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1、太原科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE ＆ TECHNOLOGY 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生 姓 名 趙廷港 學(xué) 號 200815010230 班 級 電氣081502 所屬院（系) 電子信息工程學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師 雙志宏 2012年6月1日 - 32 - 目錄 摘要 III 關(guān)鍵詞 III Abstract IV Keywords IV 第1章 緒論 — 1 — 1。1國內(nèi)

2、外礦井提升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 — 1 — 1.1.1國內(nèi)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 — 1 - 1。1。2國外提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 — 2 — 1。2課題研究的目的和意義 - 3 — 1。3本論文承擔(dān)的任務(wù) — 4 — 1.4小結(jié) - 5 — 第2章 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析 — 6 - 2.1引言 — 6 - 2。2提升機(jī)工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu) — 6 - 2。3提升機(jī)調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析 — 7 — 2.3.1提升機(jī)直流調(diào)速性能分析 - 7 — 2。3.2提升機(jī)交流調(diào)速性能分析 — 8 - 2.4提升機(jī)調(diào)速控制方案分析 — 9 — 2。4.1傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)

3、速系統(tǒng) — 10 - 2.4.2模糊控制調(diào)速系統(tǒng) - 10 — 2.4。3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) — 11 — 2。4.4矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng) — 12 — 2。5小結(jié) — 14 - 第3章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) — 15 - 3。1引言 - 15 - 3。2提升機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) — 15 — 3.3提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇 - 17 - 3。4變頻控制部分設(shè)計 — 17 - 3.4.1變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計 — 17 - 3。4.2變頻器外部電路設(shè)計 — 20 - 3。5 PLC控制部分設(shè)計 - 24 - 3.5。1基本控制功能 — 24 - 3。5.2位置檢測電路

4、 — 28 — 3。6硬件調(diào)速控制系統(tǒng)保護(hù)措施 - 29 — 3。6。1熱繼電器過載保護(hù) - 30 — 3。6。2調(diào)速控制系統(tǒng)抗干擾處理 - 31 — 3。7小結(jié) — 33 - 第4章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) - 34 - 4。1引言 - 34 - 4.2礦井提升機(jī)中S型速度曲線建模及實(shí)現(xiàn) - 34 — 4。2。1速度曲線的選擇及給定方法 — 34 — 4。2。2提升機(jī)理想S形速度曲線數(shù)學(xué)模型 - 35 — 4.2.3理想速度曲線的實(shí)現(xiàn) - 39 - 4.3調(diào)速控制系統(tǒng)軟件流程 — 42 — 4.4小結(jié) - 44 - 第5章 全文總結(jié) — 45 - 5。1提升機(jī)

5、電控系統(tǒng)主電路部分 - 45 — 5。2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計部分 - 45 - 5.3提升機(jī)速度控制理論分析及抗干擾保護(hù) — 46 - 參考文獻(xiàn) - 47 — 致謝 — 48 — 基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 摘要 傳礦井提升機(jī)是煤礦安全生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是提升煤炭、矸石,升降人員和下放物料等，在整個煤礦生產(chǎn)中占有十分重要的地位。礦井提升機(jī)安全、可靠、高效、準(zhǔn)確地運(yùn)行集中體現(xiàn)在其電氣控制系統(tǒng)上，電控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響全礦的安全生產(chǎn)及礦工生命的安全。 傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)主要采用繼電器—接觸器進(jìn)行控制，這類提升機(jī)通常在電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進(jìn)行啟動和調(diào)

6、速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、操作復(fù)雜、故障率高、電能浪費(fèi)大、效率低等缺點(diǎn)。因此，對礦井提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究已經(jīng)成為國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)專家學(xué)者的一個研究課題。 隨著計算機(jī)和PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，采用先進(jìn)的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，從而使礦井提升機(jī)的控制性能得到極大的改善,其自動化水平、安全性、可靠性都達(dá)到了新的高度?，F(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障了提升機(jī)的安全運(yùn)行。 變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的自動控制技術(shù),它利用改變被控對象的電源頻率，成功實(shí)現(xiàn)了交流電動機(jī)大范圍的無級平滑調(diào)速。在運(yùn)行過程中能隨時根據(jù)電動機(jī)的負(fù)載情況,使電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài),在整個調(diào)速范圍內(nèi)均有很高的效

7、率，節(jié)能效果明顯.采用變頻器對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效益顯著，所以得到廣泛應(yīng)用.因此，應(yīng)用變頻器對礦井提升機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，將成為歷史的必然趨勢. 本文針對提升機(jī)控制系統(tǒng)中存在的上述問題,把PLC可編程序控制器和變頻器應(yīng)用于提升機(jī)控制系統(tǒng)上，并在可行性方面進(jìn)行了較深入的研究.事實(shí)表明：采用該控制系統(tǒng)，使提升機(jī)工作更可靠，更方便,節(jié)能效果更明顯. 關(guān)鍵詞:礦用提升機(jī)；變頻調(diào)速；PLC可編程控制器 The Frequency Conversion Use on The Speed Adjustment of mine Hoist on The Basis

8、of PLC Control Abstract The shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment。The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors

9、 winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvanges such as bad reliability，complicated operation,high fault rate，large energy –wasting and low efficiency. According to this kind of condition, we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the

10、safety， reliability， control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system。 So，carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars，both at home and abroad. To these q

11、uestions existing in the shaft hoist contro1 system，the paper applied PLC（Programmable Logic Controller）and frequency converter to the system,and carried on deeper research in feasibility. The fact indicates，adopting control system，the shaft hoist works reliably,easy to use，energy-saving well,and ha

