變頻技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計

　　平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

　　畢 業(yè) 設(shè) 計 (論文) 任 務(wù) 書

　　姓名 田雨

　　專業(yè) 礦山機電

　　任 務(wù) 下 達 日 期 年 月 日

　　設(shè)計(論文)開始日期 年 月 日

　　設(shè)計(論文)完成日期 年 月 日

　　設(shè)計(論文)題目： 變頻技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

　　A·編制設(shè)計

　　B·設(shè)計專題(畢業(yè)論文)

　　指 導(dǎo) 教 師

　　系(部)主 任

　　年 月 日

　　平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

　　畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯委員會記錄

　　機電系 系 礦山機電 專業(yè)，學(xué)生 田雨 于 2010年 4 月 18 日

　　進行了畢業(yè)設(shè)計(論文)答辯。

　　設(shè)計題目：

　　專題(論文)題目： 變頻技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

　　指導(dǎo)老師：

　　答辯委員會根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計(論文)材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況，經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計(論文)成績?yōu)?。

　　答辯委員會 人，出席 人

　　答辯委員會主任(簽字)：

　　答辯委員會副主任(簽字)：

　　答辯委員會委員： ， ， ，

　　， ， ，

　　平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)評語

　　第 頁

　　共 頁

　　學(xué)生姓名： 田雨 專業(yè) 礦山機電 年級 07級

　　畢業(yè)設(shè)計(論文)題目： 變頻技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

　　評 閱 人：

　　指導(dǎo)教師： (簽字) 年 月 日

　　成 績：

　　系(科)主任： (簽字) 年 月 日

　　畢業(yè)設(shè)計(論文)及答辯評語：

　　目錄

　　一、前沿……………………………………………………………1

　　1.1 變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展………………………………………2

　　1.2我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況……………………………4

　　1.3目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況…………………………………5

　　1.4國外現(xiàn)狀……………………………………………………6

　　1.5國內(nèi)現(xiàn)狀……………………………………………………7

　　1.6未來的發(fā)展方向……………………………………………7

　　1.7變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用………………………………………9

　　二、變頻技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

　　2.1采用變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點..........................11

　　2.2接口電路……………………………………………………12

　　2.3主回路結(jié)構(gòu)…………………………………………………13

　　2.4提升機變頻器主要功能簡述………………………………15

　　2.5系統(tǒng)方案………………………………………………… .16

　　2.6操作與控制…………………………………………………19

　　三、變頻技術(shù)在煤礦通風機中的應(yīng)用

　　3.1礦井通風設(shè)備與風機節(jié)能原理概述……………………. 20

　　3.2風機選用變頻器的要求……………………………………23

　　3.3 變頻器應(yīng)用舉例…………………………………………23

　　四、變頻調(diào)速在空氣壓縮機上的應(yīng)用

　　4.1 煤礦空氣壓縮機系統(tǒng)概述.........................24

　　4.2 空氣壓縮機選用變頻器時的有關(guān)要求………………….27

　　五、變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦帶式輸送機中應(yīng)用……………………27

　　六、變頻技術(shù)在水泵控制中的應(yīng)用………………………………31

　　結(jié)語……………………………………………………………….32

　　參考資料………………………………………………………….33

　　前言

　　近年來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、大功率輸出技術(shù)的迅速發(fā)展，交流調(diào)速取代直流調(diào)速、計算機數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢。點擊交流變頻調(diào)速技術(shù)成為當今節(jié)點和改善環(huán)境、推動技術(shù)進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動性能，高頻率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。煤炭企業(yè)是耗電大戶，其點好成本占其生產(chǎn)成本相當大的比例，其中有很大一部分電能是白白浪費掉的。眾所周知，企業(yè)在最初設(shè)備設(shè)計選型時，都是按最大生產(chǎn)需求量來確定的，而實際應(yīng)用中大多數(shù)中大多數(shù)時候達不到最大聲場能力，設(shè)備不能再最佳工礦區(qū)域內(nèi)運行。特別是水泵、風機等流體類負載，平均運轉(zhuǎn)效率只有20%—50%，如果能將效率提高到95%以上，就可節(jié)約30%—50%的電費。所以說，煤炭企業(yè)的節(jié)電潛力是很大的。利用變頻調(diào)速技術(shù)對煤礦企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備進行改造，完全能達到改善工況、節(jié)省電費、提高效率的目的

