PLC控制的變頻調(diào)速畢業(yè)設(shè)計方案論文

1、第一章 緒論1.1 課題來源國內(nèi)提升機電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式電機繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多的問 題:l)轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。2)電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機械沖 擊。3)繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成 本較高。4)交流繞線異步電動機的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故。5)電動機依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。6)提升容器通過給定的減速點時，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

2、常裝卸載。上述問題使提升機運行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研 制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機運行的可靠性和安全性得到提高。在提 升機控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機控制系統(tǒng) 進(jìn)行升級換代。就計算機技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況而言，可編程控制器(PLC)是目前作為工 業(yè)控制最理想的機型，它是采用計算機技術(shù)、按照事先編好并儲存在計算機內(nèi) 部一段程序來完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機控制，配合一 些提升機專用電子模塊組成的提升機控制設(shè)備，可供控制高壓帶動力制動或低 頻制動，單、雙機

3、拖動等。操作、監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)選用可編程控制器。主 控計算機應(yīng)用軟件能完成提升機自動、半自動、手動、檢修、低速爬行等各種 運動方式的控制要求。本設(shè)計將在PLC電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置， 運用現(xiàn)在先進(jìn)的矢量 控制技術(shù)，不但適合提升機運行工藝的要求，還將解決整套提升機系統(tǒng)的電力 拖動方面的一系列問題。1.2 國內(nèi)外提升及研究狀況近三十年來，國外提升機機械部分和電氣部分都得到了飛速的發(fā)展，而且 兩者相互促進(jìn)，相互提高。起初的提升機是電動機通過減速器傳動卷筒的系 統(tǒng)，后來出現(xiàn)了直流慢速電動機和直流電動機懸臂安裝直接傳動的提升機。上 世紀(jì)七十年代西門子發(fā)明矢量控制的交一直一交變頻原理后，標(biāo)志著

4、用同步電 動機來代替直流電機實現(xiàn)調(diào)速的技術(shù)時代已經(jīng)到來。1981年第一臺用同步機懸 臂傳動的提升機在德國Monopol礦問世，1988年由MAVGHH和西門子合作制 造的機電一體的提升機(習(xí)慣稱為內(nèi)裝電機式)在德國Romberg礦誕生了，這是 世界上第一臺機械和電氣融合成一體的同步電機傳動提升機。在提升機機械和 電氣傳動技術(shù)飛速發(fā)展的同時，電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使提升機的電 氣控制系統(tǒng)更是日新月異。早在上世紀(jì)七十年代，國外就將可編程控制器(PLC)應(yīng)用于提升機控制。上世紀(jì)八十年代初，計算機又被用于提升機的監(jiān)視和管 理。計算機和PLC的應(yīng)用，使提升機自動化水平、安全、可靠性都達(dá)到了一個 新

5、的高度，并提供了新的、現(xiàn)代化的管理、監(jiān)視手段。特別要強調(diào)的是，此時 期在國外一著名的提升機制造公司，如西門子、ABB、ALSTHOM都利用新的技術(shù)和裝備，開發(fā) 或完善了提升機的安全保護(hù)和監(jiān)控裝置，使安全保護(hù)性能又有了新的提高。就在國外科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)發(fā)展的時候，我國提升機電控系統(tǒng)很長時間都 處于落后的狀況。直到目前為止，我國正在服務(wù)的礦井提升機電控系統(tǒng)大多數(shù) 還是轉(zhuǎn)子回路串金屬電阻的交流調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。國產(chǎn)提升機 安全性、可靠性差，在關(guān)鍵部位一上下兩井口減速區(qū)段沒有配套的有效的速度 監(jiān)視裝置，就提升機控制技術(shù)而言，依然是陳舊的，和國外相比，我們存在很 大的差距。礦井提升系統(tǒng)的類型

6、很多，按被提升對象分：主井提升、副井提升。按井筒 的提升道角度分：豎井（如圖1.1所示為豎井井架設(shè)備）和斜井。按提升容器分：箕 斗提升、籠提升、礦車提升。按提升類型分：單繩纏繞式和多繩摩擦式等。我國 常用的礦用提升機主要是單繩纏繞式和多繩摩擦式。我國的礦井與世界上礦業(yè) 較發(fā)達(dá)的國家相比，開采的井型較小、礦井提升高度較淺，煤礦用提升機較 多，其他礦（如金屬礦、非金屬礦）則較少。因此在20世紀(jì)60年代開始單繩纏繞 式礦井提升機采用較多。（1）井架（2）天輪目前我國提升機90%以上均采用交流繞線式異步電動機的拖動方式，其電控系 統(tǒng)用于單繩纏繞式提升機的有TKD系列，多繩磨擦式提升機的有JKM、幻J系

