带式输送机的电气传动系统设计毕业设计文档格式.docx
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Keyword:
beltconveyorelectricdrivesystemPLCcontrolFrequencyconverterMotor
目录
摘要I
AbstractII
1绪论1
1.1本设计的研究背景及意义1
1.2论文的主要研究内容1
1.3国内外研究现状2
2带式传输机的概述3
2.1带式传输机的定义3
2.2带式输送机的分类3
2.3带式输送机的结构3
2.4带式输送机的现状与发展趋势5
3变频器的简介6
3.1变频器的定义6
3.2变频器的分类6
3.3变频器的基本原理6
3.4变频器的选型原则和注意事项7
3.5通用变频器调速系统电动机容量的选择8
3.6变频调速的基本原理9
4传动系统的选择与计算12
4.1PLC选型12
4.2电机选型13
4.3变频器的选型15
4.4传感器的选型18
5系统电路图21
5.1皮带输送机控制系统框图21
5.2电气原理图21
5.3变频器端子接线图22
结论24
致谢25
参考文献26
1绪论
1.1本设计的研究背景及意义
带式输送机自1795年被发明以来，经过两个世纪的发展，已被电力、冶金、煤炭、化工、矿山、港口等各行各业广泛采用。
特别是第二次工业革命带来了新材料、新技术的采用，使带式输送机的发展步入了一个新纪元。
当今无论从输送量、运距、经济效益等各方面来衡量，它已经可以同火车、汽车运输相抗衡，成为三足鼎立局面，并成为各国争先发展的行业。
带式输送机因其具有结构紧凑、传动效率高、噪声低、使用寿命长、运转稳定、工作可靠性和密封性好、占据空间小等特点，并能适应在各种恶劣工作环境下工作，包括潮湿、泥泞、粉尘多等，所以它已经是国民经济中不可或缺的关键设备。
加之国际互联网络化的实现，又大大缩短了带式输送机的设计、开发、制造、销售的周期使它更加具有竞争力。
带式输送机是煤矿最理想的高效连续运输设备，与其他运输设备相比，不仅具有长距离、大运量、连续输送等优点，而且运行可靠,易于实现自动化、集中化控制,特别是对高产高效矿井，带式输送机已成为煤炭高效开采机电一体化技术与装备的关键设备。
特别是近10年，长距离、大运量、高速度的带式输送机的出现，使其在矿山建设的井下巷道、矿井地表运输系统及露天采矿场、选矿厂中的应用又得到进一步推广。
随着自动化技术的不断发展，带式输送机将向现代化、智能化、安全化、方便可靠化的方向发展，交流拖动控制系统和变频调速控制在输送机械中必将得到更为广泛的应用，因此对输送机机控制系统进行研究具有重要的现实意义。
1.2论文的主要研究内容
本文在介绍了带式输送机的基本结构的基础上还深入分析了带式输送机的工作原理，阐述了变频器的特点及优点，其中重点研究了输送机传动系统的设计方案,通过给定参数及要求，经过计算，对电动机、变频器、传感器进行选型，最后对本论文的研究进行了总结。
1.3国内外研究现状
八十年代末期以来,我国的矿用带式输送机也有了很大的发展,对其关键技术研究和新产品开发都取得了可喜的成果。
输送机产品系列不断增多，从定型的SDJ、SSJ、STJ、DT等系列发展到多功能、适应特种用途的各种带式输送机系列，如国家“七五”攻关
项目大倾角带式输送机成套设备、“九五”攻关项目-高产高效工作面顺槽可伸缩带式输送机等都填补了国内空白，开发了大倾角、长距离输送原煤的新型带式输送机系列产品并对带式输送机的关键技术及其主要元部件进行了理论研究和产品开发，应用动态分析技术和中间驱动与智能化控制等技术，研制成功了多种软起动和制动装置及以PLC为核心的可编程电控装置。
但与国外相比，其机型一般都偏小，特别是带速通常均不超过4m/s，对高带速输送机及其动态设计与计算机监控等关键技术问题缺乏实践经验。