　　1.1交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展

　　(1)20世紀50年代末發(fā)明了晶閘管(SCR)因而生產(chǎn)出了靜止可控整流裝置，推動直流調(diào)速控制系統(tǒng)快速發(fā)展起來，成為第一代控制器件。70年代陸續(xù)發(fā)明了功率晶體管(GTR)、門極客關(guān)斷晶閘管(GTO)、功率MOS場效應(yīng)管(POWERMOSFET)、絕緣柵極雙極型晶體管(SIT)、靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)等，成為了第二代控制器件。器件的每一次更新都為調(diào)速技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。電動機的調(diào)速沖直流發(fā)電機—電動機組調(diào)速、靜止晶閘管整流直流調(diào)壓調(diào)速發(fā)展到交流感應(yīng)電動機變頻調(diào)速。與此同時，1971年對于異步電動機的高階、非線性、強耦合多變量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，德國專家F B A schkc提出了《感應(yīng)電機磁場定向的控制原理》，美國專家P C Custman與A A Clank提出了《感應(yīng)電子定子電壓的坐標轉(zhuǎn)換控制》，解決了一步電動機矢量控制的理論問題。自己，交流電機變頻調(diào)速技術(shù)突飛猛進地發(fā)展起來，變頻調(diào)速由變壓變頻控制的變頻發(fā)展到了矢量控制變頻調(diào)速，通過控制交流電動機里相當于并勵直流電動機勵磁繞組的磁通變化，提高變頻器的恒轉(zhuǎn)矩輸出范圍和動靜態(tài)特性，使得交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能超過了直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的性能，實現(xiàn)了高動態(tài)性能的交流變頻調(diào)速。到80年代中期，又出現(xiàn)了功率集成電路PIC、保護、檢測和功率輸出單元集中在一塊芯片上，成為第三代控制器件，它的出現(xiàn)被譽為第二次電子革命的前沿，把交流變頻調(diào)速技術(shù)又推向新的高度，目前，國際上又推出了諧振式逆變器，使開關(guān)元件在零電壓或零電流時導(dǎo)通和關(guān)斷，將開關(guān)損耗較少到最小程度，使開關(guān)頻率達到MHz級，減小了主回路體積，這種電源已達到了100KW。10MHzPWM逆變器的體積只有火柴盒大小，125W共振電源已達到1MHz。新型控制器件的發(fā)展，進一步促進了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用。這項新技術(shù)能提高勞動生產(chǎn)率，減低能耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，已得到人們極大的關(guān)注。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻調(diào)速技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在煤礦、機械、紡織造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等節(jié)能場合，并取得顯著的經(jīng)濟效益。

　　(2)交流變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀

　　交流變頻調(diào)速是微機技術(shù)、電子電力技術(shù)和電機傳動技術(shù)的綜合應(yīng)用。變頻調(diào)速之所以在能源危機中應(yīng)運而生，是因為它能根據(jù)電機負載的變化實現(xiàn)自動、平滑的增速減速，從而大幅度提高工作效率。尤其是用于風機和水泵時，節(jié)電率在40%左右。

　　交流變頻調(diào)速技術(shù)是強弱電混合、機電一體的綜合性技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換(整流、逆變)，又要處理信息的手機、變換和傳輸，因此它的共性技術(shù)分為功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型控制器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決(基于現(xiàn)代化控制理論的控制策略和智能控制策略)硬、軟件開發(fā)問題，在目前狀況下主要是全數(shù)字控制技術(shù)問題。基于電動機和機械模型的控制策略，又矢量控制、磁場控制、直接轉(zhuǎn)矩控制和機械扭振補償?shù)?，基于現(xiàn)代理論的控制策略，又滑模變結(jié)構(gòu)技術(shù)、模型參考自適應(yīng)技術(shù)、采用微分幾何理論的非線性解耦、魯棒觀察器，在某種只是議一下的最優(yōu)控制技術(shù)和逆奈奎斯特陣列設(shè)計方法等，基于智能控制思想的控制策略、有模型控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)和各種各樣的自由化、自診斷技術(shù)等。

　　交流變頻調(diào)速的基本原理是通過整流橋?qū)⒐ゎl交流電壓，再由逆變器轉(zhuǎn)換為頻率、電壓可調(diào)的交流電壓作為交流電壓作為交流電機的驅(qū)動電源，使電動機獲得無級調(diào)速所需額的電壓和電流，使一種無附加轉(zhuǎn)差損耗的高效調(diào)速方式之一。目前，變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于低壓電動機的調(diào)速傳動中，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和制造工藝的提高，高電壓大電流變頻調(diào)速器生產(chǎn)技術(shù)也逐漸趨于成熟。

