基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要 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)。采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案對原有電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，提高整個(gè)電控系統(tǒng)安全可靠性、控制精度及調(diào)速性能。本文把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。論文根據(jù)礦井提升機(jī)的運(yùn)行特性要求，對變頻器和PLC 進(jìn)行選型，并對系統(tǒng)的軟、硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括檢測模塊、控制模塊、保護(hù)模塊、顯示模塊和抗干擾模塊的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行系統(tǒng)集成和調(diào)試。采用該控制系統(tǒng)，使提升機(jī)工

2、作可靠，使用方便，同時(shí)具有動(dòng)態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī)， PLC，變頻調(diào)速The Freouency Conversion Use on The Speed Adjustment of Shaft Hoist on The Basis of PLC ControlABSTRACTThe traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor. The system has many disadvanges such as bad reliability，compli

3、cated operation，high fault rate，large energy wasting and low efficiency. we adopt PLC and Transducer to reform for original control system, so as to raise the safety, reliability, control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system.The paper applied PLC(Program

4、mable Logic Controller)and frequency converter to the system，and have carried on deeper research in feasibility.Paper based on the operation of mining properties hoist requirements，the selection of frequency converter and PLC，and the system software and hardware design. Including the detection modul

5、e，control module，protect module，display module and anti-jamming module design，the final system integration and debug. Adopting control system，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function.KEY WORDS: Shaft hoist，PLC，F(xiàn)requency conversion40目錄前言1第1章 礦井提升

6、機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)31.1 礦井提升機(jī)對電氣控制系統(tǒng)的要求31.2 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)41.2.1 控制單元基本原理41.2.2 調(diào)速基本原理61.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)8第2章 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)112.1 PLC的設(shè)計(jì)112.1.1 PLC簡介112.1.2 PLC的選型122.1.3 PLC外圍電氣控制132.2 礦井提升機(jī)及電機(jī)的選型152.2.1 礦井提升機(jī)152.2.2 箕斗的選定162.2.3 預(yù)選提升電機(jī)172.2.4 參數(shù)計(jì)算172.2.5 電機(jī)容量校核212.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)222.3.1 變頻器222.3.2 變頻調(diào)速基本原理242.3.3 變頻器的選型

7、252.3.4 變頻器主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定27第3章 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)303.1 提升機(jī)PLC控制要求303.2 程序設(shè)計(jì)30第4章 系統(tǒng)抗干擾措施354.1 PLC的抗干擾354.2 變頻器的抗干擾及其防止36結(jié)論37謝 辭39參考文獻(xiàn)40附錄41外文資料翻譯42前言本文以某煤礦主立井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)為工業(yè)背景，在已經(jīng)非常成熟但調(diào)速方法比較落后的交流拖動(dòng)技術(shù)基礎(chǔ)上，通過基于PLC的變頻控制技術(shù)在礦井提升機(jī)行程、速度和制動(dòng)控制中的應(yīng)用，闡述了新型礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用情況。 本設(shè)計(jì)的主要工作有：礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；調(diào)速控制系統(tǒng)硬器件的選型； 調(diào)速控制系統(tǒng)軟

8、件部分的設(shè)計(jì)；對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行分析。目前國內(nèi)提升機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)絕大多數(shù)還是在電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入電阻分段控制的交流繞線式電機(jī)繼電器接觸器系統(tǒng)。這種控制方式設(shè)備陳舊、技術(shù)落后，存在著很多的問題：在轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗大量電能，造成能源浪費(fèi)。電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機(jī)械沖擊。繼電器、接觸器頻繁動(dòng)作，電弧燒蝕觸點(diǎn)，影響接觸器使用壽命，維修成本較高。系統(tǒng)的安全性、可靠性不高，容易發(fā)生事故。電動(dòng)機(jī)依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運(yùn)行特性較軟。提升容器通過給定的減速點(diǎn)時(shí)，由于負(fù)載的不同，而將得到不同的減速度，不能達(dá)到穩(wěn)定的低速爬行，最后導(dǎo)致停車位置不準(zhǔn)，不能正常裝卸載。因此，需

9、要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機(jī)運(yùn)行的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和高效性得到提高。在提升機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級換代。本設(shè)計(jì)從解決實(shí)際礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的問題出發(fā)，控制單元采用目前工控適用的PLC來控制；電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，選用先進(jìn)的變頻傳動(dòng)裝置；優(yōu)化了礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的性能。甩掉了原電控調(diào)速用的交流接觸器及調(diào)速阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，使噪音及室溫降低了很多；調(diào)速連續(xù)方便，分段預(yù)置頻率，能根據(jù)負(fù)荷情況連續(xù)平滑調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，無機(jī)械沖擊現(xiàn)象；實(shí)現(xiàn)了低頻低壓的軟起動(dòng)和軟停止，使停車運(yùn)行更加平穩(wěn)；啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小，

10、可以實(shí)現(xiàn)提礦井升機(jī)在重載下從低速平穩(wěn)無級平滑地升至最高速。目前，這一控制方法為現(xiàn)代交流調(diào)速中比較先進(jìn)的調(diào)速控制方式之一。 安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、高效的礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。第1章 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1 礦井提升機(jī)對電氣控制系統(tǒng)的要求提升機(jī)控制系統(tǒng)方案的選用應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求速度。所以需要先來分析提升機(jī)電控系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性。提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的給定速度u=f(t)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式Td=Te-Ti= Tn *e/375式中 Te-電動(dòng)機(jī)電動(dòng)力矩;Ti-傳動(dòng)系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩;Tn-傳動(dòng)系統(tǒng)的飛輪力矩，Tn=4gJ，其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()，g為重力加速度，Td-傳動(dòng)