12、ve dynamical shown function。 Keywords：mine hoist；Frequency conversion；PLC 第1章 緒論 1。1國內(nèi)外礦井提升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 礦井提升機(jī)對安全性、可靠性和調(diào)速性能的三個方面有較高的要求，這使得提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術(shù)水平，因此成熟的技術(shù)紛紛被應(yīng)用于提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)。下面就國內(nèi)外礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)情況作大概介紹. 1.1。1國內(nèi)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機(jī)起著非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。提升機(jī)電控裝置的技術(shù)性能，既直接影響礦山生

13、產(chǎn)的效率及安全，又代表著礦井提升機(jī)發(fā)展的整體水平.目前,礦井提升我國機(jī)90％以上是采用單機(jī)容量在1000KW以下傳統(tǒng)的交流異步電機(jī)拖動，采用轉(zhuǎn)子串、切電阻調(diào)速,由繼電器-接觸器構(gòu)成邏輯控制裝置。其中多半為電動機(jī)—發(fā)電機(jī)組(F-D機(jī)組)供電，采用晶閘管整流傳動（SCR—D)的只占一部分。 傳統(tǒng)交流拖動系統(tǒng)的顯著缺點(diǎn)是：調(diào)速性能差，調(diào)速時能量要大量消耗在電阻上，給定方式落后，控制精度低,安全保護(hù)和監(jiān)測環(huán)節(jié)不完善，安全可靠性差,維護(hù)工作量大，而且運(yùn)行不經(jīng)濟(jì). 由于異步電動機(jī)在低速運(yùn)行時特性曲線軟,在次同步狀態(tài)下無法產(chǎn)生有效的制動力矩，因而難于準(zhǔn)確地控制提升機(jī)的停車位置.目前多采取動力制動或低頻拖

14、動加制動的方式來完成減速、爬行和停車.目前在用的動力制動及低頻電源大多數(shù)為采用模擬技術(shù)控制的晶閘管裝置，仍存在調(diào)試?yán)щy、維護(hù)量大的問題。 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差的另一原因是安全保護(hù)、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。1986年以來，針對制約提升安全的主要環(huán)節(jié)，陸續(xù)增設(shè)了深度指示器、自動減速、限速等安全監(jiān)測及后備保護(hù)功能，初步實(shí)現(xiàn)了對提升容器的定點(diǎn)位置監(jiān)測及幾項重要安全保護(hù)的雙線制，使提升安全狀況有所改善。 在實(shí)施提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)技術(shù)改造時，即要有超前一步的意識緊盯國際先進(jìn)水平,也要考慮我國國情，依靠自己的力量，加強(qiáng)與先進(jìn)國家的合作,采取

15、引進(jìn)、消化吸收、合作生產(chǎn)、聯(lián)合改造等多種形式，實(shí)現(xiàn)符合中國國情的煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)代化。 1.1.2國外提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 國外從70年代開始，隨著微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)控制技術(shù)己逐步應(yīng)用于礦井提升機(jī)中。目前,國外己達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，使整個拖動控制產(chǎn)生一次變革。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面: (1）提升工藝過程微機(jī)控制 在交流變頻裝置中,提升工藝過程大都采用微機(jī)控制。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn),并具有診斷功能,這是采用模擬控制無法實(shí)現(xiàn)的. （2）提升行程控制 提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說是一個位置控制,要保證提升容器在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車,要求準(zhǔn)確度高,目前

16、的控制誤差小于2cm。采用微機(jī)控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、滾筒及鋼絲繩磨損等。將信號進(jìn)行處理，可計算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。在箕斗提升時可實(shí)現(xiàn)無爬行提升,大大提高了提升能力。如SIEMENS,ABB，AEG等公司己采用32位微機(jī)來構(gòu)成行程給定器。除此之外還提供性能不盡相同的機(jī)械行程控制器.一般過程控制用微機(jī)作監(jiān)視，行程控制也采用單獨(dú)微機(jī)完成，從而提高了系統(tǒng)的可靠性. （3）提升過程監(jiān)視 由于近代提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計特別強(qiáng)調(diào)安全可靠性，所以提升過程監(jiān)視與安全回路一樣,是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：a、提升過程中各工

17、況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視;b、各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；c、各傳感器（如井筒同步校正開關(guān)、停車開關(guān)）信號的監(jiān)視.使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生,并對各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲、保留或打印輸出.甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng),應(yīng)用于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。 (4)安全回路 安全回路是指提升機(jī)在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)，此環(huán)節(jié)極為重要。為確保人員和設(shè)備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法。安全回路是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)在大多公司都采用兩臺PLC構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無論是提升機(jī)還是安全回路本身出現(xiàn)故障時都能準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動。 (5）全數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)速

18、控制 德國AEG公司的Logidyn D(32位機(jī))、西門子公司的Siemadyn D(16位機(jī))以及ABB公司的DCR（16位機(jī))系統(tǒng)都己應(yīng)用于提升機(jī)上。全數(shù)字化系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)單一、參數(shù)穩(wěn)定且調(diào)整方便、可方便地與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然此類系統(tǒng)要求維護(hù)人員有更高的技術(shù)水平和計算機(jī)知識。 1.2課題研究的目的和意義 礦井提升機(jī)是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠、有效高速運(yùn)行,直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性質(zhì)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜的特點(diǎn)，且工作狀況經(jīng)常交替轉(zhuǎn)換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護(hù)措施，但是由于現(xiàn)場使