7、 列。這幾種提升機通常在電動機轉(zhuǎn)子回路中串接附加電阻進(jìn)行起動和調(diào)速。串 電阻調(diào)速是一種恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法轉(zhuǎn)子功率的損耗隨著串入的電阻的增大而增 大。盡管轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方法很不經(jīng)濟，低速特性也很軟，穩(wěn)定性差，但是由 于這種調(diào)速方法比較簡單易行，起動轉(zhuǎn)矩較大在拖動起重機等中、小容量的繞 線式異步電動機中仍然應(yīng)用廣泛。20世紀(jì)80年代，我國從瑞典、西德等國引進(jìn)20多套晶閘管一直流電動機 控制系統(tǒng)。直流電動機傳動有兩種電控系統(tǒng)，一種為直流發(fā)電機一直流電動機 機組，另一種為晶閘管一直流電動機系統(tǒng)。 我國自己生產(chǎn)的晶閘管一直流電動 機控制系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀(jì)90年代。這種控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：體積小、重量輕、占地面

8、積小?；A(chǔ)省、安裝方便、建筑費用低。無齒輪傳動部分（不需要減速器）、總效率高、電能消耗少。單機容量大，適用范圍廣。調(diào)速平穩(wěn)、調(diào)速范圍 廣、調(diào)速精度高。易于控制，能實現(xiàn)自動化，安全可靠。節(jié)約電能。礦井提升機對安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機電控系 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。比較國內(nèi) 外礦用提升機系統(tǒng)，具體來說國外礦井提升機在電控方面的應(yīng)用特點有以下幾 個方面：1）提升工藝過程微機控制提升工藝過程大都采用微機控制，由于微機功能強，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現(xiàn)的。2）提升行程控制提升機的控制從本質(zhì)上說

9、是一個位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點準(zhǔn) 確停車，要求準(zhǔn)確度高，目前可達(dá)到_ 2cm。采用微機控制，可通過采集各種傳感信號，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、井筒、滾筒及鋼絲繩磨損等信號進(jìn) 行處理，計算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。一般過程控制用微機作監(jiān) 視，行程控制也采用單獨下位機完成。3）提升過程監(jiān)視提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機控制的重要環(huán)節(jié)。提升過程 采用微機主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：a、提升過程中各工況參數(shù)（如速度、電流）監(jiān) 視:b、各主要設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)視。c、各傳感器（如位置開關(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

10、存儲、保留或打印輸出。甚至與上位機聯(lián)網(wǎng)，合并于礦井監(jiān)測系統(tǒng)中。4）安全回路安全回路是指提升機在出現(xiàn)機械、電氣故障時控制提升機進(jìn)入安全保護(hù)狀 態(tài)的極為重要的環(huán)節(jié)。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。安全回路極為重要，它是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，英、德幾家公司都 采用兩臺PC微機構(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 是提升機還是安全回路本身出項故障時都能準(zhǔn)確地實施安全制動。而在電力拖動方面，近幾年國外出現(xiàn)了不少新拖動方式，交一交變頻供電 方式就是最有前途的一種。20世紀(jì)80年代西歐一些工業(yè)先進(jìn)國家將交流變頻 調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于提升機，有代表性的是西門子公司和ABB公

11、司。我國在20世紀(jì)90年代也引進(jìn)了交流變頻調(diào)速提升機控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速方式類似于它勵直 流電動機取得很寬的調(diào)速范圍、很好的調(diào)速平滑性和有足夠硬度的機械特性， 在提升機應(yīng)用中顯示了其獨特的優(yōu)勢。1.3 本文內(nèi)容及研究意義1.3.1 研究內(nèi)容當(dāng)前國內(nèi)提升機電控絕大多數(shù)還是轉(zhuǎn)子回路串電阻分段控制的交流繞線式 電機繼電器接觸器系統(tǒng)，設(shè)備陳舊、技術(shù)落后。而且這種控制方式存在著很多 的問題：1）轉(zhuǎn)子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。2）電阻分級切換，為有級調(diào)速，設(shè)備運行不平穩(wěn)，容易引起電氣及機械沖 擊。3）繼電器、接觸器頻繁動作，電弧燒蝕觸點，影響接觸器使用壽命，維修成 本較咼。4）交流繞線異步電動機

