礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于PLC的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要礦井提升機(jī)是采礦等行業(yè)的重要設(shè)備，礦物的運(yùn)輸和人員的運(yùn)輸?shù)榷茧x不開提升機(jī)。我國傳統(tǒng)的礦井提升機(jī)主要采用繼電器接觸器進(jìn)行控制，并通過在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和調(diào)速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、故障率高、操作復(fù)雜、電能浪費(fèi)大、效率低等缺點(diǎn)。 針對(duì)傳統(tǒng)提升機(jī)的問題，本設(shè)計(jì)采用可編程控制器控制系統(tǒng)，并且與變頻器結(jié)合實(shí)現(xiàn)提升機(jī)速度控制。通過對(duì)提升機(jī)系統(tǒng)的深入研究，完成提升機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選擇硬件設(shè)備型號(hào)，并且完成硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中包括檢測(cè)模塊、控制模塊、保護(hù)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。根據(jù)硬件系統(tǒng)要求畫出外部接線圖，并且編寫控

2、制系統(tǒng)程序。通過可編程控制器控制變頻器，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、等速、減速、爬行和停車操作，并且對(duì)過載、超速、過卷等故障進(jìn)行監(jiān)控。可編程控制器采用PLC，硬件簡潔、軟件靈活性強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)量小，配合一些裝用電子模塊組成的提升機(jī)控制設(shè)備，為提升機(jī)的安全運(yùn)行提空環(huán)境。同時(shí)能夠時(shí)時(shí)檢測(cè)礦井提升機(jī)的安全性能，反饋給控制設(shè)備。減少了傳統(tǒng)繼電器接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，減少了硬件和控制線，提高了形同的穩(wěn)定性和可靠性。變頻調(diào)速是利用改變被控對(duì)象的電源頻率，成功實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)大范圍的無級(jí)平滑調(diào)速。采用該控制系統(tǒng)，使提升機(jī)工作可靠，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。應(yīng)用可編程控制器變頻器對(duì)礦井

3、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(shì)。 關(guān)鍵詞：礦井提升機(jī) 可編程控制器 PLC 變頻器 控制系統(tǒng) Systematic Design on frequency control of Shaft Hoist on Basis of PLC ControlABSTRACT Shaft hoist is an important equipment in mining industries, which is inseparable in the transportation of mineral and personnel. Chinese traditional shaft hois

4、t use relay - contactor to control mainly, and achieve startup and speed governing by the motor rotor circuit in series with additional resistances. This control system has many disadvantages, such as lower reliability, higher failure rate, more complex operation, more power waste, and lower efficie

5、ncy. As for the problems of traditional shaft hoist, this design achieves hoist speed control by using programmable logic controller system, which combined with frequency converters. Through my intensive study in hoist system, I have completed hoist control system design, the size choice of the hard

6、ware device, and finish hardware system design, including the design of detection module, control module, protection module, and anti-jamming module. Finally, I carry on the system integration and debugging. Depending on the hardware system requirements, I draw external wiring diagram and write cont

7、rol system program. Through the programmable logic controller, mine hoist can realize its start, acceleration, constant speed, deceleration, crawling and parking operations, and monitor stoppages such as overload, overspeed, and volume. Programmable logic controller uses PLC, and it is hardware simp

8、licity, strong software flexibility, easy commissioning, little maintenance. It can provide the shaft hoist safe operation with favorable environment, combined with some control equipment equipped with electronic modules hoist. At the same time, it can test the safety performance of shaft hoist, and

9、 feedback to the control device. In this way, the intermediate links of traditional relay-contact control system are reduced, hardware and control lines are reduced, the stability and reliability of tantamount are improved. Frequency control successfully realizes that Ac motor is in a wide range of

10、stepless smooth speed regulation, by taking advantage of changing the power frequency of the controlled object. With this control system, the hoist is reliable, easy to use, and it has the function of dynamic display, as well as its energy-saving effect is obvious. It will become the inevitable tren