19、用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機(jī)械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現(xiàn)有保護(hù)未能達(dá)到預(yù)期的效果，致使提升系統(tǒng)的事故至今仍未能消除.一旦提升機(jī)的行程失去控制，沒有按照給定速度曲線運(yùn)行，就會發(fā)生提升機(jī)超速、過卷事故，造成楔形罐道、箕斗的損壞,影響礦井正常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡，給煤礦生產(chǎn)帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。 電氣控制方式在很大程度上決定了提升機(jī)能否實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、安全、可靠地起制動運(yùn)行，避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損和較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長了提升機(jī)械的使用壽命。隨著對礦井提升系統(tǒng)自動化要求越來越高，改善系統(tǒng)性能、提高提升設(shè)備的提升能力顯的至關(guān)重要

20、。對礦井提升機(jī)電氣傳動系統(tǒng)的要求是：有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運(yùn)行，能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，動態(tài)響應(yīng)速度快，有準(zhǔn)確的制動和定位功能,可靠性要求高等。 目前,我國地下礦山礦井提升機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)主要有：對于大型礦井提升機(jī)，主要采用晶閘管變流器-直流電動機(jī)傳動控制系統(tǒng)和同步電動機(jī)矢量控制交一交變頻傳動控制系統(tǒng).這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式,實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的高自動化運(yùn)行。此系統(tǒng)具有效率高、制動準(zhǔn)確、定位功能和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，但造價昂貴，中小礦井難以承受。對于中、小型提升機(jī)，則多采用交流繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的交流電氣傳動系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。這種電氣傳動系統(tǒng)設(shè)備簡單，但屬于有級

21、調(diào)速，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別在負(fù)載變動時很難實(shí)現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會造成過放或過卷事故。提升機(jī)頻繁的啟動和制動工作過程會使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的能耗,另外轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞,影響生產(chǎn)效益。 礦井提升機(jī)電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向:將變頻調(diào)速技術(shù)與PLC技術(shù)相結(jié)合。對于現(xiàn)采用TKD電控系統(tǒng)的中小型礦井.隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,交一直一交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)改造中應(yīng)用。變頻器的調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒加速和恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。變頻器調(diào)速控制電路簡單,克服了接觸器、

22、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生。因此，變頻器在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用具有十分廣闊的前景。 1.3本論文承擔(dān)的任務(wù) 本課題擬解決的關(guān)鍵問題是控制策略研究,提升機(jī)是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備,它屬于大轉(zhuǎn)動慣量機(jī)-電—液系統(tǒng)，提升機(jī)要按所要求的速度圖運(yùn)行，否則在系統(tǒng)中容易產(chǎn)生大的慣性力，降低機(jī)器的壽命，甚至產(chǎn)生脫軌等惡性事故?？刂撇呗匝芯烤褪且ㄟ^電液控實(shí)時地、準(zhǔn)確地使提升機(jī)按給定的速度圖運(yùn)行，使控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性滿足提升機(jī)運(yùn)行的要求。 本論文的研究目標(biāo)是將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合并應(yīng)用于礦山實(shí)際生產(chǎn)中，對現(xiàn)有的提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計，提高精度，在更

23、安全的范圍內(nèi)保證礦山生產(chǎn)的順利進(jìn)行。設(shè)計中充分考慮到保護(hù)系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境,采用控制功能強(qiáng)大的PLC來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的大型交流接觸器,簡化了控制線路，并應(yīng)用各種現(xiàn)場抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開關(guān)、及RC防浪涌震蕩電路等。尤其在軟件中采用提升機(jī)電控系統(tǒng)中斷模塊及故障處理模塊，使超速報警更加科學(xué)合理.為了更直觀的顯示提升機(jī)的工作狀態(tài)及故障來源，增加了提升機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過顯示器對整個提升系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 本論文承擔(dān)的主要任務(wù)如下： 1．提升機(jī)電控系統(tǒng)主電路部分 結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析提升機(jī)工作過程及工作特點(diǎn)。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

24、組成。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實(shí)現(xiàn).并采取一些提高系統(tǒng)安全運(yùn)行和抗干擾能力的措施。 2．控制系統(tǒng)軟件設(shè)計部分 可編程控制器PLC有強(qiáng)大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP—7來完成的。對于復(fù)雜的礦山提升機(jī)變頻調(diào)速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設(shè)計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖及控制程序編程語言.提升機(jī)系統(tǒng)是一個對安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設(shè)計部分應(yīng)有對其系統(tǒng)的故障診斷處理內(nèi)容，在出現(xiàn)故障時應(yīng)能及時報警或停車。 3．提升機(jī)速度給定方式分析 由于礦山生產(chǎn)過程中，提升機(jī)所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，

25、提升機(jī)的牽引力也就不同，應(yīng)對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié),提升速度也應(yīng)能及時進(jìn)行控制；如不做相應(yīng)的處理和調(diào)整，系統(tǒng)將在較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的累計誤差,導(dǎo)致系統(tǒng)的巨大波動,造成過載或松繩等，甚至導(dǎo)致礦車脫軌或過卷等重大事故，而造成巨大的損失.所以要尋求一種控制方法來提高控制精度。在實(shí)際中經(jīng)常采用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速因其為有級調(diào)速，調(diào)速不連續(xù),且對電網(wǎng)沖擊大。所以尋求一種理想的速度給定方式極為重要，以求能夠提高電控系統(tǒng)控制性能，改善控制品質(zhì)。 4．保護(hù)及抗干擾措施 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護(hù)、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。本文針對制約提升安全的主要