11、系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,e-加速度?？梢缘贸霭唇o定速度圖所需轉(zhuǎn)矩Te=f(t)的特性，從而可以得到拖動(dòng)系統(tǒng)所需的力F=f(t)。提升機(jī)的負(fù)載靜力FL決定于提升機(jī)滾筒承受的靜張力差，在雙罐籠的平衡提升系統(tǒng)中，靜力凡也就是提升物體的凈載重。由于提升系統(tǒng)的負(fù)載為位勢負(fù)載，所以靜力FL的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和方向無關(guān)。因此在電動(dòng)機(jī)不帶電時(shí)，為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對滾筒必須施加機(jī)械閘。要使提升機(jī)按照給定的速度圖運(yùn)行，電動(dòng)力矩Te可能為正，也可能為負(fù)。這意味著電動(dòng)機(jī)不僅要工作在電動(dòng)狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制動(dòng)狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機(jī)運(yùn)行階段，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)

12、行狀態(tài)也各不相同。綜合以上提升機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及礦山生產(chǎn)固有的特點(diǎn)，提升機(jī)工藝對提升機(jī)電控系統(tǒng)的要求如下:(1) 加(減)速度符合國家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。提升人員時(shí)，加速度a0.75m/s2，升降物料時(shí)，加速度a1.2m/s2,另外不得超過提升機(jī)的減速器所允許的動(dòng)力矩。(2) 具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運(yùn)行方式及提升階段(加速、減速、等速、爬行等)(3) 有較好的起動(dòng)性能。提升機(jī)不同于其他機(jī)械，穩(wěn)定運(yùn)行的要求。不可能待系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后再裝加物料，因此，必須能重載啟動(dòng)，有較高的過載能力。(4) 特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時(shí)，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不

13、同時(shí)速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當(dāng)然，當(dāng)負(fù)載超過一定的限度時(shí)，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動(dòng)停車，即所謂要具備挖土機(jī)機(jī)械特性)。(5) 工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。(6) 采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和提高整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護(hù)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運(yùn)行.盡量節(jié)約能源和降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。1.2 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.2.1 控制單元基本原理 我國提升機(jī)設(shè)備中，普遍使用TKD系統(tǒng)，這種控制系統(tǒng)是采用繼電器有觸點(diǎn)的邏輯控制，以磁放大器為核心組成模

14、擬量閉環(huán)調(diào)節(jié)。在繼電器控制系統(tǒng)中，要完成一個(gè)控制任務(wù)，支配控制系統(tǒng)工作的“程序”是由各分立元件(繼電器、接觸器、電子元件等)用導(dǎo)線連接起來加以實(shí)現(xiàn)的，這樣的控制系統(tǒng)稱為接線程序控制系統(tǒng)。在接線程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改必須通過改變接線來實(shí)現(xiàn)。幾十年來 ，這種控制系統(tǒng)由于受元件水平的限制而存在著缺陷，突出表現(xiàn)在:(1) 使用大量繼電器、接觸器及其它分立電子元件，系統(tǒng)體積大，運(yùn)行噪聲大，功耗高，接線復(fù)雜，故障率高，工作穩(wěn)定性和可靠性差，控制速度慢，控制精度差，功能改變難度大，使用壽命短。(2) 在啟動(dòng)過程中，由于罐籠的實(shí)際載重量不同，實(shí)際的加速過程并非按照預(yù)定的設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，常常出現(xiàn)停車不準(zhǔn)確

15、甚至提前停車現(xiàn)象。(3) 采用磁放大器做調(diào)節(jié)控制，穩(wěn)定性差，線性度差，調(diào)速精度很難保證。(4) 系統(tǒng)安全保護(hù)環(huán)節(jié)不全面，工作不可靠，故障顯示不直觀，分析查找故障難度大，缺乏運(yùn)行參數(shù)顯示功能.(5) 調(diào)速性能差，機(jī)械沖擊大，人員乘車舒適性差。這些不足主要是因?yàn)椴捎美^電器控制方式造成的，在這種控制方式下繼續(xù)改善的余地不大。如果對該豎井提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，那么需要改變控制策略，采用當(dāng)代高新實(shí)用技術(shù)來控制，使之成為安全、可靠、高效率、自動(dòng)化程度高的電控系統(tǒng)。是可編程序邏輯控制器，簡稱PLC，PLC技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，由它構(gòu)成的控制系統(tǒng)邏輯控制由PLC通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，柔性強(qiáng)，控制功

16、能多，控制線路大大簡化;PLC的輸入喻出回路均帶有光電隔離等抗干擾和過載保護(hù)措施，程序運(yùn)行為循環(huán)掃描工作方式，且有故障檢測及診斷程序，可靠性極高;PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為模塊化結(jié)構(gòu)，維護(hù)更換方便，并可顯示故障類型。圖1-1為可編程控制器控制系統(tǒng)。其輸入設(shè)備和輸出設(shè)備與繼電器控制系統(tǒng)相同，但它們是直接接到可編程序控制器的輸入端和輸出端的?？刂瞥绦蚴峭ㄟ^一個(gè)編程器寫到可編程控制器的程序存儲器中.每個(gè)程序語句確定了一個(gè)順序，運(yùn)行時(shí)依次讀取存儲器中的程序語句，對它們的內(nèi)容進(jìn)行解釋并加以執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果用以接通輸出設(shè)備，控制被控對象工作。在存儲程序控制系統(tǒng)中，控制程序的修改不需要通過改變控制器內(nèi)部的接線(即硬

17、件)，而只需通過編程器改變程序存儲器中某些語句的內(nèi)容。 圖1-1 可編程控制器控制系統(tǒng)框圖 可編程邏輯控制器因?yàn)槠渚哂懈呖煽啃砸约败浖删幊痰膬?yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代控制中越來越廣泛的應(yīng)用。對于一般提升機(jī)電控系統(tǒng)來說，采用一套中小容量的PLC即可滿足要求，其價(jià)格也不高.如果采用PLC技術(shù)對TKD-A電控系統(tǒng)進(jìn)行改造，把原來由各種電器通過連線而實(shí)現(xiàn)的邏輯控制改由PLC通過軟件編程實(shí)現(xiàn)，則控制線路將大大簡化，設(shè)備體積、設(shè)備維修量將大大減小，抗干擾能力將大大增強(qiáng)，工作可靠性將大大提高，工藝改變時(shí)只需要改變控制程序即可。改造時(shí)保持原有的操作方式、按鈕、開關(guān)、主令控制器作用不變，則用戶使用起來將非常方便，不需要適應(yīng)