12、的滑環(huán)存在接觸不良問題，容易引起設(shè)備事故。5）電動機依靠轉(zhuǎn)子電阻獲得的低速，其運行特性較軟。6）提升容器通過給定的減速點時，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。上述問題使提升機運行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需 要研制更加安全可靠的控制系統(tǒng)，使提升機運行的可靠性和安全性得到提高。 在提升機控制系統(tǒng)中應(yīng)用計算機控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)，對原有提升機控制 系統(tǒng)進(jìn)行升級換代。就計算機技術(shù)在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用情況而言，可編程控制器（PLC）是目前作為工業(yè)控制最理想的機型，它是采用計算機技術(shù)、按照事先編好并儲存在計算機內(nèi)部一段程序來

13、完成設(shè)備的操作控制。采用PLC控制，硬件簡潔、軟件靈活性強、調(diào)試方便、維護(hù)量小，PLC技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種提升機控制，配合一些提升機專用電子模塊組成的提升機控制設(shè)備，可供控制高 壓帶動力制動或低頻制動，單、雙機拖動等。操作、監(jiān)控和安全保護(hù)系統(tǒng)選用 可編程控制器。主控計算機應(yīng)用軟件能完成提升機自動、半自動、手動、檢 修、低速爬行等各種運動方式的控制要求。圖1.3礦用提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng) 而在PLC電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配合變頻調(diào)速裝置，運用現(xiàn)在先進(jìn)的矢量控制技 術(shù)，不但適合提升機運行工藝的要求，還將解決整套提升機系統(tǒng)的電力拖動方 面的一系列問題。如圖1.3所示，變頻裝置取代復(fù)雜的串聯(lián)電阻切換裝置，

14、對 提升機運行速度曲線、轉(zhuǎn)矩大小的要求都由變頻器來完成，簡化了控制操作流 程，提高了控制精度。1.3.2 研究意義在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，目前山西省各大煤礦的礦井提升機系統(tǒng)的調(diào)速方案大多采 用繼電器接觸器控制的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。該方案耗能大，占地面積大，已不能 適應(yīng)現(xiàn)代礦業(yè)發(fā)展的需要。因此有必要對其調(diào)速方案進(jìn)行改造。在廣泛考察現(xiàn) 行的變頻調(diào)速方案后，本文提升機系統(tǒng)控制單元采用目前工控適用的可編程控 制器來控制，具有編程簡單和控制可靠性高的優(yōu)點。電力拖動系統(tǒng)中，選用先 進(jìn)的變頻傳動裝置，運用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能，這一 控制方法目前仍為現(xiàn)代交流調(diào)速的重要研究方向之一。采用先進(jìn)的工業(yè)計算機、

15、現(xiàn)場總線和工業(yè)自動化技術(shù)，按照結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品系列化、性能現(xiàn)代化、體積小型化的原則，研制生產(chǎn)適合礦井提升機電控 設(shè)備是進(jìn)行技術(shù)改造和新建礦井設(shè)備選型的理想選擇。使用上位機監(jiān)控系統(tǒng)， 采用組態(tài)模式，實現(xiàn)良好的人一機對話。實時監(jiān)控提升機的運行狀態(tài)，上位機 動態(tài)模擬顯示及故障閉鎖?？蛇M(jìn)行故障報警、數(shù)據(jù)查詢、報表打印。記錄提升 鉤數(shù)以及每班、每日、每月、每年的提升量累計。故障聲光指示、記憶及部分 傳感器上位機的緊急處理。為保證提升設(shè)備無事故，在提升設(shè)備有可能出現(xiàn)故 障的各個重要環(huán)節(jié)上，設(shè)置雙回路系統(tǒng)，并在系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)上設(shè)有各種檢 測、控制、自診斷以及記錄和保護(hù)裝置（如負(fù)載、速度、加減速、產(chǎn)量、運行時