11、d of history to transform mine hoist control system by applying Programmable Controllers Drive.Keywords: shaft hoist; programmable logic controller; PLC; frequency converters;control system目 錄1 引言11.1 國內(nèi)外礦井提升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀11.1.1我國礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀11.1.2 國外提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀11.2 存在的問題及最新發(fā)展21.3 本文承擔(dān)的任務(wù)32 礦井提升機(jī)系統(tǒng)的控制要求42

12、.1 礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)介紹42.2 礦井提升機(jī)速度和受力分析42.2.1 提升機(jī)的速度分析42.2.2 提升機(jī)的受力情況52.3 礦井提升機(jī)的調(diào)速控制方案分析72.3.1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)72.3.2 模糊控制調(diào)速系統(tǒng)72.3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)82.3.4 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)82.3.5 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的確定93 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1 提升機(jī)變頻控制部分設(shè)計(jì)113.1.1變頻器簡介113.1.2 變頻調(diào)速基本原理123.1.3 提升機(jī)變頻器的選擇133.1.4變頻器的調(diào)試143.2 提升機(jī)系統(tǒng)變頻器外部電路設(shè)計(jì)163.2.1 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的聲光報(bào)警回路173.

13、2.2 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的制動(dòng)控制回路173.2.3 編碼器反饋回路193.3 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的PLC 控制部分設(shè)計(jì)203.3.1 PLC簡介203.3.2 PLC的選型203.3.3 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的PLC的I/O端口213.3.4 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的PLC外部電路設(shè)計(jì)223.3.5 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)各部分的PLC控制234 系統(tǒng)抗干擾措施254.1 PLC的抗干擾254.1.1 PLC的干擾來源254.1.2抗干擾的主要措施254.2 變頻器的抗干擾及其防止264.2.1變頻器干擾來源264.2.2 干擾信號(hào)的傳播方式274.2.3抗干擾措施275 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試285.1 提

14、升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制程序流程285.1.1 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的中斷子程序功能285.1.2 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障處理子程序功能285.2 提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的程序調(diào)試306 結(jié)論32謝 辭34參考文獻(xiàn)35唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)1 引言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(duì)安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個(gè)廠或國家的傳動(dòng)控制技術(shù)水平，因此世界各大公司紛紛將新的、成熟的技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)電控系統(tǒng)。1.1.1我國礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀 在礦業(yè)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

15、礦山生產(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，我國的礦井提升機(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(dòng)，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(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組（F-D機(jī)組）供電，采用晶閘管整流傳動(dòng)（SCR-D）的只占一部分。 傳統(tǒng)交流拖動(dòng)系統(tǒng)的顯著缺點(diǎn)是：調(diào)速性能差，調(diào)速時(shí)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(cè)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(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)特性曲線軟，在次同步狀態(tài)下無法產(chǎn)生有效的制動(dòng)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(dòng)力制動(dòng)或低頻

16、拖動(dòng)加制動(dòng)的方式完成減速、爬行和停車。目前在用的動(dòng)力制動(dòng)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)速困難、維護(hù)量大的問題。傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差的另一個(gè)原因是安全保護(hù)、閉鎖及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)想混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。 在實(shí)施提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)技術(shù)改造時(shí)，即要有超前一步的意識(shí)緊盯國際先進(jìn)水平，也要考慮我國的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)符合我國國情的提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)代化 盧燕,顧善發(fā),盧光華 礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)J黃金; 2001年02期; 26-29。 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)已逐步應(yīng)用于礦井

17、提升機(jī)中。目前，國外已達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，使整個(gè)拖動(dòng)控制產(chǎn)生一次變革。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)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)施，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(gè)位置控制，要保證提升容量在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前的控制誤差小于2厘米。采用微機(jī)控制，可通過采集各種傳感信號(hào)，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(hào)進(jìn)行處理，可計(jì)算出容量準(zhǔn)確的位置而實(shí)施控制和保護(hù)。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(jì)特別

18、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)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： 1) 提升過程中各工況參數(shù)監(jiān)視；2) 各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；3) 各傳感器信號(hào)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(duì)各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、保留和打印輸出。 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(shí)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(duì)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)在大多數(shù)企業(yè)都采用兩臺(tái)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(shí)都能