18、期。同時(shí)可以利用PLC的高速計(jì)數(shù)功能、網(wǎng)絡(luò)通信功能、故障檢測及診斷功能、信號顯示功能等來增加一些新的控制功能，安全性將大大提高，運(yùn)行將更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確，完全能夠滿足礦山生產(chǎn)的苛刻要求，而且投資相對較少，性價(jià)比較高，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。1.2.2 調(diào)速基本原理礦井提升機(jī)，從電力拖動(dòng)而言，可分為交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)兩大類。我國目前正在服務(wù)的礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)中，屬于交流拖動(dòng)的有轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速系統(tǒng):屬于直流拖動(dòng)的有直流發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)組成的G-M調(diào)速系統(tǒng)和晶閘管整流裝置供電的V-M調(diào)速系統(tǒng)。直流拖動(dòng)系統(tǒng)一般采用他勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為主拖動(dòng)電機(jī)，它具有調(diào)速性能好，低速階段運(yùn)行穩(wěn)定，在加速，減速和低速運(yùn)行

19、時(shí)的電耗小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn).根據(jù)供電方式的不同，直流拖動(dòng)系統(tǒng)又可分為兩類，一類是發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng)(簡稱G-M系統(tǒng))，一類是晶閘管供電的系統(tǒng)(簡稱V-M系統(tǒng))。G-M系統(tǒng)的特點(diǎn)是過載能力強(qiáng)，所需設(shè)備均為常規(guī)定型產(chǎn)品，供貨容易，運(yùn)行可靠，維護(hù)工作量大但是技術(shù)要求不高，對系統(tǒng)以外的電網(wǎng)不會造成有害的影響，即不會引起電力公害等。與G-M系統(tǒng)相比，V-M系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):功率放大倍數(shù)高，G-M系統(tǒng)的功率放大倍數(shù)在101左右，V-M系統(tǒng)可高達(dá)104，比G-M系統(tǒng)高三個(gè)數(shù)量級;快速響應(yīng)性好，G-M系統(tǒng)為秒級，V-M為毫秒級，因而動(dòng)態(tài)品質(zhì)快速性能較好;功耗小、效率高，G-M系統(tǒng)平均效率為75%左右

20、，V-M系統(tǒng)可達(dá)85%左右，比G-M系統(tǒng)效率提高10%以上;調(diào)速范圍大，由于剩磁影響，G-M系統(tǒng)在調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)速受到限制，而V-M系統(tǒng)調(diào)速時(shí)速度從零到最大速度都能控制，運(yùn)行可靠。直流拖動(dòng)系統(tǒng)具有調(diào)速性能好的特點(diǎn)，是交流拖動(dòng)系統(tǒng)無法相比的。而V-M系統(tǒng)由于具有以上一些突出的特點(diǎn)，因此，目前在大型提升機(jī)方面，世界各國大多采用直流拖動(dòng)方案，尤以V-M系統(tǒng)為主。但是根據(jù)國內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，V-M系統(tǒng)尚存在以下缺點(diǎn):(1) 晶閘管元件的過載能力(過電壓、過電流)較低，因此在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中作為供電元件時(shí)，為了適應(yīng)瞬時(shí)過載(例如提升機(jī)的加速階段)的需要，通常將元件的容量和耐壓等級都相應(yīng)增大，或者增加使用的晶

21、閘管元件數(shù)量，使元件作串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，即使用的元件在正常負(fù)載時(shí)處于低負(fù)載(降級使用)，以確保在過載的加速階段，晶閘管元件的負(fù)載仍然在額定負(fù)載的范圍內(nèi)，不致由于出現(xiàn)過負(fù)荷時(shí)使晶閘管元件燒毀。但由于這種降級使用，也給生產(chǎn)維護(hù)上增加了困難。(2) 有沖擊性的無功功率。由于高次諧波的影響，使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)加大并導(dǎo)致畸變，即所謂引起“電力公害”:同時(shí)低速時(shí)功率因數(shù)也較低。目前,在我國使用的多繩摩擦輪提升機(jī)，G-M直流拖動(dòng)占一定比例，而進(jìn)口的直流拖動(dòng)提升系統(tǒng)，則全部采用V-M系統(tǒng)。傳統(tǒng)的串電阻交流拖動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，占地面積小，維護(hù)方便，運(yùn)行可靠價(jià)格低廉，設(shè)備供貨容易，安裝調(diào)試周期短等優(yōu)點(diǎn).主

22、要缺點(diǎn)是啟動(dòng)階段電能損耗較大，當(dāng)用于要求頻繁啟動(dòng)或不同運(yùn)行速度的多水平提升機(jī)時(shí)就更為不經(jīng)濟(jì)。但用于單水平提升時(shí)，其提升效果實(shí)際上與用發(fā)電機(jī)組供電的直流拖動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)。此外在調(diào)速性能方面，交流拖動(dòng)系統(tǒng)一般不如直流拖動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)越，但選用了動(dòng)力制動(dòng)、低頻制動(dòng)、可調(diào)機(jī)械閘、負(fù)荷測量、計(jì)算裝載等輔助裝置后，交流拖動(dòng)系統(tǒng)亦可獲得滿意的調(diào)速性能。綜上原因，交流拖動(dòng)系統(tǒng)在我國中小型礦山或者中等深度以下礦井獲得了廣泛應(yīng)用。目前交流調(diào)速最有前途的是變頻調(diào)速技術(shù)，在變頻調(diào)速技術(shù)中矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制都能滿足提升機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載這一特征，所以在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中這兩種調(diào)速方案將是重要發(fā)展方向。1.2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于PLC控

