絞車電控系統(tǒng)基礎(chǔ)知識.doc

第一章 序言一、防爆絞車系統(tǒng)發(fā)展簡史：全國煤礦井下安裝有上萬部交流提升機(jī)（以下簡稱絞車），從控制系統(tǒng)分析，主要有以下幾種系統(tǒng)，而這幾種系統(tǒng)又代表了我國絞車電控系統(tǒng)的發(fā)展歷史。1. 沒有控制系統(tǒng)的絞車：隨著安全生產(chǎn)法及煤礦安全規(guī)程的頒布及施行，此類絞車在井下提升領(lǐng)域已經(jīng)很少了，主要是應(yīng)用在55KW以下的小卷筒小功率的調(diào)度絞車或臨時(shí)提升物料的絞車。2. 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的絞車電控系統(tǒng)（俗稱“電絞”）：由于國家對安全生產(chǎn)的重視，根據(jù)煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，在高瓦斯及高煤塵的工作環(huán)境，要求采用防爆的絞車電控系統(tǒng)。此時(shí)，大量的采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的電控系統(tǒng)被我國的煤礦廣泛應(yīng)用。這種防爆電控系統(tǒng)，在防爆電機(jī)的轉(zhuǎn)子上串聯(lián)防爆電阻，通過逐級投入或切除電阻來達(dá)到調(diào)速目的。該系統(tǒng)的雙線制保護(hù)是通過增加測速發(fā)電機(jī)或自整角機(jī)測量速度，由此速度信號而形成的后備保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也有個(gè)別的是采用軸編碼器來進(jìn)行測速的。該系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下確實(shí)解決了對井下絞車電控系統(tǒng)的防爆需要。但其缺點(diǎn)也是尤其明顯的：l 失爆：由于在調(diào)速及制動過程中，防爆電阻消耗大量的能量，導(dǎo)致防爆電阻箱過熱而使得防爆箱變紅、變形，不僅增加了系統(tǒng)的維護(hù)量，更為嚴(yán)重的是形成失爆，為煤礦井下帶來安全隱患。l 安全隱患大：由于在負(fù)力提升狀態(tài)下采用電阻消耗能量制動，且傳動系統(tǒng)任何保護(hù)，因此一旦制動系統(tǒng)有問題，易形成“飛車”事故，給安全生產(chǎn)造成隱患。l 占用空間大：在此系統(tǒng)中，大量防爆電阻的投入，而占用了大面積的井下硐室，增加了車房硐室開拓的費(fèi)用和難度。l 調(diào)速精度低：從技術(shù)上該系統(tǒng)都是通過投入和切除電阻來進(jìn)行調(diào)速的，故其調(diào)速系統(tǒng)只能是分級調(diào)速，而無法做到無級調(diào)速，且加減速度不易控制，這樣又為絞車提升過程中造成安全隱患，容易造成掉道等事故的發(fā)生。l 無法實(shí)現(xiàn)控制的雙線制。3. 防爆液壓絞車系統(tǒng)（俗稱“液絞”）：由于電絞存在著上述的種種缺點(diǎn)，八十年代初防爆液壓絞車系統(tǒng)出現(xiàn)了。液壓絞車系統(tǒng)采用一臺或兩臺油泵驅(qū)動液壓系統(tǒng)，然后通過液壓系統(tǒng)來驅(qū)動液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動卷筒，實(shí)現(xiàn)提升，這樣可以通過控制液壓系統(tǒng)中液壓油的流量來控制提升機(jī)的速度。該系統(tǒng)的雙線制保護(hù)也是通過增加測速發(fā)電機(jī)或自整角機(jī)測量速度，由此速度信號而形成的后備保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也有個(gè)別的是采用軸編碼器來進(jìn)行測速的。該系統(tǒng)不需要減速機(jī)直接驅(qū)動卷筒，因此簡化了主機(jī)系統(tǒng)，故成本較低，又很好的解決了原來電絞的缺點(diǎn)。但在一段時(shí)間的應(yīng)用后，其缺點(diǎn)也就隨之暴露：l 傳動效率低：通過上面論述可以知道，來自油泵電機(jī)的驅(qū)動力通過一系列的傳動驅(qū)動卷筒，因此其傳動效率是比較低的，一般能做到70%就非常不錯了。l 故障率高：由于液壓馬達(dá)長期運(yùn)行，故其故障率非常高，因此維護(hù)費(fèi)用及維護(hù)時(shí)間給用戶造成損失。