19、準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動(dòng)。 1.2 存在的問題及最新發(fā)展 礦井提升機(jī)是金屬和非金屬礦生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備。提升機(jī)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(duì)行程監(jiān)測(cè)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，致使提升機(jī)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(huì)發(fā)生提升機(jī)超速、過卷事故，造成箕斗的損壞，影響礦井正

20、常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡。 所以提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究一直是社會(huì)中關(guān)注的一個(gè)重大課題。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(dòng)運(yùn)行，避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損，防止較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長提升機(jī)機(jī)械的使用壽命。隨著礦井提升系統(tǒng)的自動(dòng)化，改善提高的性能，以及提高提升機(jī)設(shè)備的提升能力等的要求，對(duì)電氣傳動(dòng)方式提出了更高的要求。對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，可靠性要求高等 劉瑞國，孫玉霞，劉芒果礦井提升機(jī)TKD-A斜井電控系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)

21、改造M煤礦機(jī)械,2004，(12)。 目前，我國地下礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有：對(duì)于大型提升機(jī)，主要采用晶閘管變流器直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)矢量控制交交變頻傳動(dòng)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)控制系統(tǒng)的高自動(dòng)化運(yùn)行，效率高，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，運(yùn)行可靠性高，但造價(jià)昂貴，中小礦井難以承受。對(duì)于中、小型提升機(jī)，則多采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)切換電阻調(diào)速的交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。 將交流調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)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，交直交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開始在礦井提升機(jī)改造中應(yīng)用。變頻

22、器的調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒加速或恒減速控制，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、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 史德嘉礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)的改造J 礦業(yè)研究與開發(fā); 2005年03期，61-62。 1.3 本文承擔(dān)的任務(wù) 在本文中，以煤礦礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)為背景，速度控制方法已經(jīng)非常成熟，但技術(shù)相對(duì)落后，基于PLC變頻調(diào)速在礦山通過拖議案提出的行程，速度和控制系統(tǒng)的應(yīng)用，介紹了一種新的礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。本設(shè)計(jì)的主要工作有：1、提升機(jī)

23、電控系統(tǒng)主電路部分 結(jié)合非金屬礦生產(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)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)。 2、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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STEP7來完成的。對(duì)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(jì)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。提升機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)隊(duì)安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設(shè)計(jì)部分應(yīng)有對(duì)其系統(tǒng)故障診斷處理內(nèi)容。 3、 提升機(jī)速度給定方式分析 由于礦山生產(chǎn)過程中，

24、提升機(jī)所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機(jī)的牽引力也就不同，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，提升速度也應(yīng)能即使進(jìn)行控制。 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(cè)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(duì)制約提升機(jī)安全的主要環(huán)節(jié)設(shè)置減速、超速報(bào)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(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障來源進(jìn)行時(shí)時(shí)刻刻地監(jiān)視。礦井提升機(jī)的設(shè)計(jì)能夠解決實(shí)際生產(chǎn)問題，其控制單元采用了目前適用的工業(yè)PLC控制單元來控制電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其電力拖動(dòng)單元采用先進(jìn)的變頻驅(qū)動(dòng)器，優(yōu)化了礦井提升機(jī)速度控制性能。擺脫原來控制系統(tǒng)

25、中的交流接觸器和調(diào)速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，降低了噪音和溫度；分段預(yù)設(shè)頻率，按根據(jù)負(fù)載情況實(shí)現(xiàn)連續(xù)平穩(wěn)調(diào)速，無機(jī)械沖擊現(xiàn)象，達(dá)到了低壓低頻啟動(dòng)和停止，停車操作更穩(wěn)定;啟動(dòng)和加速時(shí)的沖擊電流小，可使得礦井提升機(jī)在重載下從低速無級(jí)調(diào)速至最大速度。目前，這種方法是現(xiàn)代交流傳動(dòng)控制中比較先進(jìn)的速度控制方式。安全，可靠，高效和經(jīng)濟(jì)的礦井提升機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的追求目標(biāo)。2 礦井提升機(jī)系統(tǒng)的控制要求2.1 礦井提升機(jī)結(jié)構(gòu)介紹 礦井提升機(jī)可分為豎井提升機(jī)和斜井提升機(jī)兩種。礦井提升機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動(dòng)系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測(cè)速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組