23、制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、液壓站、潤滑站、操作臺、安全保護(hù)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1-2所示圖1-2 提升機(jī)控制系統(tǒng)框圖 各部分功能如下（1）主控系統(tǒng)系統(tǒng)的主控系統(tǒng)使用PLC集成高速計(jì)數(shù)輸入口以及特殊高速計(jì)數(shù)模塊相結(jié)合，對分別安裝于電機(jī)軸、輥筒主軸、天輪的四個(gè)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)監(jiān)視速度、深度以及判斷松繩；A/D模塊采集現(xiàn)場液壓站及潤滑站的油壓、油溫等信號;在井筒及深指器各階段安裝行程開關(guān)，用以確定罐籠位置，并相互校驗(yàn)，達(dá)到停車位的精確控制。程序編制滿足提升機(jī)自動(dòng)、半自動(dòng)、手動(dòng)、驗(yàn)繩、調(diào)繩等工作方式，并可方便的轉(zhuǎn)換;滿足提升階段(如加速、減速、等速、

24、爬行等)穩(wěn)定運(yùn)行的要求。（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)采用德國制造西門子變頻器，性能優(yōu)越，采用矢量控制技術(shù)適合提升機(jī)工作環(huán)境，只需在控制單元給出對變頻器的控制命令(正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段速等)即可使提升機(jī)按照設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，滿足提升階段穩(wěn)定運(yùn)行的要求。變頻調(diào)速裝置本身具有過壓、欠壓、過流、過負(fù)荷、缺相、超溫等保護(hù)，同時(shí)配合來自現(xiàn)場的各種信號傳感器的監(jiān)視及相應(yīng)處理，可實(shí)現(xiàn)絞車過卷、過速、減速、限速等重要保護(hù)的雙線制保護(hù)功能，滿足煤礦安全規(guī)程要求。在變頻器系統(tǒng)中輸出閘控信號到PLC，要求只有在變頻的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值的時(shí)候才可以松閘，這樣會避免豎井提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生溜車現(xiàn)象。（3）液壓站為提升機(jī)提供制動(dòng)力

25、，停車時(shí)先通過液壓站給卷筒施加機(jī)械制動(dòng)力，再取消直流制動(dòng)力；提升機(jī)起動(dòng)時(shí)，先對電機(jī)施加直流制動(dòng)，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。（4）操作臺操作臺設(shè)置兩個(gè)手柄，分別用于速度輔助給定及制動(dòng)力給定。它是整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設(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(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車以及緊急制動(dòng)等各種控制功能。（5）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)。（6）安全保護(hù)本系統(tǒng)設(shè)有一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路，這三條安全

26、電路相互冗余與閉鎖，一條斷開時(shí)，另兩條也同時(shí)斷開。硬安全回路通過硬件回路實(shí)現(xiàn)，無論P(yáng)LC單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號，硬安全回路馬上斷開;軟安全回路分別在兩套PLC軟件中搭建，與硬安全回路相同并且同時(shí)動(dòng)作。安全電路斷開后，系統(tǒng)會立即解除運(yùn)行控制指令，封鎖變頻器，制動(dòng)油泵，斷開安全閥和KT線圈，進(jìn)行緊急制動(dòng)。安全保護(hù)功能齊全，設(shè)有過卷、等速超速、定點(diǎn)超速、PLC 編碼器斷線、錯(cuò)向、傳動(dòng)系統(tǒng)故障及自動(dòng)限速等保護(hù)功能。控制系統(tǒng)工作原理：當(dāng)司機(jī)聽到開車信號時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，PLC控制將380V動(dòng)力電源接入變頻器。再松開液壓制動(dòng)閘并將主令控制器推到正向（或反向），提升機(jī)開始運(yùn)行。在提升過程中，

27、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(dòng)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(dòng)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(jì)計(jì)算提升機(jī)的速度及行走距離，監(jiān)視器可以時(shí)時(shí)顯示提升機(jī)速度和位置。第2章 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 PLC的設(shè)計(jì)2.1.1 PLC簡介可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等

28、操作的命令，并通過數(shù)字式模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充功能的原則而設(shè)計(jì)。具有其他工業(yè)設(shè)備難以具備的特點(diǎn)：PLC具有以下特點(diǎn):(1)可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。用程序來實(shí)現(xiàn)邏輯順序和時(shí)序，最大限度地取代傳統(tǒng)繼電-接觸器系統(tǒng)中的硬件線路，大量減少機(jī)械觸點(diǎn)和連線的數(shù)量。單從這一角度而言，PLC在可靠性上優(yōu)于繼電-接觸器系統(tǒng)是明顯的。在抗干擾性能方面，PLC在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)程序執(zhí)行等方面都給予了充分的考慮。例如，對主要器件和部件用導(dǎo)磁良好的材料進(jìn)行屏蔽、對供電系統(tǒng)和輸入電路采用多種形式的濾波、I/O

29、回路與微處理器電路之間用光電耦合隔離器、系統(tǒng)軟件具有故障檢測功能、信息保護(hù)和恢復(fù)、循環(huán)掃描時(shí)間的超時(shí)警戒等。(2)靈活性強(qiáng)，控制系統(tǒng)具有良好的柔性。當(dāng)生產(chǎn)工藝和流程進(jìn)行局部的調(diào)整和改動(dòng)時(shí)，通常只需要對PLC的程序進(jìn)行改動(dòng)，或者配合以外圍電路的局部調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)的改造。(3) 編程簡單，使用方便。第一編程語言(梯形圖)是一種圖形編程語言，與多年來工業(yè)現(xiàn)場使用的電器控制圖非常相似，理解方式也相同，非常適合現(xiàn)場人員學(xué)習(xí)。(4) 控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，開發(fā)工作量少，周期短。由于PLC的系列化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及良好的擴(kuò)展性和連網(wǎng)性能，在大多數(shù)情況下，PLC系統(tǒng)是一個(gè)較好的選擇。它不僅能夠完成多數(shù)情況

30、下的控制要求，還能夠大量節(jié)省系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試的時(shí)間和工作量。(5) 維修方便。PLC有完善的故障診斷功能，可以根據(jù)裝置上的發(fā)光二極管和軟件提供的故障信息，方便地查明故障源。而由于PLC的體積小，并且有些采用模塊化結(jié)構(gòu)，因而可以通過更換整機(jī)或模塊迅速排除故障。(6) 體積小，能耗低。由軟件實(shí)現(xiàn)的邏輯控制，可以大量節(jié)省繼電器、定時(shí)器的數(shù)量。一臺小型的PLC，只相當(dāng)于幾個(gè)繼電器的體積，控制系統(tǒng)所消耗的能量也大大降低。(7) 功能強(qiáng)，性價(jià)比高。PLC所提供的軟元件的觸點(diǎn)可以無限次使用，方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。同時(shí)，PLC的連網(wǎng)通信功能有利于實(shí)現(xiàn)分散控制、遠(yuǎn)程控制、集中管理等功能，與同等規(guī)模或成本