由于带速普遍较低，许多设计单位仍延用以往的静态设计法，用加大输送带安全系数的方法来提高设计的可靠性，其结果不仅增大了设备成本，而且降低了设备运行的可靠性。
此外，我国输送机制造企业追求小而全模式，未能像国外一样形成大规模的元部件专业生产厂或加工中心，致使元部件设计与制造水平得不到有效提高。
建立带式输送机的输送带在起动和停机过程中的动力学方程,求解输送带上不同点随时间推移所发生所的变化找出变化剧烈的张力波可能造成的破坏，这就是带式输送机的动态分析。
动态分析技术是一门综合性学科，不仅要对整机运行全过程的动态特性进行分析更重要的是对其涉及到的基础理论，运用现代先进技术进行系统研究，是当今世界的高新技术。
2带式传输机的概述
2.1带式传输机的定义
带式输送机又叫做胶带输送机，它是一种以摩擦力作为驱动力，并以连续方式运送物料的机械设备。
2.2带式输送机的分类
TDII型固定式带式输送机
QD80轻型固定式带式输送机
普通型DX型钢绳芯带式输送机
U型带式输送机
带式输送机管形带式输送机
气垫带式输送机
特种结构性波状挡边带式输送机
钢绳牵引带式输送机
压带式带式输送机
其他类型
2.3带式输送机的结构
带式输送机的基本组成：
1 输送带
2 托辊
3 滚筒及驱动装置
4 制动器
5 张紧装置
6 装载及卸载
7 清扫器
图2.1带式输送机整机结构图
输送带：
经常使用的有橡胶带及塑料带。
橡胶带一般在环境温度为-15～40摄氏度之间工作。
并且物料的温度不能超过50摄氏度，如果超过50摄氏度以上的话，订货的时候需要向厂家告知，换用耐高温材料的输送带。
输送散粒状物料的倾角在12度～24度之间。
需要大倾斜角输送物料时则可采用裙边带。
塑料带耐油、耐酸、耐碱等方面的优点，但是对气候的适应性方面较差，并且容易打滑及易老化。
带宽是带式输送机的主要技术参数。
托辊：
主要包含缓冲托辊、槽形托辊和调心托辊等。
缓冲托辊安装在受料部位，用来减小物料对输送带的冲击力；
槽形托辊的作用是支承承载分支，用来运输散粒物料；
调心托辊是用来调整输送带横向位置的，防止输送带跑偏；
滚筒：
一般分为驱动滚筒及改向滚筒两种。
驱动滚筒主要是用来为输送机传递动力的。
分为单滚筒、双滚筒及多滚筒等。
改向滚筒主要用来改变输送带输送方向的。
张紧装置：
作用主要为了使输送带达到所需的张力，避免在驱动滚筒上面打滑，并保证输送带在托辊间挠度在规定范围之内。
主要包括车式拉紧装置、重锤张紧装置及螺旋张紧装置。
驱动装置：
主要包含电动机、减速器、联轴器或者液力耦合器、逆止器或者制动器等。
2.4带式输送机的现状与发展趋势
我国生产的带式输送机的品种、数量及类型比较多。
在“八五”这段期间内,自国家“日产万吨综采设备”项目的开展和实施,我国带式输送机的技术水平相比之前有了较大的提升,煤矿、井下等使用的大功率、长距离类型的带式输送机关键技术的研究以及新产品开发方面都取得了相当大的进展。
例如长距离、大功率的输送机成套设备、工作面顺槽可伸缩的高效高产带式输送机等都填补了国内输送机领域的空白,并且针对带式输送机的关键性技术及主要元部件进行了理论方面的研究以及产品的开发,研制出了很多种软起动和制动的装置以及以PLC控制为核心的具有可编程功能的电控装置,驱动系统则采用了调速型的液力偶合器以及行星齿轮的减速器。
为了满足高效高产集约化的生产需求,要加提高带式输送机的输送能力。
带式输送机今后发展的必然趋势是：
长距离、高带速、大运量、大功率。
除了需要进一步提高和完善现有元部件的可靠性和性能,还需要继续研究开发新的技术及元部件,例如高性能的可控软起动技术、动态监控和分析技术、高速托辊、高效贮带装置、快速自移机尾等等,使得输送机的性能及可靠性方面均得到提高；
此外还需要不断扩大输送机功能需求,例如使一机具有多用化，使运料、运人或者双向运输等功能得到拓展,做到一机多用,使其充分发挥最大的经济效益。
