST。
ST=1.4P=1.4x355KW=497KVA实际可取S=500KVA
U2=480V
变压器的组别为：
D/d0
阻抗压降为6%，有利于整流系统的保护。
变压器采用干式树脂，强风冷结构，有利于维护。
4、整流回馈自耦变压器
整流回馈自耦变压器向整流回馈装置供电，容量为ST。
ST=1.1P=1.1x355KW=390KVA
实际可取S=400KVA
U2=480/580V与整流回馈装置匹配
变压器采用干式，自冷结构，有利于维护。
5、自耦变压器
自耦变压器向电机供电，容量为ST。
ST=1.1P=1.4x355KW=390KVA实际可取S=450KVA
U2=480/810V与电动机匹配
变压器采用干式，自冷结构，有利于维护。
三、提升系统运动学计算见下表：
提升系统运动学计算
序号
名称
单位
计算公式
计算结果
1
加速时间
s
t1＝Vmax/a1
11
2
加速距离
m
h1＝a1t12/2
13.1
3
减速时间
s
t3＝（Vmax－V4）/a3
10
4
减速距离
m
h3＝（Vmax+V4）t3/2
20
5
次减速时间
s
t4＝h4/V4
117
次减速速度
m/s
Vr
0.7
8
等速距离
m
h2＝Ht’-h1-h3-h4-h5
534
9
等速时间
s
t2＝h2/Vmax
178
休止时间
s
θ
25
10
一次运行时间
s
T0
410
注：
选取参数加、减速度a1＝0.21m/s2a3=0.21m/s2
最大速度Vmax＝3m/s
一、产品概述
1、产品简述
矿井提升机矿用一般型（KY）转子变频调速控制系统，是我公司针对目前矿井提升机大多使用高压绕线电机的现状，结合先进的变频调速技术，突破性的采用转子变频供电、定子短封的控制方式，开发研制的一项新型的专利技术（ZL200620027468.0）。
转子变频调速部分采用交-直-交无反馈矢量变频调速技术，具有调速性能好，使用方便，适应范围广等特点。
控制部分采用西门子S7-300型PLC，结合我公司最新开发的全数字可调闸闭环保护系统，双PLC双线制保护控制系统等我公司的专有、专利技术。
全套系统性能可靠、安全保护功能完善、系统设计先进，突破了传统的高压定子变频调速的思维模式，是高压绕线电机拖动的矿井提升机电控系统全新的调速方式。
为了适应更广泛的矿井使用条件，降低系统成本，提高系统的可靠性，本系统针对不同的使用环境，分别选用二象限变频器和四象限变频器两种方案。
二象限变频调速系统具有成本低廉，使用可靠等特点，多用于主井、矸石井等正力负荷运转的提升机使用，此时的变频调速性能、节电性能与能量反馈四象限变频器不相上下。
能量反馈四象限变频器技术先进，节能效果显著，更适合在副井和大功率提升机上使用。
四象限变频器在负力提升的状态下，电机再生发电产生的能量，通过整流回馈单元反馈电网，在保证了负力下放调速性能的同时，节电效果更加显著。
2、转子变频系统技术特点：
高压绕线电机转子变频技术，采用低压通用变频器，通过高压绕线电机转子供电，而将电机定子短封，实现高压绕线电机的变频调速，使交流提升机实现无级调速，达到理想的运行速度图。
本系统具有的优点和积极效果是：
由于高压绕线电机转子变频调速控制系统采用上述结构，利用目前成熟的低压通用型矢量控制变频器技术，对高压绕线电机的定子短封后，可以实现高压交流绕线电机的变频调速，因为高压绕线电机的转子电压较低，转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可，这样仅仅使用低压变频器就能解决高压绕线电机的变频调速问题。
与高压定子变频调速控制设备相比，设备简单、通用性强、可靠性高。
系统框图如下：
3、适用范围
1）海拔高度不高于1000米，（高于1000米时，变频器功率按具体情况选择）