26、環(huán)節(jié)設(shè)置減速、超速報警及過載、松繩、過卷等安全保護(hù)措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障來源進(jìn)行時時監(jiān)視，使提升安全狀況有所改善. 為了保證其安全生產(chǎn),在系統(tǒng)設(shè)計上應(yīng)采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。安全回路應(yīng)具有雙重冗余功能。 1。4小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了當(dāng)前國內(nèi)外提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用情況,闡述了本課題研究的目的意義.在此基礎(chǔ)上提出了本文所承擔(dān)主要任務(wù)和研究的主要內(nèi)容為:提升機(jī)電控系統(tǒng)主電路設(shè)計部分、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計部分、提升機(jī)速度給定方式分析、保護(hù)及抗干擾措施。在完成以上設(shè)計內(nèi)容時，此調(diào)速控制系統(tǒng)才能成為一個有機(jī)的整體，才能安全可靠的工作，并達(dá)到預(yù)期的控制效果

27、. 第2章 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析 2.1引言 目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車提升，傳統(tǒng)斜井提升機(jī)普遍采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng),電阻的投切用繼電器-交流接觸器控制.這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過程中交流接觸器動作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時間較長，交流接觸器主觸頭易氧化,引發(fā)設(shè)備故障。另外,提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會造成停車位置不準(zhǔn)確；提升機(jī)頻繁的起動﹑調(diào)速和制動，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗，節(jié)能較差；這種交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級調(diào)速,調(diào)速的平滑性差；低速時機(jī)械特性較軟,靜差率較大；起動過程和調(diào)速換擋過程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行震動大，安全性

28、較差。鑒于此有必要對提升機(jī)的控制方式及調(diào)速性能做進(jìn)一步的分析。 2.2提升機(jī)工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu) （1）提升機(jī)工作原理： 煤車廂與火車的運(yùn)貨車廂類似，只不過高度和體積小一些.在井口有一絞車提升機(jī)，由電機(jī)經(jīng)減速器帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周后掛上一列煤車車廂（單提升，多數(shù)煤礦都采用單提升），在電機(jī)的驅(qū)動下將裝滿煤的列車從斜井拖上來；卸載完成后,再將空車在電機(jī)的拖動下沿斜井放下去。當(dāng)提升機(jī)需要停車時，從操作臺發(fā)出停車指令，從而對卷筒進(jìn)行抱閘制動. 礦井提升的整個過程可以分為五個階段加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、停車抱閘階段。加速階段是提升機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動加速到最高速度；等速階

29、段是提升機(jī)的主要運(yùn)行階段,提升機(jī)以最高速度穩(wěn)速運(yùn)行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減速到爬行速度;爬行階段是箕斗定位和準(zhǔn)備安全停車階段。 （2) 礦井提升的工作特點(diǎn):箕斗在一定的距離（井深）內(nèi)，以較高的速度往復(fù)運(yùn)行,完成上升與下降的任務(wù)。鑒于在礦井提升機(jī)的工作特點(diǎn),為確保提升機(jī)能夠達(dá)到高效、安全、可靠地連續(xù)工作,其必須具備良好的機(jī)械性能，良好的電氣控制設(shè)備和完善的保護(hù)裝置。 礦井提升機(jī)的基本參數(shù)是：電機(jī)功率75kW，卷筒直徑1200mm，減速器減速比24：1，最高運(yùn)行速度2.5m/s，鋼絲繩長度為400m。 斜井提升機(jī)的機(jī)械傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2—1所示： 圖2。1 提升機(jī)卷筒機(jī)械傳動系

30、統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 2.3提升機(jī)調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析 礦井提升機(jī)電力拖動部分有兩種調(diào)速控制方式：直流調(diào)速和交流調(diào)速.其各有優(yōu)缺點(diǎn),下面分別敘述. 2.3。1提升機(jī)直流調(diào)速性能分析 礦井提升機(jī)采用直流拖動的調(diào)速系統(tǒng)主要有：G—M系統(tǒng)、V-M系統(tǒng)及直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)。 1、G-M系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)） 此系統(tǒng)中，電源是旋轉(zhuǎn)裝置，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)即直流發(fā)電機(jī)供電。通常，直流發(fā)電機(jī)由原動機(jī)拖動,以某一不可調(diào)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵磁電流fi的方向和大小來改變發(fā)電機(jī)輸出電壓的極性和大小.原動機(jī)一般采用交流感應(yīng)電動機(jī)或交流同步電動機(jī)，使直流電源以電機(jī)機(jī)組的形式構(gòu)成。這種直流調(diào)速

31、系統(tǒng)稱“發(fā)電機(jī)—電動機(jī)系統(tǒng)”簡稱“G—M系統(tǒng)”（G—generator,發(fā)電機(jī)；M—motor電動機(jī)）。這種調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。 2、V-M系統(tǒng)（晶閘管—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)） 此系統(tǒng)中,電源是靜止裝置，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器GT的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，而改變晶閘管可控整流器的控制角α，從而改變可控整流器輸出電壓的極性和大小，實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)M的平滑調(diào)速。這種直流調(diào)速系統(tǒng)稱“晶閘管—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”簡稱“V—M系統(tǒng)”（V—晶閘管整流裝置）。與G—M系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性及技術(shù)性能上也有較大的優(yōu)勢。其設(shè)備簡單，調(diào)速更快。但此系統(tǒng)只

32、允許電機(jī)在I、IV象限運(yùn)行，不能滿足提升機(jī)四象限運(yùn)行的要求;且低速運(yùn)行時，產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓小型畸變，形成污染。 3、直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng) 此系統(tǒng)中，電源是靜止裝置，能過改變晶體管VT的導(dǎo)通及關(guān)斷及通斷比(即脈沖寬度調(diào)制，PWM)來改變輸出電壓的極性和大小.與V-M系統(tǒng)相比,直流PWM調(diào)速系統(tǒng)性能更優(yōu)越:a、低速運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)損耗及發(fā)熱小b、快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng). 2。3。2提升機(jī)交流調(diào)速性能分析 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用交流異步電動機(jī)拖動，其交流異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p（1-s）從上式可見，改變供電頻率f、電動機(jī)的極對數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改