l 密封差：由于我國的密封件的材質(zhì)及加工水平較低，故液壓系統(tǒng)的密封性能較大，尤其是系統(tǒng)投入一年以后，漏油比較嚴(yán)重，因此液壓系統(tǒng)后期維護(hù)量大，維護(hù)成本高，維護(hù)時(shí)間長，給用戶造成較大的損失。l 過載能力差：液絞系統(tǒng)的過載能力比較差，因此在設(shè)計(jì)上往往加大安全系數(shù)，增加用戶的投資。二、全數(shù)字防爆四象限變頻絞車電控系統(tǒng)（一般稱為“變頻絞車”）：為解決以上系統(tǒng)存在的這樣或那樣的缺點(diǎn)，在2001年唐山開誠電器有限責(zé)任公司獨(dú)立開發(fā)了全數(shù)字防爆四象限變頻絞車電控系統(tǒng)。在變頻絞車電控系統(tǒng)中，以防爆四象限變頻器為主要拖動設(shè)備，通過雙PLC數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤安規(guī)程中規(guī)定的絞車雙線制保護(hù)及控制。具體優(yōu)點(diǎn)有：l 調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣：調(diào)速精度不低于0.5%，調(diào)速范圍為0.3額定轉(zhuǎn)速。l 雙線制保護(hù)：由于采用一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路相互冗余，使得系統(tǒng)更加安全可靠。l 雙線制控制：正常提升時(shí)，采用雙PLC系統(tǒng)相互監(jiān)視，相互冗余。當(dāng)其中一個(gè)PLC系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)PLC系統(tǒng)仍可投入進(jìn)行應(yīng)急開車，最大程度的給用戶減少損失。l 操作簡便：司機(jī)操作簡單，系統(tǒng)安全性大大提高。l 節(jié)能效果明顯：系統(tǒng)將再生能量通過四象限變頻調(diào)速裝置回饋電網(wǎng)，采用AFE自換向技術(shù)保持回饋電流與電網(wǎng)電壓的反相位，真正實(shí)現(xiàn)回饋制動。第二章 基礎(chǔ)及術(shù)語一、 術(shù)語和基礎(chǔ)知識：1. 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速：異步電動機(jī)定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)其轉(zhuǎn)子繞組將不再切割定子旋轉(zhuǎn)磁場，因此轉(zhuǎn)子繞組中不再產(chǎn)生感應(yīng)電流，也不再產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其同步轉(zhuǎn)速。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電動機(jī)的磁極對數(shù)（極對數(shù)）和電源頻率所決定。電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速且轉(zhuǎn)差率因此，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n 電動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ns同步轉(zhuǎn)速，r/min；f 電源頻率，Hz；p 電動機(jī)磁極對數(shù)；s 轉(zhuǎn)差率。因?yàn)殡妱訖C(jī)出廠之后，電動機(jī)的極對數(shù)一般就不能再改變了，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)的電源頻率即可達(dá)到調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。2. “交-直-交”變頻器：從某種意義上來說，變頻器就是一個(gè)可以任意改變頻率的交流電源?！敖?直-交”變頻器首先通過三相全波整流將交流電源整流成直流，然后通過開關(guān)元件將直流逆變工成交流，實(shí)現(xiàn)對輸出電源的頻率的控制。變頻器的基本構(gòu)成3. IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor，隔離門極雙極型晶體管）：是目前廣泛應(yīng)用于中小容量變頻器中的一種半導(dǎo)體開關(guān)器件。由于它集功率MOSFET和功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)于一身，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快等特點(diǎn)。