26、成，采用交流或直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機(jī)和摩擦式礦井提升機(jī)。纏繞式礦井提升機(jī)有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個(gè)容器。雙筒的每個(gè)卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個(gè)容器，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)一個(gè)容器上升，另一個(gè)容器下降。纏繞式礦井提升機(jī)大多用于年產(chǎn)量在120萬噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機(jī)的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個(gè)容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機(jī)根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房設(shè)在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機(jī)（機(jī)房

27、直接設(shè)在地面上）兩種。按提升繩的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機(jī)和多繩摩擦式礦井提升機(jī)。后者的優(yōu)點(diǎn)是：可采用較細(xì)的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機(jī)組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產(chǎn)120萬噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機(jī)。目前，我國單繩纏繞式提升機(jī)，廣泛采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，提升過程一般包括：起動(dòng)、加速、勻速、減速、爬行和停車幾個(gè)主要環(huán)節(jié)。2.2 礦井提升機(jī)速度和受力分析 2.2.1 提升機(jī)的速度分析 提升設(shè)備在一個(gè)提升循環(huán)內(nèi)的運(yùn)行規(guī)律是用提升速度圖來表示的，如圖2.1表示提升速度與提升時(shí)間變化的關(guān)系。 圖2.1 提升機(jī)速度圖分為五個(gè)階段：階段：為主加速

28、階段運(yùn)行時(shí)間，此時(shí)加速度 較大，速度一直從0加速到最大的。重車從井底開始上行，重車起動(dòng)后，開始持續(xù)加速到變頻器的設(shè)定頻率為，在此期間提升機(jī)的速度逐漸加快。階段：為勻速階段運(yùn)動(dòng)時(shí)間，即容器以最大提升速度 等速運(yùn)行的時(shí)間。上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)保持電動(dòng)狀態(tài)，重車提升機(jī)以額定運(yùn)行速度穩(wěn)定運(yùn)行。下放時(shí)， 由測(cè)速發(fā)電機(jī)反應(yīng)轉(zhuǎn)子下放速度，當(dāng)速度高于時(shí)，增大勵(lì)磁電流，提高制動(dòng)力矩，使箕斗勻速運(yùn)行。一般這段過程最長。階段：為主減速階段運(yùn)行時(shí)間，即容器以最大提升速度減速運(yùn)行的時(shí)間。重車快到井口時(shí)減速階段，重車減速到低速，進(jìn)入爬行階段。如減速時(shí)間設(shè)置較短的時(shí)，變頻器制動(dòng)單位和制動(dòng)電阻起作用，以防因減速過快而跳閘。階段：為

29、爬行階段運(yùn)行時(shí)間。重車以變頻器頻率為速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。 階段：為抱閘停車階段時(shí)間。到達(dá)停車位置時(shí)，變頻器立即停車，重車減速到零，制動(dòng)系統(tǒng)閘制動(dòng)。操作人員發(fā)一個(gè)聯(lián)絡(luò)信號(hào)到井底，整個(gè)提升過程結(jié)束。 2.2.2 提升機(jī)的受力情況 根據(jù)動(dòng)力學(xué)方程式 (2.1)式中 -電動(dòng)機(jī)電動(dòng)力矩；-傳動(dòng)系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩；-傳動(dòng)系統(tǒng)的飛輪力矩，其中J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()，為重力加速度；-傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；-加速度?？梢缘贸霭唇o定速度圖所需轉(zhuǎn)矩的特性，從而可以得到拖動(dòng)系統(tǒng)所需的力，提升機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)給定速度圖、力圖如圖2.2所示。 (a)(b)（c）圖2.2 提升機(jī)給定力圖圖中（a），（b），（c）為提升機(jī)的給