33、變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來看,不同的調(diào)速方式無非是改變交流電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。 在生產(chǎn)機(jī)械上廣泛使用的調(diào)速方法中，不改變同步轉(zhuǎn)速的有:繞線式電動機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速等。改變同步轉(zhuǎn)速的有：變極對數(shù)調(diào)速，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速,無換向電動機(jī)調(diào)速等。 一、變極對數(shù)調(diào)速方法 這種調(diào)速方法是用改變定子繞組的接線方式來改變籠型電動機(jī)定子極對數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：1、具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好;2、無轉(zhuǎn)差損耗，效率高;3、接線簡單、控制方便、價格低；4、有級調(diào)速，級差較大,不能獲得平滑調(diào)速；此調(diào)速方法可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用,獲得較高效

34、率的平滑調(diào)速特性。 二、變頻調(diào)速方法 變頻調(diào)速是改變電動機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器,變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。其特點(diǎn)：1、效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；2、應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動機(jī)；3、調(diào)速范圍大,特性硬，精度高；4、技術(shù)復(fù)雜，造價高，維護(hù)檢修困難。 三、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有三種：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級調(diào)速.下面分別介紹. a、定子調(diào)壓調(diào)速方法 當(dāng)改變電動機(jī)的定子電壓時，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲

35、得不同轉(zhuǎn)速。由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比,因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動機(jī)，或者在繞線式電動機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種.晶閘管調(diào)壓方式為最佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：1、調(diào)壓調(diào)速線路簡單，易實(shí)現(xiàn)自動控制；2、調(diào)壓過程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。3、調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。 b、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速方法 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻,使

36、電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。 此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。 c、串級調(diào)速 串級調(diào)速是指繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差,達(dá)到調(diào)速的目的.大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換為其它能量加以利用。根據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式,串級調(diào)速可分為電機(jī)串級調(diào)速、機(jī)械串級調(diào)速及晶閘管串級調(diào)速形式.應(yīng)用中多采用晶閘管串級調(diào)速，其特點(diǎn)為：1、可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高；2、裝置容量與調(diào)速范圍成正比，

37、投資小，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70％－90％的生產(chǎn)機(jī)械上；3、調(diào)速裝置故障時可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn);4、晶閘管串級調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。綜上所述，直流調(diào)速的電樞和勵磁是分開的，能夠精確控制;且直流調(diào)速轉(zhuǎn)矩速率特性好并能在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，因此在礦井提升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電刷是直流電動機(jī)的一個重要部件，但在實(shí)際應(yīng)用中，電刷磨損嚴(yán)重,且在負(fù)載工作條件下，出現(xiàn)打火現(xiàn)象,甚至形成環(huán)火，極易造成電樞兩極短路，危及整個系統(tǒng)的安全。但交流電機(jī)不存在電刷損壞的問題，因此也得到廣泛應(yīng)用，但交流調(diào)速性能離直流電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能還有差距。隨著電子科技技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，將直流調(diào)速原理

38、應(yīng)用于交流調(diào)速控制系統(tǒng)中，使交流調(diào)速在很大程度上得到發(fā)展。 2。4提升機(jī)調(diào)速控制方案分析 為了使提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，不同類型的負(fù)載應(yīng)根據(jù)具體要求選擇不同的控制方案，控制方式是決定提升機(jī)使用性能的關(guān)鍵所在.目前在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用的很多，其中有高精度的還有一般性能的，種類五花八門，價格也高低相差懸殊。所以在選用調(diào)速控制系統(tǒng)時要按負(fù)載的特性要求，并結(jié)合礦井的生產(chǎn)規(guī)模，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、實(shí)用為準(zhǔn)。常用的控制方式主要有：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩等。 2.4.1傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的主電路結(jié)構(gòu)如圖2—2所示 圖2.2轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速圖

39、在加速過程中，交流接觸器KM1,KM2,KM3，KM4逐級吸合，轉(zhuǎn)子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變.如果要求提升機(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻.為了解決減速段的負(fù)力要求,通常采用動力制動方案，即將定子側(cè)的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。這種拖動方案存在的問題是：1）開環(huán)有級調(diào)速,加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差；2)觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開關(guān)，系統(tǒng)維護(hù)工作量大，可靠性差；3)運(yùn)行效率低，在低速時大部分功率都消耗在電阻上；4)電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動機(jī)輸出功率的20～30％。雖然這種調(diào)速方案技術(shù)性能差,且

40、運(yùn)行效率低,但控制方式簡單、初期設(shè)備投資小，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用這種調(diào)速方案。 2.4.2模糊控制調(diào)速系統(tǒng) 一、模糊控制的基本思想 模糊控制（Fuxxy Control）的基本思想是把人類專家對特定的被控對象或過程的控制策略總結(jié)成一系列以“IF（條件）THEN（作用)”表達(dá)式形式表示的控制規(guī)則,通過模糊推理處理得到控制作用集，作用于被控對象或過程控制，作用集為一組條件語句,狀態(tài)條件和控制作用均為一組被量化了的模糊語言集，如“正大"、“負(fù)大"、“高”、“低”、“正?！钡?。一般的模糊算法包括以下五個步驟： A、定義模糊子集，建立模糊控制規(guī)則； B、由基本論域轉(zhuǎn)化為模糊集合論域；