另外还需要不断开发特殊型带式输送机,如弯曲带式输送机、大倾角或垂直提升类型的输送机等等。
3变频器的简介
3.1变频器的定义
变频器是结合微电子及变频技术，通过变化电动机工作时的电源频率的方式来控制交流电动机的电力设备。
3.2变频器的分类
变频器的分类方法可以有很多种，有按照技术特点来分的，有按照电压等级来分的，也有按照应用场合来分的。
●按照供电方式分类
按照供电方式可分为交流变频器和直流变频器两种。
交流变频器按照交换的环节又可分为AC-DC-AC，AC-AC。
●按电源性质分类
按电源的性质分为电流型和电压型变频器。
电流型变频器是在中间的环节采用了大电感作为储能元件，用来缓冲无功功率，从而扼制电流变化，使得电压的波形更接近正弦波，因为该直流的内阻很大，所以称为电流型变频器。
电流型变频器的主要特点就是扼制负载的电流频繁且急剧的变化。
故此种变频器常用于负载电流变化很大的场合。
电压型变频器的主要特点则是中间环节采用大电容来作为储能元件，靠它来缓冲负载产生的无功功率，由于其直流电压相对平稳，直流电源的内阻比较小，和电压源相似，所以称为电压型变频器，它常常被用在负载电压变化很大的场合。
●按工作原理分类
按照其工作原理来分类可以分为转差频率控制变频器、V/f控制变频器以及矢量控制变频器等
●按照开关方式分类
按照其开关方式分类可分为PWM控制变频器、PAM控制变频器、高载频PWM控制变频器
●按照用途分类
按照用途分类可分为通用变频器、高频变频器、高性能专用变频器、单相变频器以及三相变频器
3.3变频器的基本原理
目前来讲，经常使用的变频器主要是采用了交-直-交的工作方式，首先将交流电源经过整流器变换成直流电源，然后将直流电源再变换成电压、频率都可以调控的交流电源来供给电动机。
变频器电路主要由主电路及控制电路构成的。
●主电路
主电路就是负责将调压调频电源提供给异步电动机的电力转换部分。
变频器的主电路主要可以分成两大类：
一类是电压型，就是将电压源的直流电变换为交流电的变频器，其直流回路是靠电容来滤波；
另一类则是电流型，就是将电流源的直流电变换为交流电的变频器，其直流回路是靠电感来滤波。
主电路由整流电路、中间直流电路、逆变电路三部分组成
●控制电路
控制电路是给异步电动机供电的主电路供应控制信号的回路。
主要由中央处理器、数字信号处理器、I/O接口电路、A/D和D/A转换电路、输出信号检测电路、通讯接口电路以及控制电源等组成
3.4变频器的选型原则和注意事项
首先需要依据机械对于转矩和转速的需求,确定出机械要求的最大的输入功率（即电机额定功率的最小值）。
可根据公式P=nT/9950（kW）其中:
P代表机械需求的输入功率（kW）;
n代表机械的转速（r/min）;
T代表机械的最大转矩（N·
m）。
然后,选择电机的极数和额定功率。
同步转速取决于电机的极对数,规定电动机的同步转速应该尽可能的覆盖整个调速范围,使连续负载的容量尽可能得高一些。
最后,依据变频器的额定电流和输出功率略大于电动机的额定电流和功率的原则来确定变频器的型号和参数。
原则如下:
1）根据负载特性选择变频器。
应依据该负载是属于恒功率负载、恒转矩负载或者平方转距负载来选择不同型号的或者专用变频器。
2）选变频器的时候应该用实际的电动机的电流值来作为变频器选择的依据,电动机额定功率用来作为参考值。
此外,应该充分考虑到变频器的输出中包含丰富的高次谐波,它会使电动机功率因数及效率下降。
所以,采用变频器来给电动机供电和采用工频电网来供电对比,电机电流会增加10%左右,而升温能增加20%左右。
因此在选择电动机及变频器的时候,应该适当地留有一定的余量,来防止升温过高。
3）变频器如果需要长电缆运行的时候,应采取措施来抑制长电缆对地的耦合电容的影响,来避免变频器出力不够的情况。
因此变频器应该放大一档或者两档来选择，亦或者在变频器输出端位置安装输出电抗器来解决。