31、的繼電-接觸器控制系統(tǒng)相比，無論其功能和性能，都具有無可比擬的優(yōu)勢。2.1.2 PLC的選型 在礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，決定了系統(tǒng)對精度要求并不是特別高，對于響應(yīng)時(shí)間的要求也并不高，達(dá)到毫秒級就可以。在滿足基本要求的前提下，PLC選型主要從經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性及網(wǎng)絡(luò)通訊性能等方面綜合考慮。通過系統(tǒng)綜合考慮，本系統(tǒng)選擇三菱FX2N-80MR型PLC。本型號PLC基本單元的輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)均為40點(diǎn)，再選用1塊模擬量輸入模塊和1模擬量輸出模塊，即可滿足要求。FX2N系列PLC經(jīng)濟(jì)、小巧，從功能上完全滿足本系統(tǒng)的使用要求，其內(nèi)置高速計(jì)數(shù)器，可滿足系統(tǒng)軸編碼器采樣的高速計(jì)數(shù)要求，而

32、不需增加額外成本。而且，AC電源、DC輸入型的內(nèi)裝DC24V電源可作為傳感器的輔助電源?；締卧捎靡子诰S修的裝卸端子臺。標(biāo)準(zhǔn)型內(nèi)裝8K步有備用電池的RAM存儲器。另外，若采用可選的存儲卡盒，最大可擴(kuò)展到16K步。關(guān)于存儲器的類型，可以選用RAM、EEPROM和EPROM。FX2N內(nèi)含計(jì)時(shí)功能，可以進(jìn)行時(shí)間控制。PC使用A7PHP/A7HGP、A6GPP/A6PHP相對應(yīng)的編程軟件，可以在RUN時(shí)改變程序。通過設(shè)定參數(shù)可以確保編程存儲器內(nèi)元件的注釋區(qū)域。此外還有具有利用可輸入漢字的外圍設(shè)備給程序加漢字注釋的顯示功能。為防止順控程序被寫入或盜用，可以對程序存儲器設(shè)定3級保護(hù)。具有豐富的輸入輸出擴(kuò)

33、展設(shè)備：繼電器輸出、三段雙向可控硅開關(guān)元件輸出、晶體管輸出；豐富的特殊擴(kuò)展設(shè)備：模擬輸入輸出設(shè)備、溫度傳感器輸入、熱電偶輸入設(shè)備、1軸定位設(shè)備、雙軸（內(nèi)插）定位設(shè)備、脈沖輸出設(shè)備、高速計(jì)數(shù)器、并聯(lián)連接、NELSCLNET/MINI-S3連接設(shè)備、RS485通信設(shè)備、RS232通信設(shè)備、ID機(jī)器連接設(shè)備、模擬量模塊等。FX2N系列PLC是FX家族中比較先進(jìn)的類型。FX2N系列具有如下優(yōu)點(diǎn)：最大范圍的包容了標(biāo)準(zhǔn)特點(diǎn)、程式執(zhí)行更快、全面補(bǔ)充了通信功能、適合世界各國不同的電源以及滿足單個(gè)需要的大量特殊功能模塊，它可以為提升機(jī)的自動(dòng)化控制提供最大的靈活性和控制能力。靈活的配置 除了具有滿足特殊要求的大量

34、特殊功能模塊外，六個(gè)基本FX2N單元中的每一個(gè)單元可擴(kuò)充到256個(gè)I/O口?？刂泣c(diǎn)數(shù)從16至256點(diǎn)。高速運(yùn)算 基本指令：0.08/指令；應(yīng)用指令：1.52至幾百/指令突出的寄存器容量 FX2N系列包括8K步內(nèi)置RAM寄存器，用一個(gè)寄存器盒可擴(kuò)充到16K步RAM或EEPROM。豐富的元件資源 3072點(diǎn)輔助繼電器、256點(diǎn)計(jì)時(shí)器、235點(diǎn)計(jì)數(shù)器和8000點(diǎn)數(shù)據(jù)寄存器。2.1.3 PLC外圍電氣控制電源回路電源部分采用雙回路供電模式，電源柜主要是給變頻柜和動(dòng)力柜供電，同時(shí)用來進(jìn)行過流保護(hù)和電壓、電流測量。并且將操作臺中的主電源上電開關(guān)串入變頻柜送電斷路器的失壓脫扣線圈中，用來實(shí)現(xiàn)緊急停車。動(dòng)力柜

35、主要是給油泵、風(fēng)機(jī)和操作臺供電，同時(shí)具有斷相、缺相、過流保護(hù)和電機(jī)過熱保護(hù)。操作臺采用UPS電源供電。手柄控制在操作臺上安裝有手柄（主令手柄、制動(dòng)手柄），類似于舊型設(shè)備的操作手柄，操作方便簡單，使司機(jī)不需長時(shí)間培訓(xùn)及適應(yīng)便可熟練操作。主令手柄采用手柄輸出10V迸行無級變頻調(diào)速，在輸出模擬量的同時(shí)，在手柄相應(yīng)的操縱角度上加上光電開關(guān)觸點(diǎn)，可以輸入開關(guān)信號到變頻器上的速段控制接入口，達(dá)到控制限制。如在起始。觸發(fā)一個(gè)繼電器，繼電器輸入信號給第一速段控制口激活第一速段，只需在變頻器上設(shè)置相應(yīng)的速度即可，同時(shí)可設(shè)置后一個(gè)開關(guān)的觸發(fā)角度如。，既可激活第二速段，電機(jī)既可運(yùn)行在第二速段。制動(dòng)手柄采用手柄輸出0