2）周围环境温度不高于+40ºC，不低于-10ºC
3）相对湿度不超过85%
4）没有导电尘埃以及对金属和绝缘有破坏作用的气体
5）没有剧烈的震动和颠簸的场所
注：
用户如有特殊要求，可以与制造厂协调解决
二、产品型号规格
1、产品型号：
1）型号：
TKD（M）—B（ZB）/1—D2（Y2）—2/3
2）名称：
高压交流绕线电机矿井提升机转子变频调速电控系统
3）型号含义：
1TKD（M）—D：
单绳提升机电控、M：
多绳摩擦轮提升机电控
2B（ZB）—B：
变频调速控制、ZB：
转子变频调速控制
31（2、4）—2：
两象限变频器、4：
四象限变频器
4D2（Y2）—D2：
电延时二级制动、Y2：
液压延时二级制动
52—变频器功率
63（4、6）—4：
400V级变频器、6：
660V级变频器
2、外形及安装尺寸：
（下图仅为示意图，实际尺寸以项目所附图纸为准）
3、主要技术参数：
1）输入电源电压AC6kV，频率50HZ
电压允许波动范围-15%~+10%
频率允许波动范围-2.5%~+2.5%
3）输出频率范围0~50HZ
4）输出频率范围0~400HZ（变频器输出）
5）控制电机单机功率不大于1200kW
6）可以多台（2台以上）电机（1200kW以下）并联使用
7）功率因数COSΦ>0.9
8）低频运转时频率小于2HZ时，即可输出150%额定力矩
9）变频输出载波频率2-8KHZ
10）变频器内部设有过压、欠压、过流、过载、电机过热、缺相等等30多项保护
三、操作台仪表开关布置及用途
1、操作台面板图
注：
以单绳提升机电控为例说明，与现场图纸如有不同，以现场图纸为准
2、操作台正面面板仪表：
1）WDX：
温度巡检数字显示仪表，由温度巡检仪测量信号输出显示。
2）AM：
变频器输出电流指示，由变频器模拟量输出信号标注指示。
3）FM：
变频器输出频率指示，由变频器模拟量输出信号标注指示。
。
4）DY1（10MPa数字油压表）：
指示液压站制动油压，设有超压保护接点，可通过面板调整。
5）数字深度、速度指示：
数字指示仪表，显示数字由PLC输出，必须通过程序调整。
6）液晶显示屏：
与上位监控机连接，显示各类工况，并能作编程器修改程序。
7）MA：
可调闸电液调解器毫安表（电压表），显示可调闸电液调节器电流（电压）。
8）A1：
电流表，指示主回路电流，信号采自电流互感器。
9）V1：
转子变频高压电源电压表。
10）DY2（0.6MPa数字油压表）：
润滑油压数字指示表，设有欠压保护接点，可通过面板调整。
11）数位状态指示灯：
十六位发光二极管指示灯，指示绞车各类信号及安全回路动作状态。
3、操作台正面面板指示灯：
1）BYD：
控制电源指示灯
2）BJL：
报警蜂鸣器（温度、闸磨等故障报警）
3）JSLD：
减速声光
4）AC1D：
主控PLC安全回路指示灯，带复位按钮
5）AC2D：
后备保护PLC安全回路指示灯，带复位按钮
6）BPRD：
变频电源指示灯
7）BPGD：
变频器故障指示
8）ZXCD：
正向提升信号灯
9）FXCD：
反向提升信号灯
10）ZKD：
转子变频电源空气开关指示灯
11）JC1D：
制动油泵指示灯
12）JC2D：
润滑油泵指示灯
13）WDBJ：
温度报警蜂鸣器
14）ZMD1-4：
闸瓦磨损开关指示灯，共有4个，可分别接入4组闸瓦磨损开关
15）备用：
备用指示灯
4、操作台面板开关：
1）TR：
水平选择
2）FW：
过卷解除开关，同时限制提升方向
3）4AK：
安全阀G4控制开关，可用于人为锁车
4）3AK：
安全阀G3控制开关，可用于人为锁车
5）DSK：
半速开车方式选择开关，允许慢速半速开车
6）K：
方向解除开关允许慢速（0.5米/秒）开车