41、C、模糊關(guān)系矩陣運(yùn)算; D、模糊推理合成,求出控制輸出模糊子集; E、進(jìn)行逆模糊運(yùn)算、模糊判決，得到精確控制量； 二、提升機(jī)模糊控制系統(tǒng)原理圖 在對提升機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差的變化率。實(shí)現(xiàn)模糊控制的原理框圖如圖2—3所示： 圖2.3 模糊系統(tǒng)控制原理框圖 PLC通過采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進(jìn)行比較得到誤差信號e、誤差變化率de/dt,把誤差信號和誤差變化率的精確量模糊化變成模糊量E、Ec再經(jīng)過模糊推理得到模糊控制量U，進(jìn)行解模糊處理得到控制信號u，送入變頻器從而對被控對象實(shí)施控制。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制是一種非線性的控制方法，工作

42、范圍寬，適用范圍廣,特別適合于非線性系統(tǒng)的控制。但信息簡單的模糊處理導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質(zhì)變差，若要提高精度，則必然增加量化級數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時控制。 2。4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) 1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，簡稱DTC)變頻技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制"，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。直接轉(zhuǎn)矩控制通過檢測電機(jī)定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的

43、直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2—4所示 圖2。4直接矩陣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。但是目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在理論上尚不成熟、不夠完善，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的固有缺陷，一直阻礙著DTC系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。所面臨的主要問題是：低速性能不盡人意，轉(zhuǎn)矩脈動比較嚴(yán)重。目前關(guān)于DTC系統(tǒng)無速度傳感器技術(shù)的研究尚不多見，還需要開展大量的工作。 在實(shí)際應(yīng)用中還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實(shí)現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、差頻控制、環(huán)流

44、控制、頻率控制等。智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、最優(yōu)控制、專家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。 由于調(diào)速系統(tǒng)是在公眾場合下應(yīng)用的一種需要高質(zhì)量、高精度和高可靠性的系統(tǒng),尤其用在礦井提升機(jī)這樣要求安全系數(shù)高的場所，更要保證其系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。 2.4。4矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 矢量控制的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準(zhǔn)則，將異步電動機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制,以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果. 圖2。5異步電動機(jī)M、T兩相繞組模型 三相異步電動機(jī)定子三相繞組嵌在定子鐵芯槽中，在空間上互差120o電角度，當(dāng)在

45、定子三相繞組上加三相交流電時,異步電動機(jī)在空間上產(chǎn)生的是旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)直流電動機(jī)的電樞電流與磁場垂直，將異步電動機(jī)物理模型等效變換為M、T坐標(biāo)下的兩相繞組模型。 該模型有兩個垂直的繞組:M繞組和T繞組，且以角速度ω1在空間上旋轉(zhuǎn)。M、T繞組分別通以直流電流mi、ti。mi沿M繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢，ti沿T繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢。mi與ti相互垂直，而且分別可調(diào)、可控,當(dāng)mi保持恒定不變,控制ti即可很方便地控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。 由異步電動機(jī)兩相繞組模型可得出矢量變換控制的思路是：把異步電動機(jī)的三相繞組等效為在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組，三相繞組的電流和兩相α、β繞組電流有固有的變換關(guān)

46、系。再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,將兩相靜止α、β繞組電流，等效變換為磁場方向與M軸、T軸方向一致的同步旋轉(zhuǎn)兩相M、T繞組電流。這樣，通過控制M軸，T軸兩個方向的電流大小來等效地控制三相電流Ai、Bi、Ci的瞬時值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場與轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。 矢量控制，具體是將異步電動機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量Mi（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量Ti（轉(zhuǎn)矩電流)分別加以控制,同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制又分為無速度傳感器的矢量控制和有速度傳感器的矢量控制。無速度傳感器的矢量控制如圖2—6所示： 圖2。6無速度傳感器的矢量控

47、制變頻調(diào)速 如果在生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速是非常合適的,其控制結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高. 帶速度傳感器的矢量控制如圖2—7所示： 圖2.7異步電動機(jī)閉環(huán)控制變頻調(diào)速 帶速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速是一種比較理想的變頻調(diào)速控制方式.主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制,即在低轉(zhuǎn)速下亦能可靠運(yùn)行，調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá)100：1或1000:1；(2）可以對轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制；(3)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度快；(4)電動機(jī)的加速度特性好。 2.5小結(jié) 本章結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析提升機(jī)工作過程及工作特點(diǎn)；并給出提升機(jī)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)圖，使提升機(jī)的工作原理更加

48、清晰。傳統(tǒng)提升機(jī)電控系統(tǒng)是古老的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速,存在很多的安全隱患，急需改進(jìn)。改進(jìn)后的電控系統(tǒng)采用什么控制方案更加合理,采用交流還是直流調(diào)速,到底哪種調(diào)速方法調(diào)速性能更好。針對這種種疑問，文中分別對提升機(jī)直流調(diào)速和交流調(diào)速的調(diào)速性能進(jìn)行分析,并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并與目前技術(shù)已經(jīng)成熟的提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)做比較，這些工作對確定提升機(jī)控制方案提供了很大幫助。設(shè)計中同時考慮到串電阻調(diào)速系統(tǒng)控制器件多、電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，所以將可編程控制器應(yīng)用于控制系統(tǒng)。最后確定提升系統(tǒng)的整體控制方案為：基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。 第3章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn) 3.

49、1引言 經(jīng)過分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，最終選擇PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制. 此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機(jī)械特性基本上與自然機(jī)械特性平行，能夠滿足提升機(jī)特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果；采用PLC對提升系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控,使系統(tǒng)更加安全可靠。變頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。 3.2提升機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺

50、和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成,系統(tǒng)框圖如圖3—1所示。各部分功能如下:動力裝置：包括主電機(jī)、減速器、卷筒、制動器和底座,完成人、物、料的運(yùn)輸任務(wù)。主電機(jī)通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力； 液壓站：為提升機(jī)提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機(jī)械制動力，再取消直流制動力;提升機(jī)起動時,先對電機(jī)施加直流制動,再松開機(jī)械抱閘，防止溜車,以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。 變頻調(diào)速器：是動力裝置的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機(jī)，以達(dá)到控制交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的. 操作臺：操作臺設(shè)置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心,通過它

51、可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式,可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)啟動、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。 控制監(jiān)視系統(tǒng):是操作人員和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁,它可以在線監(jiān)測提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理: 如圖3—1，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動力電源由隔爆接線腔R，S，T 3個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過交—直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行.