4）对一些特殊应用的场合来说,例如高海拔高度、高开关频率、高环境温度等等,这些场合会引起变频器降容,则变频器需要放大一档来选择。
5）利用变频器来控制高速电动机的时候,因为高速电动机电抗比较小,因此会产生许多高次谐波。
然而变频器的输出电流值会因为这些高次谐波而增加。
所以,选择应用于高速电机的变频器的时候,应该要比普通电机的变频器稍微大一点。
6）启动防爆电机的时候,如果变频器没有防爆的构造,应该将变频器设置在危险场所以外的地方。
7）用变频器来驱动绕线转子异步电机的时候,绕线电机与普通的鼠笼电机相比较时,由于绕线电机绕组的阻抗相对较小,比较易发生因为纹波电流而引起的过电流跳闸的现象,所以应该选择比往常容量稍大一点的变频器。
8）针对振动机和压缩机等转矩波动比较大的负载以及油压泵等具有峰值负载的情况下,若根据电机的额定电流或者功率值来选变频器容量的话,可能会发生因为峰值电流使过电流保护动作的现象。
所以,应该掌握工频运行的状况,挑选比其最大的电流更大的额定输出电流的变频器。
9）单相电动机不适用变频器驱动
3.5通用变频器调速系统电动机容量的选择
在通用变频器组成的变频调速控制系统的时候，有的时候需要原有的电机，有的时候还需要增加新的电机，但是不管针对的是哪一种情况，不仅要核算必要的电动机的容量，还需要根据电动机的运行环境，选择相应的电动机防护等级。
与此同时，因为变频器驱动电机运转，所以要按照通用变频器驱动的条件来选择，否则很难达到预期想要的目的，还有可能造成没必要的损失。
适用于通用变频器来驱动的电机大致上可以分为普通异步电机、特殊电机、专用电机等类型
1）选择的电动机容量应该大于负载需要的功率，应该将正常运行速度时所需要的最大输出功率作为依据，当运行的环境很差时最好留有一定的余量
2）应该使得选择的电机的最大转矩和负载所需要的启动转矩比较留有一定的裕量
3）所选的电机在整个运转范围之内，应该有充足的输出转矩，如果需要拆除原来的减速箱时，应该按原来减速比考虑增大电机容量，或者另外选取电机的型式
4）应该考虑到电机低速运行时的温升能够在允许的温升范围之内，并且需要保证电机寿命的周期
5）针对被拖动机械负载的性质，确定合适的电动机的运行方式
考虑到以上条件，实际电机的容量可以依据电机的容量等于被驱动的负载所需要的容量与将负载加速或减速到所需要速度的容量之和的原则来确定
3.6变频调速的基本原理
根据三相异步电动机的相关知识，异步电动机的转速n表示为：
（3.1）其中：
—异步电机的转速，单位为r/min；
—电机的转差率；
—电机定子的电源频率，单位为Hz；
—异步电机的极对数。
三相感应电动机的调速方法可分为两大类：
一类是通过改变同步转速
从而改变转速
，具体方法有变极调速（改变极对数
）和变频调速（改变频率
）；
另一类是通过改变转差率
来实现调速，这就需要让电动机从固有特性上运行改为人为特性上运行，具体方法有变压调速（改变电源电压
），转子回路串电阻调速（改变电阻
），转差离合器，串级调速等。
由上式可知，如果改变输入电机的电源频率
，则可相应改变电机的输出转速[7]。
电动机调速是一个很重要的过程，它的关键因素在于，要保持每极磁通量
为额定值不变。
若磁通过大，会达到饱和状态，严重时会因为励磁电流过大而使绕组过热从而损坏电机；
但是磁通太弱的话，又说明没有充分合理的利用电机的磁心，这会造成一种资源浪费。
对于直流电机来说，只要对电枢反应给予适当补偿，就很容易做到
保持不变，因为该励磁系统是独立的。
而交流异步电机的磁通是由转子和定子共同产生的。
三相异步电动机每相电动势的有效值
（3.2）
其中：
—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；
—定子频率，单位为Hz；
—定子每相绕组串联匝数；
—定子基波绕组系数；
—每极气隙磁通量，单位为Wb；
由式（3-6）可知，只要控制好感应电动势