7）ZA、FA：
按钮
8）8AK：
控制电源开关
9）9AK：
整流/回馈开关,启动/停止装置的开关
10）2QA、2TA：
制动油泵起、停按钮
11）3QA、3TA：
润滑油泵起、停按钮
12）BJJK：
报警解除开关，可以解除闸瓦磨损报警，（断轴保护）
13）JTJ：
急停按钮
5、急停开关和主令手柄：
1）急停开关：
操作台上设有急停开关，急停开关可以关断变频器输入电源。
2）主令手柄：
操作台右手主令手柄可以给出变频器频率指令，结合操作台速度选择开关，可以控制半速和爬行速度运行。
并且在半速和慢速方式运行时，主令手柄也是全行程控制，即推到或拉到最大位置，才能达到半速或者慢速速度。
3）闸手柄：
操作台左手闸手柄可以手动控制可调闸输出，在正常运行状态下，尽可能减少闸手柄的操作，而是由变频调速控制提升速度。
在特殊情况下（重载启动、调绳等操作），也可以半敞闸控制一下启动速度，待变频调速稳定后及时敞开，否则会增加变频器负荷，造成运行速度不稳和电流冲击。
四、控制电源柜元件布置及用途
1、控制电源柜布置图：
2、控制电源柜内主要元件及功能：
1）V2：
转子变频器主回路电源电压表，根据现场设备的不同，分为380V和660V两种。
2）A2：
转子变频器主回路电流表
3）2ZK：
变频电源主回路空气开关
4）1ZK：
控制电源主回路空气开关
5）3K：
制动油泵转换开关，用于转换2台制动油泵
6）4K：
润滑油泵转换开关，用于转换2台润滑油泵
7）其他开关：
见原理图
四、操作方法
1、开车前的准备工作:
1）合上系统高压开关柜进线电电源开关，此时，操作台系统电源电压表指示电源电压，标准电压为6000V。
2）合上变频器电源空气开关2ZK，变频器送电，操作台变频器电源指示灯亮。
3）合上控制电源开关进线电电源开关、闭合空气断路器1ZK，控制电源送电，同时闭合其他空气断路器，操作台控制电源操作开关8AK关合（右打90），操作电源送电，操作台指示灯、仪表显示。
4）操作台整流电源操作开关9AK关合（右打90），变频电源送电，画面整流运行显示。
5）启动制动油泵、润滑油泵，观察润滑油泵油压，达到设定油压后，可以打点开车。
6）根据现场需要，开车前选择快车、慢车开关，DSK0为快车，绞车速度可以达到等速；DSK90位置为慢车位置，速度只能达到等速的半速。
K90位置为慢车位置，速度只能达到0.5M/S
7）正常情况下，过卷开关置于0位，如有过卷情况发生，可以根据过卷情况左、右（45）选择过卷解除，一旦选择了过卷解除开关，绞车不能再同方向送电开车，只能反向开车。
8）闭合3AK、4AK开关，安全阀G3、G4送电。
9）主令、闸手柄置于零位，观察安全回路指示灯，指示灯亮为安全回路正常，可以开车。
2、开车操作要领:
1）开车时，首先推出闸柄，调速柜未运行时，工作闸不会送电。
如果是需要慢速启动时，可以把闸柄推至80%位置，待速度稳定后再全敞闸
2）运行中使用主令手柄控制车速，推（拉）出行程越大，给定速度越高。
不可以施闸控制车速，否则，会造成电机电流振荡、绞车速度振荡。
3）正常提升时，到减速点时自动减速，减速后转入爬行速度约0.4米/秒，直至停车。
3、行程校准
操作台显示的提升行程，是由测速发电机端编码器和滚筒侧绝对值编码器计数值计算得出，如果绞车进行车绳槽或者换绳检修会导致深度显示变化，此时需要人为校准行程。
具体操作办法是：
绞车运行到正向停车位置，将方向解除K和低速开关DSK旋转90度，同时按下ZA、FA按钮效行程零点。
（手动效零点）（观察画面两行程是否正常）绞车运行一个行程，绞车运行正常，可以正常开车。
五、系统的联锁保护
1、安全制动接触器AC线圈回路具有下述联锁保护接点：