52、變頻器輸出頻率的變化,將導(dǎo)致電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。 在提升過程中,控制提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作;對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進(jìn)行控制。 旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,并將此信號傳送給可編程控制器,PLC通過該信號可以累計計算提升機(jī)的行走距離.操作人員通過操作臺向PLC發(fā)送控制提升機(jī)運(yùn)行的控制命令。控制監(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動機(jī)的所有運(yùn)行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進(jìn)行時時

53、監(jiān)控.為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。 圖3.1礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)框圖 3.3提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇 本調(diào)速控制系統(tǒng)包括：德國的西門子（Siemens）公司生產(chǎn)的模塊式PLC S7-300和變頻器各一臺。變頻器選用森蘭公司的通用變頻器系列SB61G110KW通用變頻器,功率為110kW。 根據(jù)變頻調(diào)速原理,在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出頻率,實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。本系統(tǒng)中調(diào)速采用PLC+D/A模塊配合變頻器進(jìn)行，通過PLC輸出電壓信號(0~10V)來控制變頻器的頻率。此時的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入

54、成正比. 為了便于監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報警信號及安全制動。 為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合,保證在啟動力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求,選用冶金起重專用變頻電動機(jī)。變頻電動機(jī)的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和絕緣系統(tǒng)設(shè)計既考慮了對變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重專用三相異步電動機(jī)過載能力大、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn).與變頻調(diào)速良好的起、制動功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速,短時間或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁啟動和制動的場合,既能保證電動機(jī)在高頻時的過載能力，又能在低頻時保持恒轉(zhuǎn)矩輸出. 3。4變頻控制部分

55、設(shè)計 3。4。1變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計 變頻調(diào)速單元采用森蘭SB61系列SB61G110KW通用變頻器,其變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖3-2所示。與標(biāo)準(zhǔn)的電壓—頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下，VVCPLus的動態(tài)和穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)一個全數(shù)字化的保護(hù),即使在最惡劣的操作條件下，也可確保可靠運(yùn)行。SB61G110KW具有國際領(lǐng)先的無速度傳感器矢量控制技術(shù)和擬超導(dǎo)技術(shù)，使電機(jī)低速時機(jī)械特性變硬。同時具有短路、接地和過載保護(hù)功能。 圖3。2SB61G110KW電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路 調(diào)速控制系統(tǒng)主電路主要部件的功能和原理： ①空氣斷路器：過流過載保護(hù)； ②交流接觸器：切

56、斷電源和啟動； ③交流電抗器La:降低諧波,抑制浪涌電壓，改善功率因數(shù); ④噪聲濾波LB：減小無線電干擾； ⑤電抗器LA：減小干擾和振動； ⑥熱繼電器FR：斷相保護(hù)，過載保護(hù)； 1提升電動機(jī)選擇 一般電動機(jī)的額定電流可以用如下公式計算,即： (1) 根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機(jī)的額定電流計算得出：異步電動機(jī)的額定電流與電動機(jī)額定功率的關(guān)系為：如果U＝380V，電流大約為1kW是2A。因此．在選擇電動機(jī)的保護(hù)元件時可以用1kw2A來估算電動機(jī)的額定電流值，從而達(dá)到快速選擇保護(hù)元件的目

57、的。 本調(diào)速系統(tǒng)所選電動機(jī)為：QABP系列三相異步變頻調(diào)速電動機(jī)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表3—1所示: 表3。1 8極電機(jī)技術(shù)參數(shù)（50HZ同步轉(zhuǎn)速750r/min） 2變頻器的容量選擇 在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機(jī)功率大于當(dāng)前該電動機(jī)的功率。另外礦用提升機(jī)屬于頻繁起動、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值,按下式確定： （2) 式中 I1CN：變頻器額定輸出電流（A）；

58、 I1，I2…I5:各運(yùn)行狀態(tài)平均電流(A）； t1t2…t5：各運(yùn)行狀態(tài)下的時間； K0：安全系數(shù)(運(yùn)行頻繁時取1。2,其它條件下為1。1）。 考慮到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動，變頻器容量取電動機(jī)容量的1.4倍，本系統(tǒng)中所需電動機(jī)的軸上功率為75KW，按1.4倍容量就選擇105KW以上變頻器。 3變頻器的選擇 絞車升降的運(yùn)轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運(yùn)行的特點(diǎn)，與其他傳動機(jī)械相比對變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用變頻器是專為起重類負(fù)載而設(shè)計的專用變頻器,該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機(jī)控制方法—矢量控制技術(shù)，它可以對所有交流電動機(jī)的核心變量進(jìn)行控制，并把定

59、子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對負(fù)載的變化和瞬時掉電，能做出迅速響應(yīng);開環(huán)控制精度可以達(dá)到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差0。1％～0.5%），開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時間小于5 ms，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%,并具有有效的磁通制動來提供最大可能的制動力矩。尤其它還提供了絞車應(yīng)用宏程序,可以實(shí)現(xiàn)絞車過載保護(hù)、過卷保護(hù)、超速保護(hù)和各種故障監(jiān)控及報警，模塊化功能可方便實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場多臺絞車同步控制，確保使用時安全快速運(yùn)行、故障處理容易、維護(hù)簡單。 根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號規(guī)格：選擇森蘭SB61G110KW通用型變頻器。其標(biāo)稱參數(shù)如表3-2所示： 表3.2森蘭SB61G110KW通用型變頻器的參數(shù) 3。4