36、-10V信號進(jìn)行制動(dòng)控制，在輸出模擬量的同時(shí)，在手柄相應(yīng)的操縱角度上加上光電開關(guān)觸點(diǎn)，可以輸出緊閘和松閘的開關(guān)信號到PLC上控制施閘。模擬量輸入到PLC的模擬量數(shù)入模塊，同時(shí)輸出到端子。在正常情況下，由PLC的模擬量數(shù)出來確定給制動(dòng)裝置給定；在應(yīng)急狀態(tài)下，或者PLC出現(xiàn)故障時(shí)還可以直接將給定量送入制動(dòng)裝置，完成制動(dòng)。安全回路安全回路用于防止和避免提升機(jī)發(fā)生意外故障。硬安全回路通過硬件回路實(shí)現(xiàn)，無論P(yáng)LC單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號，硬安全回路馬上斷開。本系統(tǒng)安全回路采用兩個(gè)接觸器并聯(lián)使用，以提高系統(tǒng)的安全性能，在安全回路中串有很多保護(hù)觸頭，當(dāng)提升機(jī)發(fā)生故障時(shí)，故障對應(yīng)的保護(hù)觸頭動(dòng)作，

37、ACI和AC2斷電，系統(tǒng)會立即解除運(yùn)行控制指令，封鎖變頻器、制動(dòng)油泵，斷開安全閥，進(jìn)行緊急安全制動(dòng)。只有安全回路始終保持接通狀態(tài)，礦井提升機(jī)才能正常工作。一旦主電失壓安全回路就會斷開，實(shí)施安全制動(dòng)。礦井提升機(jī)機(jī)械閘裝有閘瓦磨損開關(guān)，當(dāng)閘瓦磨損到一定程度或彈簧疲勞到一定程度時(shí)，安全回路斷開，進(jìn)行安全制動(dòng)。過卷是指提升容器在停車位置沒有停止運(yùn)行，超過了停車位置的現(xiàn)象。發(fā)生這種現(xiàn)象時(shí)，過卷開關(guān)動(dòng)作，使安全回路斷開，實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)。礦井提升機(jī)在運(yùn)行過程中若發(fā)生松繩現(xiàn)象，很容易發(fā)生斷繩事故。當(dāng)發(fā)生松繩現(xiàn)象時(shí)，經(jīng)過短暫調(diào)節(jié)后，若沒有消除松繩現(xiàn)象，安全回路斷開，進(jìn)行安全制動(dòng)。2.2 礦井提升機(jī)及電機(jī)的選型2.

38、2.1 礦井提升機(jī)礦井提升設(shè)備的主要組成部分是：提升容器、提升鋼絲繩、提升機(jī)（包括拖動(dòng)系統(tǒng)）、 井架（或井塔）、天輪、導(dǎo)向輪及裝卸載設(shè)備等。 由于井筒條件（豎井或斜井）及選用的提升容器和提升機(jī)類型的不同，可組成各有特點(diǎn)的礦井提升系統(tǒng)。常見的提升系統(tǒng)有：豎井單繩纏繞式箕斗提升系統(tǒng)、豎井單繩纏繞式罐籠提升系統(tǒng)、豎井多繩摩擦式箕斗提升系統(tǒng)、豎井多繩摩擦式罐籠提升系統(tǒng)、斜井箕斗提升系統(tǒng)、斜井串車提升系統(tǒng)。礦井提升機(jī)是一個(gè)完整的機(jī)械-電氣系統(tǒng)，其主要由以下幾部分組成。工作機(jī)構(gòu) 主要是指主軸裝置和主軸承等，主軸裝置由主軸、卷筒、滾動(dòng)軸承、支輪、制動(dòng)輪、調(diào)繩離合器等組成。 制動(dòng)系統(tǒng) 液壓制動(dòng)系統(tǒng)裝置包括制動(dòng)

39、器和液壓傳動(dòng)裝置，是提升機(jī)不可缺少的重要組成部分之一，也是最后一道安全保障裝置。制動(dòng)裝置的可靠性直接關(guān)系到提升機(jī)的安全運(yùn)行。 提升機(jī)制動(dòng)器的功能就是剎住提升機(jī)卷筒，使提升機(jī)停止運(yùn)行。 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)包括減速器和聯(lián)軸器。減速器的作用是減速和傳遞動(dòng)力，聯(lián)軸器是用來聯(lián)接提升機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，并傳遞動(dòng)力。 潤滑系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng)是在提升運(yùn)行過程中，不間斷地向軸承及嚙合齒面壓送潤滑油，以保證軸承和齒輪的正常工作。潤滑系統(tǒng)必須與自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)聯(lián)鎖，即潤滑系統(tǒng)失靈時(shí)，主電動(dòng)機(jī)斷電，確保機(jī)器的正常工作。 觀測和操縱系統(tǒng) 觀測和操縱系統(tǒng)包括斜面操縱臺，深度指示器以及測速發(fā)電機(jī)。深度指示器

40、的作用是顯示提升容器的運(yùn)行位置，容器接近井口卸載位置和井底停車場時(shí)，發(fā)出減速和制動(dòng)信號。 拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng) 拖動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)包括拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)、變頻器、PLC電氣控制系統(tǒng)和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。礦井提升機(jī)自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的作用是：在司機(jī)不參與的情況下，發(fā)生故障時(shí)能自動(dòng)將主電動(dòng)機(jī)斷開并同時(shí)進(jìn)行安全制動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的保護(hù)。2.2.2 箕斗的選定提升高度經(jīng)濟(jì)提升速度一提升循環(huán)估算時(shí)間初估加速度每小時(shí)提升次數(shù)每小時(shí)提升量取提升不平衡系數(shù),提升能力富裕系數(shù)。考慮為以后礦井生產(chǎn)能力的加大留有余地，選擇名義裝載重量為的箕斗，其主要技術(shù)規(guī)格如下：自重；全高；有效容積；容器間中心距；實(shí)際載重量。 根據(jù)煤礦安全規(guī)程