1）当主令手柄在零位时，制动手柄在全抱闸位置DZK-1接点闭合，同时安全回路所有接点均在正常情况下才允许AC接触器带电，同时自锁解除安全制动。
随后，安全制动与手柄的位置无关。
2）当测速回路断线或测速发电机故障不发电时，PLC检测不到测速信号或者测速信号过低，测速断线继电器JSJ便断开AC回路紧急制动。
3）超速保护:
当运行速度超过给定信号10%GSJ1动作；当绝对速度超速15%时GSJ2动作，紧急制动。
4）JXK1、JXK2为过卷开关，装于装在深指上,进行过卷保护。
过卷后的恢复是靠过卷解除开关FW，开关的FW1-2、FW3-4分别进行左、右过卷的恢复安全回路。
5）当电源2ZK失电或过流时，司机脚踏事故开关JTK时，2ZK接点断开，进行紧急制动。
6）测速断线保护：
用减速箱快轴侧轴编码器作为测速传感器，即时计算速度，与由测速发电机来的速度相比，构成断线保护。
7）当制动油压过高5.8时，DY1动作，断开AC回路。
8）在安全回路每个保护接点都并一个事故显示灯，以便于维修查找事故点,AC1R按钮为复位按钮。
2、辅助保护
1）闸瓦磨损保护。
ZMK1-8闸瓦磨损传感器，当闸瓦磨损超过一定值时，BJ报警。
2）当润滑油压欠压，DY2动作，使下一次提升过程不能进行，但不阻止本次已开始的提升过程完成。
3）到位、信号闭锁：
到位时，开车方向自动反向闭锁，正向只能开正向，反之亦然；停点绞车不能启动。
六、常见故障以及处理方法：
1、PLC硬件故障：
PLC电控系统出现故障一般以外围设备设备居多，在处理问题时应及时分清是否为PLC硬件故障，PLC软件出现故障的可能性极小，可不予考虑。
1）CPU模块（CPU型号：
6ES7314-6CG03-0AB0）：
CPU模块集成了高速计数器、模拟量输入输出接口、直流24V开关量输入输出接口、PROFIBUS网络通讯接口。
CPU设有红色故障指示灯：
SF灯指示系统硬件、软件故障；BF灯指示通讯故障。
如果发现故障红灯亮，可以对CPU进行复位操作或重新送电，并及时与厂家技术服务人员联系。
2）数字量（开关量）输入接口（模块型号:
6ES7321-1FH00-0AA0）：
直流220V数字量16位输入模块，极少出现故障，每路输入都带有发光二极管指示，可按模块端子盖板指示图，接入直流220V电源，观察发光二极管指示，判定是否为模块损坏，测试电源应取411B、412B隔离稳压电源。
我们不建议采取此项操作，如果发现输入指示灯和所接开关状态不符，应直接检查外围线路以及模块上的接线，在确定有电源输入的前提下，再由此方法测试。
3）数字量（开关量）输出接口（模块型号:
6ES7322-1FH01-0AA0）：
直流220V数字量继电器型8位输出模块，PLC内部输出元件为继电器，长时间使用可能造成模块内部继电器触点粘连或线圈损坏，此时状态指示二极管和该口接点状态不符。
2、变频器故障：
在数字操作器上：
发生故障时数字操作器故障报警显示故障代号（FXXX）。
纪录变频器所显示的故障号，查整流或逆变手册的故障表并做出相应处理。
然后，按下在数字操作器上P键，将故障复位即可。
3、外围开关故障：
1）操作台闸手柄敞闸开关DZK1，在闸柄推出后应闭合，否则工作闸无法送电。
2）减速点开关在不工作时没有闭合，可以造成打点开车后立即减速，减速警铃响。
3）到位开关使用常开接点，如果短路误动作，可以造成减速后立即停车，工作闸抱闸停车；此点还作为高速计数的校正点，则可导致计数错误。
注：
在绞车运行期间，如果发现以上类似故障，可对照说明逐步查找。
如果故障比较复杂，请及时厂家技术服务人员联系，应该说明故障现象、已经采取的措施等等，以便技术服务人员分析处理。
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