　　1.2我國變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況

　　電氣傳動控制系統(tǒng)通常由電動機、控制裝置和信息裝置3部分組成。電氣傳動關(guān)系到合理地使用電動機以節(jié)約電能和控制機械的運轉(zhuǎn)狀態(tài)(位置、速度、加速度等)，實現(xiàn)電能-機械能的轉(zhuǎn)換，達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗的目的。電氣傳動分成不調(diào)速和調(diào)速兩大類，調(diào)速又分交流調(diào)速和直流調(diào)速兩種方式。不調(diào)速電動機直接由電網(wǎng)供電，但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展這類原本不調(diào)速的機械越來越多地改用調(diào)速傳動以節(jié)約電能(節(jié)約15%～20%或更多)，改善產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)量。在我國60%的發(fā)電量是通過電動機消耗的，因此調(diào)速春傳動是一個重要行業(yè)，一直得到國家重視，目前已有一定規(guī)模。

　　近年來交流調(diào)速中最活躍、發(fā)展最快的就是變頻調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速是交流調(diào)速的基礎(chǔ)和主干內(nèi)容。上個世紀變壓器的出現(xiàn)使改變電壓變得很容易，從而造就了一個龐大的電力行業(yè)。長期以來，交流電的頻率一直是固定的，變頻調(diào)速技術(shù)的出現(xiàn)使頻率變?yōu)榭梢猿浞掷玫馁Y源。

　　我國電氣傳動產(chǎn)業(yè)始建于1954年當時第一批該專業(yè)范圍內(nèi)的學(xué)生從各大專院校畢業(yè)，同時在機械工業(yè)部屬下建立了我國第一個電氣傳動成套公司，這就是后來天津電氣傳動設(shè)計研究所的前身。我國電氣傳動與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展簡使見表1?，F(xiàn)在我國已有200家左右的公司、工廠和研究所從事變頻調(diào)速技術(shù)的工作。

　　我國是一個發(fā)展中國家，許多產(chǎn)品的科研開發(fā)能力仍落后于發(fā)達國家。至今自行開發(fā)生產(chǎn)的變頻調(diào)速產(chǎn)品大體只相當于國際上80年代水平。隨著改革開放，經(jīng)濟高速發(fā)展，形成了一個巨大的市場，它既對國內(nèi)企業(yè)，也對外國公司敞開。很多最先進的產(chǎn)品從發(fā)達國家進口，在我國運行良好，滿足了我國生產(chǎn)和生活需要。國內(nèi)許多合資公司生產(chǎn)當今國際上先進的產(chǎn)品，國內(nèi)的成套部分在自行設(shè)計制造的成套裝置中采用外國進口公司和合資企業(yè)的先進設(shè)備，自己開發(fā)應(yīng)用軟件，能為國內(nèi)外重大工程項目提供一流的電氣傳動控制系統(tǒng)。雖然取得很大成績，但應(yīng)看到由于國內(nèi)自行開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)品的能力弱，對國外公司的依賴性嚴重。

　　1.3目前國內(nèi)主要的產(chǎn)品狀況

　　(1)晶閘管交流器和開關(guān)斷器件(DJT、IGBT、VDMOS)斬波器供電的直流調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，隨著交流調(diào)速的發(fā)展，該時常雖在縮減，但由于我國舊設(shè)備改造任務(wù)多，以及它在幾百至一千多kW范圍內(nèi)價格比交流調(diào)速低得多，所以在短期內(nèi)市場不會縮減很多。國產(chǎn)設(shè)備能滿足需要，部分出口。自行開發(fā)的控制器多為模擬控制，近年來主要采用進口數(shù)字控制器配國產(chǎn)功率裝置。

　　(2)IGBT或BJTPWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類設(shè)備的市場很大，總?cè)萘空嫉谋壤淮?，但臺數(shù)多，增長快，應(yīng)用范圍從單機擴展到全生產(chǎn)線，從簡單的V/f控制到高性能的矢量控制。約有50家工廠和公司生產(chǎn)，其中合資企業(yè)占很大比重。

　　(3)負載換流式電流型晶閘管逆變器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在抽水蓄水能電站的機組起動，大容量風機、泵、壓縮機和軋機傳動方面有很大需求。國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率裝置國內(nèi)配套，自行開發(fā)的控制裝置只有模擬式的，數(shù)字裝置需進口，自己開發(fā)應(yīng)用軟件。

　　(4)交-交變頻器供電的交流變頻調(diào)速設(shè)備。這類產(chǎn)品在軋機和礦井卷揚傳動方面有很大需求，臺數(shù)不多，功率大。主要靠進口，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造。目前最大容量做到7000～8000kW。功率部分國產(chǎn)，數(shù)字控制裝置進口，包括開發(fā)應(yīng)用軟件。

　　變頻調(diào)速技術(shù)在國民經(jīng)濟和日常生活中的重要地位是由以下因素決定的。