30、定力圖。其中（a）為靜負(fù)載力矩比較大的情況；（b）為靜負(fù)載力矩比較小的情況；（c）為下放重物的情況。 顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩不同，且在一個(gè)提升循環(huán)中，在不同階段電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)力矩的極性也在變化，礦井提升機(jī)要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)能滿足四象限運(yùn)行的條件。 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(duì)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。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. 最大速度符合歸家有關(guān)安全生產(chǎn)規(guī)程的規(guī)定。立井升降物料時(shí)，提升容器的最大速度，不得超過用下列公式所求得的數(shù)值：

31、 （2.2） v-最大提升速度，m/s； H-提升高度，m。3. 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)。4. 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。5. 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)。6. 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

32、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)。7. 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。2.3 礦井提升機(jī)的調(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(jià)格也高低相差懸殊。所以在選用調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)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

33、電阻調(diào)速、模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩等。2.3.1 傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)在加速過程中，交流接觸器KM1，KM2，KM3，KM4逐級(jí)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)子回路中串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)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(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的主電路結(jié)構(gòu)如圖2.3所示：圖2.3 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速圖2.3.2 模糊控制調(diào)速系統(tǒng)在對(duì)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變化率。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)

34、行比較得到誤差信號(hào)e、誤差變化率，把誤差信號(hào)和誤差變化率的精確值模糊化變成模糊量E、EC再進(jìn)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(hào)u，送入控制電路。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，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合非線性系統(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(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，若要提高精度，則必然增加量化級(jí)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(shí)控制。實(shí)現(xiàn)模糊控制的原理框圖如下圖所示： 圖2.4 模糊控制原理框圖 2.3.3 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，

35、采用定子磁場定向，借助于離散的兩點(diǎn)式控制產(chǎn)生脈寬信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)能性態(tài)。其控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際情況，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號(hào)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(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖2.5 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.3.4 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)變頻器是利用電力半導(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。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交直交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路

36、一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無功功率 陳立香 變頻和調(diào)壓相結(jié)合的調(diào)速方法在煤礦提升機(jī)的應(yīng)用M煤礦機(jī)電，2005，(02)。結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖2.6 變頻器的基本結(jié)構(gòu)2.3.5 礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的確定轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速方法調(diào)速范圍小，串入電阻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變“軟”，使負(fù)載變動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，而且調(diào)速效率較低。信息簡單的模糊控制調(diào)速處理會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，若要提高精度，則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則

37、搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)比較器，會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間之后,電機(jī)的溫度升高,定子電阻的阻值發(fā)生變化,使定子磁鏈的估計(jì)精度降低，也會(huì)導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動(dòng)，同時(shí)逆變器開關(guān)頻率低也會(huì)造成轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)電源功率因數(shù)大，所需電源容量小，可以組成高性能控制系統(tǒng)。同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，并且能夠達(dá)到節(jié)能的效果。本設(shè)計(jì)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)，對(duì)各種調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行分析和比較，最終確定了提升機(jī)系統(tǒng)的整體控方案：變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。采用PLC與變頻器相結(jié)合的控制方案對(duì)傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進(jìn)

38、行改造，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率，成功實(shí)現(xiàn)了提升電動(dòng)機(jī)大范圍的無級(jí)平滑調(diào)速，在運(yùn)行過程中能隨時(shí)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載情況，使電機(jī)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，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(duì)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。因此本次設(shè)計(jì)選用交流電動(dòng)機(jī)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)。 交-直-交變頻器的工作原理是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術(shù)，先將工頻電源經(jīng)過二極管整流成直流電，再由電力電子器件把直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電源 閆廣，王公華，李兆峰PLC在副井提升機(jī)信號(hào)及綜合保護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用J工礦自動(dòng)化，2002,(03)。3 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)礦井提升機(jī)也