4. IPM（Intelligent Power Module，智能功率模塊）：是一種將功率開關(guān)器件及其驅(qū)動電路，保護(hù)電路等集成在同一封裝內(nèi)的集成模塊。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件，通過光耦接收信號后對IGBT進(jìn)行驅(qū)動，并同時(shí)具有過電流保護(hù)，過熱保護(hù)，以及驅(qū)動電源電壓不足時(shí)的保護(hù)等保護(hù)功能。其功率損耗小，發(fā)熱低，為解決防爆變頻調(diào)速裝置的散熱問題提供了有利的條件。5. PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制：是在逆變電路部分同時(shí)對輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進(jìn)行開關(guān)，并通過改變輸出脈沖的寬度來達(dá)到控制電壓（電流）的目的。6. 正弦波PWM控制：指的是改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。這種控制方式也被稱為SPWM控制。7. 矢量控制：其基本思想是將異步電動機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時(shí)控制異步電動機(jī)定子電流的幅值和相位，即控制定子電流矢量，故這種控制方式被稱為矢量控制方式。矢量控制方式使對異步電動機(jī)進(jìn)行高性能的控制成為可能。采用矢量控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上可以與直流電動機(jī)相匹敵，而且可以直接控制異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。8. 電機(jī)正反轉(zhuǎn)的變頻實(shí)現(xiàn)：利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，必須利用開關(guān)等裝置對電源進(jìn)行換相切換。利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，只需改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開關(guān)順序即可以達(dá)到對輸出進(jìn)行換相的目的，很容易實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換而不需要專門設(shè)置正反轉(zhuǎn)切換裝置。此外，對在電網(wǎng)電源下運(yùn)行的電動機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，如果在電動機(jī)尚未停止時(shí)進(jìn)行相序的切換，電動機(jī)內(nèi)將會由于相序的改變而流過大于起動電流的電流，有燒毀電動機(jī)的危險(xiǎn)，所以通常必須等電動機(jī)安全停下來之后才能夠進(jìn)行換相操作。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行減速，并在電動機(jī)減速至低速范圍后再進(jìn)行相序切換，進(jìn)行相序切換時(shí)電動機(jī)的電流可以很小。對于利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動系統(tǒng)來說，由于電動機(jī)的起動電流較大并存在著與起動時(shí)間成正比的功率損耗，所以不能使電動機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。而對于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于電動機(jī)的起停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過程都比較平緩，電動機(jī)的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。9. 