41、規(guī)定，考慮到實(shí)際的提升速度低于，取過卷高度，天輪直徑，確定井架高度。2.2.3 預(yù)選提升電機(jī)確定電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)考慮到箕斗容積選用較大，故預(yù)定同步轉(zhuǎn)數(shù)。預(yù)選電機(jī)功率由可估定電機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)，則實(shí)際最大提升速度則電動(dòng)機(jī)功率取礦井阻力系數(shù)，減速器傳動(dòng)效率，動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)以上計(jì)算，選擇YR-800-12/1430繞線型異步電動(dòng)機(jī)，其主要技術(shù)規(guī)格如下：額定功率，額定電壓，額定轉(zhuǎn)數(shù)，電動(dòng)機(jī)效率，過載能力，飛輪慣量。電動(dòng)機(jī)額定拖動(dòng)力2.2.4 參數(shù)計(jì)算提升系統(tǒng)變位質(zhì)量計(jì)算1)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子變位質(zhì)量2)提升機(jī)（包括減速器）變位質(zhì)量3)天輪變位質(zhì)量4)鋼絲繩變位質(zhì)量5)容器變位質(zhì)量6)荷載變位質(zhì)量則運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)計(jì)算1)主加

42、速度的確定按電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷能力取鋼絲繩重按減速器允許最大輸出動(dòng)扭矩根據(jù)以上結(jié)果，為減輕動(dòng)荷載，提高機(jī)械部分和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性，的取值應(yīng)該留有余量，固本設(shè)計(jì)取。2)減速度的確定 為了控制方便和節(jié)能，首先考慮自由滑行方式減速。當(dāng)偏大（?。r(shí)，再考慮電動(dòng)（機(jī)械制動(dòng)）方式減速。按自由滑行方式確定自由滑行方式偏低，故應(yīng)該考慮機(jī)械制動(dòng)方式。由此確定。3)初加速度取箕斗脫離卸載曲軌時(shí)的速度，卸載曲軌長度。4)初加速時(shí)間5)主加速時(shí)間6)主加速行程7)減速時(shí)間8)減速行程9)爬行時(shí)間式中取爬行距離，爬行速度。10)等速行程11)等速時(shí)間箕斗卸載休止時(shí)間由表中查得箕斗的。12)一次提升循環(huán)時(shí)間13)提升能力校核

43、，實(shí)際年提升能力動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算1)初加速開始2)初加速終了3)主加速開始4)主加速終了5)等速開始減速階段采用了機(jī)械制動(dòng)，電動(dòng)機(jī)已經(jīng)斷電，故不計(jì)入。6)爬行開始7)爬行終了2.2.5 電機(jī)容量校核等效時(shí)間計(jì)算等效力 電動(dòng)機(jī)等效功率工作過負(fù)荷校驗(yàn)特殊過負(fù)荷（調(diào)節(jié)繩長時(shí)）根據(jù)以上校驗(yàn)結(jié)果可知，預(yù)選的電機(jī)能滿要求，可以用。2.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)2.3.1 變頻器 變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器。變頻器就是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如

44、圖2-1所示圖 2-1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖變頻器主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器主要由整流器、平波電路、逆變器、控制電路四大部分組成，整流器將工頻電源變?yōu)橹绷麟姡讲娐肺赵谧兞髌骱湍孀兤鳟a(chǎn)生的電壓脈動(dòng)，逆變器將直流電變換為工作所需的交流電，控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測電路”，將運(yùn)算電路的控制信號進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)大體經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段：U/F=C的正弦脈寬調(diào)制(SP

45、WM)控制方式 其特點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，機(jī)械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動(dòng)的平滑調(diào)速要求，已在產(chǎn)業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是，這種控制方式在低頻時(shí)，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。另外，其機(jī)械特性終究沒有直流電動(dòng)機(jī)硬，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負(fù)載的變化而變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢、電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)

46、切多邊形逼近圓的方式進(jìn)行控制的。經(jīng)實(shí)踐使用后又有所改進(jìn)，即引入頻率補(bǔ)償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時(shí)定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動(dòng)態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 矢量控制(VC)方式 矢量控制變頻調(diào)速的做法是將異步電動(dòng)機(jī)在三相坐標(biāo)系下的定子電流、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流、，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流、(相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流；相當(dāng)于與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，求得直流電動(dòng)機(jī)的控制量，經(jīng)過相應(yīng)的坐標(biāo)反變

47、換，實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)的控制。其實(shí)質(zhì)是將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，分別對速度，磁場兩個(gè)分量進(jìn)行獨(dú)立控制。通過控制轉(zhuǎn)子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量，經(jīng)坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時(shí)代的意義。然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，系統(tǒng)特性受電動(dòng)機(jī)參數(shù)的影響較大，且在等效直流電動(dòng)機(jī)控制過程中所用矢量旋轉(zhuǎn)變換較復(fù)雜，使得實(shí)際的控制效果難以達(dá)到理想分析的結(jié)果。直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式 1985年，德國魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)。該技術(shù)在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良

48、的動(dòng)靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術(shù)已成功地應(yīng)用在電力機(jī)車牽引的大功率交流傳動(dòng)上。 直接轉(zhuǎn)矩控制直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。矩陣式交-交控制方式 矩陣式交-交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價(jià)格貴的電解電容。它能實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運(yùn)行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術(shù)目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學(xué)者深入研究。其實(shí)質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實(shí)

49、現(xiàn)的。2.3.2 變頻調(diào)速基本原理由電機(jī)學(xué)的基本公式: 式中電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對數(shù)p一定，改變電源頻率f，即可改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速總低于同步轉(zhuǎn)速，而且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化。電源頻率增加，同步轉(zhuǎn)速n0也增加，實(shí)際轉(zhuǎn)速也增加；電源頻率下降，同步轉(zhuǎn)速n0也下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速也降低，這種通過改變電源頻率實(shí)現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)過程稱為變頻調(diào)速。 在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機(jī)的控制方式多種多樣，但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過渡特性來看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種:（1）V/F控制V/F控制是交流電機(jī)最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持V/F 為常數(shù)，來保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而V/F控制是一種開環(huán)的控