39、稱礦井卷揚(yáng)機(jī)。作為井上與井下的唯一輸送通道，使得礦井提升機(jī)成為礦山的關(guān)鍵設(shè)備之一，也是礦山的咽喉部位。礦井提升機(jī)運(yùn)行性能的優(yōu)劣，不僅直接影響到礦山的正常生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量，而且還與設(shè)備及人身安全密切相關(guān)。礦井提升機(jī)工藝工況圖如圖3.1所示：圖3.1 工藝工況圖 根據(jù)礦山實(shí)際情況礦井提升機(jī)提升最大高度大約在480m，根據(jù)公式2.2得出最大提升速度為7.9m/s，為安全起見，最大提升速度取7m/s。礦井提升機(jī)系統(tǒng)框圖主要包括主電動(dòng)機(jī)、動(dòng)力制動(dòng)電源、PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、換向器和操作臺(tái)等。系統(tǒng)框圖如下圖：圖3.2 系統(tǒng)框圖主電動(dòng)機(jī)：為箕斗的提升和下降提供機(jī)械力，根據(jù)實(shí)際需要這里選擇使用額定電壓，額定電流輸

40、出功率為，電動(dòng)機(jī)效率,功率因數(shù)，額定轉(zhuǎn)速的三相鼠籠式異步交流電動(dòng)機(jī)。 變頻器：是動(dòng)力站的能量供給單元，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(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 操作臺(tái)：操作臺(tái)設(shè)置五個(gè)按鈕，分別用于變頻器的啟動(dòng)、停止、復(fù)位，箕斗的上升和下降控制。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(duì)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。 旋轉(zhuǎn)編碼器：旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給變頻器。變頻器通過該信號(hào)可以計(jì)算出提升機(jī)的速度是否達(dá)到要求，做出知否補(bǔ)償?shù)呐?/p>

41、斷。換向器：在變頻器的輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，換向器切入，主電動(dòng)機(jī)直接接工頻電，達(dá)到節(jié)能目的。3.1 提升機(jī)變頻控制部分設(shè)計(jì)3.1.1變頻器簡介變頻調(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(duì)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

42、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(hào)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(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)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：1 U/F=C的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)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

43、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(huì)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。 2 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)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。 3 矢量控制(V

44、C)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)反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(cè)，

45、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。4 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

46、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。5 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)現(xiàn)的。3.1.2 變頻調(diào)速基本原理由電機(jī)學(xué)的基本公式： （3.1）式中電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)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

47、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(huì)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(cè)

48、異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，對(duì)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(duì)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(duì)響應(yīng)的快速性要求不高的系統(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(duì)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(duì)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

49、通的閉環(huán)控制，無需檢測(cè)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(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識(shí)、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(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制，通過轉(zhuǎn)矩誤差、磁通控制誤差，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(duì)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

50、困難就在于低速性能不理想。礦井提升機(jī)需要具有良好的調(diào)速性能。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大。所以變頻器控制方式的選擇上選擇V/F控制。變頻器采用V/F控制方式時(shí)，結(jié)構(gòu)非常簡單，對(duì)電機(jī)參數(shù)依賴不大，能夠滿足提升機(jī)各運(yùn)行階段。3.1.3 提升機(jī)變頻器的選擇在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻器必須同時(shí)滿足下列三項(xiàng)要求。滿足負(fù)載輸出要求，按下式確定： （3.2）滿足電動(dòng)機(jī)容量要求，按下式確定： (3.3) 滿足電動(dòng)機(jī)電流要求，另外礦用提升機(jī)屬于頻繁啟動(dòng)、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選擇應(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： （3.4）式中：:變頻器容量（kVA）；:負(fù)載要求

51、的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率（kW）；：電動(dòng)機(jī)額定電壓（V）；:電動(dòng)機(jī)額定電流（A）；:電動(dòng)機(jī)效率（通常約為0.85）；：電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（通常約為0.75）；：電流波形補(bǔ)償系數(shù)（PWM控制方式時(shí)，取1.05-1.1）； ：變頻器額定輸出電流（A）；：各運(yùn)行狀態(tài)的平均電流（A）； ：各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間；：安全系數(shù)（運(yùn)行頻繁時(shí)取1.2，其它條件下為1.1）?？紤]到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)，變頻器容量取電動(dòng)機(jī)容量的1.4 倍，按照本系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率，選用150kW 以上的變頻器。本調(diào)速控制系統(tǒng)變頻器選用德國的西門子公司生產(chǎn)的MM440（MICROMASTER MM440)通用變頻器，可以對(duì)0.129