負(fù)力運(yùn)行：絞車在重物下放以及重物上提的減速段，電機(jī)的給定的轉(zhuǎn)速均小于實(shí)際轉(zhuǎn)速，故此時(shí)提升機(jī)均處于負(fù)力運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)需要在給定的轉(zhuǎn)速大于實(shí)際轉(zhuǎn)速時(shí)，即正力運(yùn)行時(shí)為電動狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)為耗能運(yùn)行；而當(dāng)電機(jī)在負(fù)力提升時(shí)為發(fā)電狀態(tài)，可視電機(jī)為發(fā)電機(jī)，因此需將再生能量進(jìn)一步處理。對于變頻器控制的電機(jī)而言，其在負(fù)力運(yùn)行時(shí)，變頻器的直流母線電壓將上升。10. 電氣制動：由于在變頻器驅(qū)動系統(tǒng)中電動機(jī)的調(diào)整控制是通過改變變頻器的輸出頻率進(jìn)行的，當(dāng)把變頻器的輸出頻率降至電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的頻率以下時(shí)，負(fù)載的機(jī)械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋到變頻器。而變頻器則可以利用自己的制動回路將這部分能量以熱能消耗或回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動。同機(jī)械制動相比，電氣制動有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小，維護(hù)簡單，可靠性好等。但是也應(yīng)該注意到，由于在靜止?fàn)顟B(tài)下電氣制動并不能使電動機(jī)產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩，所以在絞車系統(tǒng)中還必須采取相應(yīng)的措施，例如和機(jī)械盤形制動器（盤形閘）同時(shí)使用。電氣制動形式主要分為動力制動(直流制動)、能耗制動、回饋制動，這三種制動方式將在下文進(jìn)行論述。11. 動力制動(直流制動)：它是利用制動時(shí)，在電機(jī)定子上施加直流電勢，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而形成與轉(zhuǎn)子本身磁場相反的旋轉(zhuǎn)磁場，達(dá)到制動的目的。一般適用于由高速旋轉(zhuǎn)降至低速旋轉(zhuǎn)，故制動過程及減速度無法精確控制。12. 能耗制動：制動單元實(shí)時(shí)采樣直流母線電壓值，當(dāng)其值達(dá)到某一閾值時(shí)，制動單元投入制動電阻將再生能量消耗。13. 可控整流：普通兩象限變頻器的三相全波整流單元為非可控的整流單元，故該單元無法實(shí)現(xiàn)再生能量的回饋，因此為實(shí)現(xiàn)再生能量的回饋將三相全波整流單元設(shè)計(jì)成可控整流，例如我們采用的仍然是IPM來作為整流單元。14. AFE（Active Front End，主動前端）技術(shù)：采用AFE技術(shù)的變頻器，可以實(shí)時(shí)的控制電流的相位。當(dāng)電機(jī)為電動狀態(tài)時(shí)，通過AFE技術(shù)的控制，電流的相位可以和電壓同相位，使功率因數(shù)接近于1；當(dāng)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通過AFE技術(shù)的控制，電流的相位可以和電壓反相位，我們知道，發(fā)電機(jī)的電流和電壓是反相位的，而此時(shí)就可以將電機(jī)理解為發(fā)電機(jī)在運(yùn)行。15. 回饋制動：回饋制動有兩種方式，整流回饋和AFE回饋。l 整流回饋：即采用普通三相全波整流+回饋單元+自耦變壓器的形式。自耦變壓器的目的是為了使回饋的電壓與電網(wǎng)電壓一致。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生再生能量時(shí)，直流母線電壓提升，回饋單元將能量通過自耦變壓器回饋電網(wǎng)。此時(shí)，回饋的波形最好的情況下只能是方波，這對電網(wǎng)來講，污染是非常嚴(yán)重的。l AFE回饋：采用可控整流+AFE控制單元。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生再生能量時(shí)，直流母線電壓提高到設(shè)定閾值時(shí)，整流側(cè)的DSP（數(shù)字信號處理器）類似逆變側(cè)的DSP一樣自動控制可控整流的IPM的工作，通過PWM斬波技術(shù)，形成回饋的正弦波。同時(shí)，通過AFE技術(shù)，自動將回饋的電流相位保持與電網(wǎng)電壓相位的反相位，而真正達(dá)到向電網(wǎng)回饋正弦波的能量，且如發(fā)電機(jī)的狀態(tài)一樣的運(yùn)行。