50、制方式，速度動(dòng)態(tài)特性較差，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率低，控制參數(shù)(如加/減速度等)還需要根據(jù)負(fù)載的不同來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器等器件開關(guān)延時(shí)的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象.這種控制方式多用于調(diào)速精度不高的場所。（2）轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制.與V/F控制相比，調(diào)速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳狀態(tài)。但是采用此法的電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是單機(jī)運(yùn)行，同時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制未能實(shí)施對電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，盡管這種系統(tǒng)的靜態(tài)精度較高，但由于快速性較差，故適用于對響應(yīng)的快速性要求不高的系

51、統(tǒng)。（3）矢量控制矢量控制是一種建立在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎(chǔ)上，通過一系列的坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，可以將作為控制對象的感應(yīng)電機(jī)當(dāng)作直流電機(jī)來進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制。目前，實(shí)用中多采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由于其沒有實(shí)現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無需檢測出磁通，因而容易實(shí)現(xiàn)。但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù)，為了減少控制上對電機(jī)參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識、參數(shù)補(bǔ)償和參數(shù)自適應(yīng)方案，收到了較好的效果。(4) 直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)也是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標(biāo)變換和解耦運(yùn)算的復(fù)雜性，直接對轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，通過轉(zhuǎn)矩誤差、磁通

52、控制誤差，按一定的原則選擇逆變器開關(guān)狀態(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。由于DTC直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制，對轉(zhuǎn)子參數(shù)變化表現(xiàn)為狀態(tài)干擾而非參數(shù)干擾，DTC方法比矢量控制方法具有較高的魯棒性。但是DTC也存在不足之處，其最大的困難就在于低速性能不理想。2.3.3 變頻器的選型礦井提升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般來說可為額定力矩值的1.3-1.6倍?？紤]到電源電壓波動(dòng)因素及需通過125%超載試驗(yàn)要求等因素，其最大轉(zhuǎn)距必須有1.8-2倍的負(fù)載力矩值，以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%的超載力矩值，為此可通過提高交頻器容量或同時(shí)提高變頻器和電機(jī)容

53、量來獲得200%的力矩值。此時(shí)變頻器容量為式中電機(jī)功率因數(shù)，提升額定負(fù)載所需功率，電機(jī)效率變頻器容量，系數(shù)，提升機(jī)構(gòu)變頻器容量依據(jù)負(fù)載功率計(jì)算，并考慮2倍的安全力矩。若用在電機(jī)額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會造成不必要的放容損失。在變頻器功率選定的基礎(chǔ)上再作電流驗(yàn)證，公式如下：式中變頻器額定電流，電動(dòng)機(jī)額定電流。根據(jù)以上各種因素，本設(shè)計(jì)選用山東新風(fēng)光JD-BP37-T系列高壓提升機(jī)專用變頻器。JD-BP37/38系列高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足用戶對于異步交流電動(dòng)機(jī)類機(jī)械調(diào)速節(jié)能、改善生產(chǎn)工藝的迫切需要，本調(diào)速系統(tǒng)適配各種通用三

54、相異步電機(jī)。JD-BP37系列高壓提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機(jī)控制。具有能量回饋和矢量控制功能，可用于帶載啟動(dòng)、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)范圍大，需要能量回饋、或頻繁加減速或正反轉(zhuǎn)的負(fù)載場合，如礦井提升、軋機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、球磨機(jī)、攪拌機(jī)、皮帶傳輸機(jī)等場合。JD-BP37系列高壓提升機(jī)變頻器主要特點(diǎn)：高壓主回路與控制器之間為多路光纖連接，安全可靠；全中文WINDOWS操作界面，彩色液晶觸摸屏，安裝、設(shè)定、調(diào)試簡便，功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡單；高-高電壓源型變頻器，直接6KV/10KV輸入，直接6KV/10KV輸出，不需要輸出變壓器；可滿足電動(dòng)機(jī)的四象限工作要求；輸入功率因數(shù)高，電流

55、諧波少，無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置；輸出階梯SPWM波形，無須輸出濾波裝置，對電纜、電機(jī)絕緣無損害，諧波少，減少軸承、減速器等的機(jī)械振動(dòng)；內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場需要；自帶冷卻風(fēng)機(jī)，完善的變頻器參數(shù)設(shè)定功能，優(yōu)異的性能/價(jià)格比。具備RS485通訊接口，標(biāo)準(zhǔn)Modbus/Profibus 等通信規(guī)約，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視，可接受和輸出05V/420mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號；完整的故障監(jiān)測電路、精確的故障定位和報(bào)警保護(hù)?；仞佒苿?dòng)：回饋制動(dòng)采用的是有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)，就必須要將回饋電能進(jìn)行同頻同相控制、回饋電

56、流控制等條件，才能將回饋電能安全送達(dá)電網(wǎng)中。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)，是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的。提升機(jī)減速制動(dòng)時(shí)，在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變，這時(shí)會出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于給定轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢高于變頻器直流端電壓的情況，這時(shí)電動(dòng)機(jī)就變成發(fā)電機(jī)，非但不消耗電網(wǎng)電能，反而可以通過變頻器專用型能量回饋單元向電網(wǎng)送電，這樣既有良好的制動(dòng)效果，又將動(dòng)能轉(zhuǎn)變化為電能，向電網(wǎng)送電而達(dá)到回收能量的效果。交流制動(dòng)：本提升機(jī)專用變頻器，交流制動(dòng)對提升系統(tǒng)的安全運(yùn)行起到重要作用，當(dāng)重車在中間停車時(shí)，檢測到停機(jī)信號后給控制器發(fā)出信號，讓提升機(jī)由高速平滑地降到低速，待PLC檢測到機(jī)械制動(dòng)起作用的信號后，PLC發(fā)出信號讓控制器去掉交流制動(dòng)信號，使提升機(jī)靠機(jī)械抱閘裝置起作用。啟動(dòng)時(shí)，先對提升機(jī)施加一交流制動(dòng)信號，建立啟動(dòng)力矩，待檢測到機(jī)械抱閘信號后發(fā)出信號給控制器去掉交流制動(dòng)信號，然后由控制器加上啟動(dòng)電壓讓提升機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。2.3.4 變頻器主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)設(shè)定 變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，本系統(tǒng)中通過PLC輸出電壓信號(012 V)來控制變頻器的頻率。