52、0kW 或90250kW 的電機(jī)進(jìn)行控制。3.1.4變頻器的調(diào)試參數(shù)的復(fù)位，將變頻器參數(shù)恢復(fù)到出廠狀態(tài)下的默認(rèn)值的操作。一般在變頻器出廠和參數(shù)出現(xiàn)混亂的時(shí)候進(jìn)行此操恢復(fù)出廠設(shè)置值：表3.1 恢復(fù)出廠設(shè)置參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)號(hào)設(shè)置參數(shù) 用戶的參數(shù)訪問級(jí)P00031調(diào)試用的參數(shù)過濾器P001030復(fù)位為工廠設(shè)定值P09701在本控制系統(tǒng)中，變頻器采用本次操作板（BOP）進(jìn)行調(diào)試。BOP具有5位數(shù)字的七段顯示，用于顯示參數(shù)的序號(hào)和數(shù)值、報(bào)警和故障信息，以及參數(shù)的設(shè)定值和實(shí)際值。BOP不能儲(chǔ)存參數(shù)的信息 MICROMASTER 440 變頻器0.12 kW - 200 kW使用手冊(cè) 。參數(shù)設(shè)置如下表所

53、示：表3.2 BOP參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)號(hào)設(shè)置參數(shù) 選擇命令源P07001在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通過逐漸升高（降低）頻率來實(shí)現(xiàn)升速（降速）過程。如希望升速（降速）過程保持平穩(wěn)而且不會(huì)電流過大，必須控制同步轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)差，使其在一定范圍內(nèi)。如果頻率上升（下降）過快，由于慣性，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟不上同步轉(zhuǎn)速的上升，使轉(zhuǎn)差太大，導(dǎo)致升速電流超過允許值，可能產(chǎn)生過電流。通?？晒┻x擇的升速（降速）功能從兩方面考慮：升速（降速）時(shí)間和升速（降速）方式。升速（降速）時(shí)間。升速（降速）時(shí)間是從0HZ到基本頻率之間變化的時(shí)間。時(shí)間越短，頻率變化越快，越容易過電流。升速（降速）方式。升速（降速）有三種方式：線性

54、方式、S形方式和半S形方式。如圖3.3所示：圖3.3 升速（降速）方式線性方式：在升速（降速）過程中，頻率時(shí)間呈線性關(guān)系，如圖3.3中曲線1。S形方式：在開始和結(jié)束階段升速（降速）過程較緩慢，中間階段按線性方式升速（降速），升速（降速）呈S形，如圖3.3中曲線2。半S形方式：在開始階段升速（降速）過程較緩慢，中間和結(jié)束階段按線性方式升速（降速），升速（降速）過程呈半S形，如圖3.3中曲線3所示。由于提升機(jī)是大慣性負(fù)載，在啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，所需要的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩較大，所以選擇半S形方式。依據(jù)變頻器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定。取加速度，則達(dá)到最大速度需要7s，既；根據(jù)礦井提升機(jī)安全規(guī)范提升機(jī)的爬行速度設(shè)定為0.2m/s,加速度大小不變方向取反，則從最大速度減速到爬行速度，需要時(shí)間6.8s，既；設(shè)定爬行時(shí)間，停車時(shí)間；最后根據(jù)計(jì)算得出以上升的時(shí)間?？焖僬{(diào)試參數(shù)設(shè)置如下表所示：表3.3 快速調(diào)試參數(shù)設(shè)置參數(shù)名稱參數(shù)號(hào)設(shè)置參數(shù) 用戶的參數(shù)訪問級(jí)P00033調(diào)試用的參數(shù)過濾器P00101參數(shù)過濾器P00040適用于歐洲/北美地區(qū)P01000變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域P02051電動(dòng)機(jī)類型P03001電動(dòng)機(jī)額定電壓P0304380電動(dòng)機(jī)額定電流P0305380電動(dòng)機(jī)額定功率P030790電動(dòng)機(jī)額定功率因數(shù)P03080.75電動(dòng)機(jī)額定效率P03090.85電動(dòng)機(jī)額定頻率P031050電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速P031