和定子频率
，就可以控制磁通中气隙磁通量
不变，需要考虑基频（额定频率）以上和基频以下两种情况：
1）基频以下调速
当电源频率
在基频以下调速时，电动机转速下降，且始终要保持
常数，因此在调节电源频率的同时，还要调节电动机的定子电压
，否则电动机无法正常工作。
原因是三相感应电动机定子绕组相电压
，当电源频率
下降时，若还保持电源电压
为额定值不变，则气隙每极磁通
必须增加，在电动机设计时，磁路本来刚进入饱和状态，
的增加使磁路饱和，电动机空载电流急剧增加，使电动机负载能力变小，从而导致电机无法正常工作,这是不允许的。
因此,降低电源频率的同时,必须降低电源电压，并使
常数。
由于气隙磁通
恒定不变，电动机基频以下的调速可视为恒磁通调速，在调速过程中电磁转矩
保持不变，由此可见，从基频向下变频调速属于恒转矩调速。
2）基频以上调速
在基频以上调节时，受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子相电压是不允许在额定相电压以上调节的，所以当
上调时，只能保持定子相电压为额定值
不变。
于是，当
越高时相反地
将越低，但
上升，由此可见，从基频向上变频调速属于恒功率调速。
异步电动机的变频调速控制特性，如图所示，就是把基频以下和基频以上两种情况结合起来得到的结果。
在基频以下，由于磁通恒定，允许输出转矩也恒定，属于“恒转矩调速”方式；
而在基频以上，转速升高时磁通减小，允许输出转矩也随之降低，输出功率基本不变，基本上属于“恒功率调速”方式。
图3.1异步电动机变频调速控制特性
4传动系统的选择与计算
图4.1带式输送机实物图
4.1PLC选型
采用西门子公司的S7系列可编程控制器作为本系统的电气控制单元，这一系列的PLC主要采用模块化方式设计，依据需要来选择对应的模块来实现系统相应的功能。
PLC系统硬件如下：
CPU315-2DP的特点如下所列举：
（1）具备中、大规模程序存储容量及数据结构，若有需求，可以供给SIMATIC功能工具以使用。
（2）对二进制和浮点数运算具有较高的处理能力。
（3）具有PROFIBUSDP主站/从站的接口。
（4）可以应用于大规模I/O配置。
（5）可用于分布式I/O结构
电源模块为PS307电源模块（10A）（6ES7307-1KA00-0AA0）,此电源模块具备以下特点：
（1）输出的电流为10安。
（2）输出的电压为24V；
（3）连接单相的交流系统（输入电压120/230VAC，50/60Hz）。
（4）可用作负载电源。
数字量的输入模块：
sm321；
DI32*24VDC，（6ES7321-1BL00-0AA0）该数字量的输入模块具有以下的特征：
（1）32个输入点，带隔离，16点为一组。
（2）额定输入电压24VDC。
（3）对开关和2/3/4线接近开关比较适用
数字量输出模块：
SM322；
DO32*24VDC/0.5A，（6ES7322-1BL00-0AA0），该数字量输出模块具有以下特性：
（1）32个输出点，带隔离。
8点为一组。
（2）0.5A输出电流。
（3）24VDC额定负载电压。
（4）使用于电磁阀、直流接触器和指示灯。
模拟量的输入模块：
SM331，AI8*16位；
（6ES7331-7NF00-0AB0），此模拟量输入模块包含如下的特性：
（1）4通道中8输入。
（2）测量值的精度为15位。
（3）每个通道可选的测量方法；
电压，电流。
（4）可编程诊断。
（5）可编程诊断中断。
（6）带有极限监控功能的两个通道。
（7）可编程极限中断。
（8）与背板总线接口的光电隔离。
（9）各个通道之间所允许的共模电压不超过50VDC
4.2电机选型
皮带输送机主要参数如表4.1：
表4.1皮带输送机主要
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