另外，對于采用二極管整流電路（三相全波整流）和電壓形PWM逆變電器的變頻器來說，變頻器本身造成的高閃諧波將給電源電壓和電流帶來畸變，并影響接于同一電源的其它設(shè)備。但是，通過在變頻器中采用PWM整流電路，就可以基本解決這個(gè)問題。綜上所述，此種方式回饋的波形好，功率因數(shù)理論上可達(dá)到-1，對電網(wǎng)的污染也非常小，是最理想的回饋制動方式。但由于變頻器中很大一部分成本在于IPM模塊和其控制電路因此采用可控整流和AFE回饋單元會使得變頻器的成本大幅提高，故采用PWM可控整流技術(shù)的變頻器相當(dāng)于兩臺未采用可控整流技術(shù)的變頻器，從理論上來講，成本提高接近一倍。故相對來講，其價(jià)格較高。16. 二級制動：二級制動是指在安全制動時(shí)，將機(jī)械閘的制動力分兩次施加在閘盤上，目的是防止因緊急制動而產(chǎn)生過大的減速度導(dǎo)致對人員或設(shè)備的傷害，一般通過控制閘的油壓來完成。17. 二級制動解除：當(dāng)提升容器接近提升終端時(shí)，要求解除二級制動，以防止由于不能一次制動而導(dǎo)致對人員或設(shè)備的傷害。18. 速度圖：本系統(tǒng)自動生成“位置速度”包括曲線，即速度圖，根據(jù)速度的變化在速度圖上分為加速段、勻速段、減速段、爬行段及停車段，速度圖見下圖。二、 系統(tǒng)構(gòu)成：防爆四象限變頻絞車電控系統(tǒng)是采用四象限變頻調(diào)速裝置的拖動系統(tǒng)和基于雙線制控制的采用雙PLC的控制系統(tǒng)及相關(guān)傳感器構(gòu)成：1. 傳動系統(tǒng)：a) 防爆四象限變頻調(diào)速裝置：ZJT-30隔爆兼本安智能變頻調(diào)速裝置是我公司引進(jìn)國外先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的適用于煤礦井下防爆絞車四象限工作要求的變頻調(diào)速裝置。它采用了交直交無速度傳感器矢量控制技術(shù)，具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速性能好的特點(diǎn)。該裝置的主要功率器件選用了進(jìn)口產(chǎn)品，使該裝置具有功能豐富可靠、調(diào)節(jié)靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)和使用壽命長的特點(diǎn)。當(dāng)提升絞車負(fù)力運(yùn)行時(shí)，變頻器能自動向供電電網(wǎng)發(fā)電，使電動機(jī)處于發(fā)電反饋制動狀態(tài)工作，改善了下放操作時(shí)的調(diào)整性能，大大提高了下放操作時(shí)的安全性能，同時(shí)還為用戶節(jié)省了大量的電能。b) 防爆輸入電抗器箱：防爆輸入電抗器箱主要功能是提高直流母線電壓；改變相位角，通過變頻器的AFE技術(shù)使得輸入電流與網(wǎng)側(cè)電壓呈同相位，使功率因數(shù)接近于1；濾除高次諧波，減小對電網(wǎng)的污染。2. 控制系統(tǒng)：a) PLC防爆控制箱：主要由兩臺PLC、繼電器、控制板、開關(guān)電源等組成。主要功能為：l 構(gòu)成控制電路和保護(hù)電路；l 實(shí)現(xiàn)控制信號與故障信號的隔離與轉(zhuǎn)換；l 形成一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路，三者相互冗余與聯(lián)鎖；l 完成工作閘、安全閘控制；l 構(gòu)成應(yīng)急操作回路；l 完成二級制動控制。b) 本安操作指示臺：操作臺主要包含顯示儀表、主令手柄、制動手柄、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、指示燈、數(shù)字深度指示器(含粗指示、精指示)，可對絞車的運(yùn)行狀態(tài)、故障信號、過程變量等進(jìn)行顯示和報(bào)警。對絞車進(jìn)行各種操作和控制c) 本安軸計(jì)數(shù)器(軸編碼器)：分別采集兩個(gè)不同傳動軸的運(yùn)行參數(shù)，分別由兩個(gè)PLC根據(jù)各自采集的軸的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算兩個(gè)軸的運(yùn)行速度以及提升容器當(dāng)前的深度，以形成系統(tǒng)的各種保護(hù)。d) 本安井筒開關(guān)：由于數(shù)字采樣畢竟要形成誤差，對于一個(gè)行程甚至一天的運(yùn)行而言，這個(gè)誤差都比較小，但是長時(shí)間的累積誤差勢