60、。2變頻器外部電路設(shè)計 3.3 變頻器外部電路連接 變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出口及制動單元,能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動,更有效的對控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù),外部電路連接如圖3—3所示。 1 聲光報警回路 （1)、變頻器報警輸出的動斷（常閉）觸點(diǎn)“30B—30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時,發(fā)出報警;同是報警輸出的常閉觸點(diǎn)動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報警輸出的觸點(diǎn)，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路(即RC震蕩電路）。 (2)、聲光報警電路由報警輸出的動合（常開)觸點(diǎn)“3

61、0B-30A”控制，當(dāng)變頻器跳閘時，觸點(diǎn)“30B—30A”閉合，將報警指示燈HL和電笛HA接通，進(jìn)行聲光報警。 與此同時,斷電器KA1得電，其觸點(diǎn)將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后,聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報警才能解除。 另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路,以保護(hù)變頻器內(nèi)部報警繼電器觸點(diǎn). 2 制動控制回路 提升機(jī)負(fù)載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至0 Hz時，常常停不住，而有“蠕動”（也稱爬行)現(xiàn)象,在礦山提升機(jī)這種大負(fù)載機(jī)械中,蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果.為此,變頻器調(diào)速時應(yīng)設(shè)置能耗制動和直流制動功能。 一、能耗制動電路的作

62、用 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中,電動機(jī)的降速和停機(jī)，是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的.這時: 1、電動機(jī)的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間,電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時,轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180°，電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時，電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動機(jī)的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。 2、變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動機(jī)再生的電能經(jīng)如圖3—2所示與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓"

63、，使直流電壓升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害.因此，當(dāng)直流電壓超過一定值時,就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉.所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來看，拖動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時減少的動能，由電動機(jī)“再生"電能后,在變頻器的直流電路中被消耗掉了。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而獲得制動轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動狀態(tài)。用于消耗電動機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動電路。 二、能耗制動電路的構(gòu)成 1、制動電阻 能耗制動電路結(jié)構(gòu)如圖3-4所示，圖中的BR就是制動電阻,用于將電動機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。其選擇方法如下: (1）RB的阻值一般情況下，RB的大小以使制動電流不超過變頻器額定電流的一半為

64、宜,即 （2）RB的功率PB由于RB的工況屬于短時工作，幫其標(biāo)稱功率可以比長期通電時消耗的功率小很多： 式中,ab為選用系數(shù)，取值范圍約為ab=0.3～0。5，取決于電動機(jī)的容量和工況。通常，電動機(jī)容量較小時取小值,反之取大值.當(dāng)電動機(jī)的再生制動狀態(tài)屬于正常工作狀態(tài)時,應(yīng)取ab=1.0.例如超重機(jī)械中，吊鉤的下降過程就是。 2、制動單元BV 如圖3-4，制動單元BV的功能是，當(dāng)直流回路的電壓Ud超過規(guī)定的限值勤時,接通耗能電路，使直流回路通過RB釋放能量。 （I）制動單元BV的組成如圖上劃線框所示，BV的組成如下： a）功率管Vb用于接通與關(guān)斷能耗電路，是制動單元的主體。

65、 圖3.4能耗制動和制動單元電路 b）電壓取樣與比較電路由于 Vb的驅(qū)動電路是低壓電路，故只能按比例取出Ud的一部分作為采樣電壓，和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較,得到控制Vb導(dǎo)通或截止的指令信號. c）驅(qū)動電路驅(qū)動電路用于接受“取樣與比較電路”給出的指令信號，驅(qū)動Vb導(dǎo)通或截止。 (II）功率管 Vb的選用Vb的常用器件是GTR或IGBT.其主要參數(shù)的一般選擇方法如下： a）擊穿電壓Ucex在電源電壓為380V時，選Ucex=1000V即可。 b）集電極最大電流Icm按正常電壓下流經(jīng)Rb的電流的兩倍來選擇 三、直流制動單元 能耗制動和直流制動配合使用能達(dá)到理想的制動效果. （一） 直流

66、制動原理： 所謂直流制動，就是向電動機(jī)的定子繞組內(nèi)通入直流電流，使異步電動機(jī)處于能耗制動狀態(tài)。具體操作是，將電機(jī)與變頻器切斷后向定子繞組內(nèi)通入直流電流，定子磁場是靜止的。這時，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，是制動轉(zhuǎn)矩.因為轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩比較強(qiáng)烈,從而可縮短停機(jī)時間.此外，直流磁場本身具有吸住轉(zhuǎn)子的作用，可以有效地消除轉(zhuǎn)子的蠕動。 （二） 直流制動功能預(yù)置 A、直流制動的起始頻率fDB，通常直流制動都是和再生制動配合使用的.即:首先用再生制動方式將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速,然后再轉(zhuǎn)換成直流制動，使電動機(jī)迅速停住.轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的頻率即為直流制動的起始頻率fDB，如圖所示。預(yù)置起始頻率fDB的主要依據(jù)是負(fù)載對制動時間的要求，要求制動時間越短，則起始頻率fDB應(yīng)越高。 B、直流制動強(qiáng)度即預(yù)置在定子繞組上施加直流電壓UDB或直流電流IDB的大小，它決定了直流制動的強(qiáng)度，如圖3—5所示.預(yù)置直流制動電壓UDB （或制動電流IDB)的主要依據(jù)是負(fù)載慣性的大小,慣性越大者,直流制動強(qiáng)度(UDB或IDB）也應(yīng)越大。一般情況下，直流電壓以不超