16、間等記錄）。本文從解決實際礦井提升系統(tǒng)存在的問題出發(fā)，對傳統(tǒng)的調(diào)速方案進(jìn)行了 控制方式的革新和數(shù)字化改造，降低了成本，提高了控制精度，加強了系統(tǒng)穩(wěn)定性。表明本文所提出的設(shè)計方案具有實用價值。適用、經(jīng)濟、高效、可靠是本文提升機系統(tǒng)設(shè)計的追求目標(biāo)。提升機系統(tǒng)控制傳動控制- 7_提升系統(tǒng)第二章提升機的工況分析2.1 提升系統(tǒng)簡介礦井提升機可分為豎井提升機和斜井提升機兩種。目前，我國單繩纏繞式提升機，廣泛采用交流繞線式電動機拖動，提升過程一般包括：起動加速、勻速、減 速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。韶關(guān)一旅游景點的斜井提升觀覽車其提升和下 降的整個過程控制全部由可編程邏輯控制系統(tǒng)（PLC自動完成。觀覽車在

17、一長 度為400 m、坡度為35。的斜坡上運行,見圖2.1 ,其功能是在山頂與山底之 間運送游客。由于是載人提升機，因此，對電力拖動控制提出了較高的要求，必須做到平滑起動加速，平滑制動停車，不論是提升還是下降，提升機在斜坡 上的運行不得超出規(guī)定的時間。劇fl fi flX014 X004 X005圖 2.1觀覽車提升系統(tǒng)2.2提升機電動機運行方式提升機電動機的運行方式，主要根據(jù)系統(tǒng)的力圖來確定。（1） 加速階段。提升時為正力，采用電動加速。下放時為負(fù)力，若負(fù)力值較 小，可考慮自由加速，并配合使用盤式制動器，若負(fù)力值較大，則采用動力制 動加速。加速階段不實行閉環(huán)調(diào)節(jié)，而以時間、速度為函數(shù)，逐步短

18、接轉(zhuǎn)子附 加電阻，使提升電動機從零速升至全速。（2） 勻速階段。提升時為正力，采用電動拖動。下放時為負(fù)力，采用能耗制 動、閉環(huán)控制，單閉環(huán)速度控制系統(tǒng)由與距離有關(guān)的理想速度給定電路、速度 負(fù)反饋電路、PID調(diào)節(jié)器、移相觸發(fā)電路及雙向可控硅能耗制動電路組成，下放速度由PID調(diào)節(jié)。（3） 主減速階段。提升時為正力，采取逐級接入轉(zhuǎn)子附加電阻和機械制動的方式。下放時為負(fù)力，一方面接入轉(zhuǎn)子附加電阻，另一方面增大制動電流并輔以機械制動方式減速。(4)爬行階段。當(dāng)為正力時，轉(zhuǎn)子接入幾段附加電阻，由PLC控制運行。當(dāng) 為負(fù)力時，在能耗制動方式下接入轉(zhuǎn)子附加電阻。2.3提升機的速度圖和力圖合理地確定提升機的力圖

19、和速度圖，可以提高其運行的安全可靠性，以及減小電動機的功耗。2.3.1 提升機的速度圖(1)主加速階段七厶叭際惡匕時比。如圖2.2所示,正常提升時，接入第一級電阻R,電動機產(chǎn)生的力矩比阻力矩大3 %5 %,產(chǎn)生比較低的加 速度a0時,F Fc,加速運行。a 0時，F(xiàn) Fc,減速運行。根據(jù)以上分析,F =:f(t) 的力圖見圖2.3。2.4 礦井提升機對電氣控制系統(tǒng)的要求提升機控制系統(tǒng)方案的選用應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求，即滿足各種可能出現(xiàn) 的運行速度圖和力圖。所以需要先來分析提升機電控系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性。提升機的電氣傳動系統(tǒng)的給定速度，=f(t)如圖2.4所示，根據(jù)動力學(xué)方程式式中Te電動機電動力矩

20、。T|傳動系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩。Tn傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，Tn= 4gJ，其中J為轉(zhuǎn)性慣量(kg*m2)，g是重力加速度(m/s2)；Td傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩(N*m；?加速度；可以得出按給定速度圖所需轉(zhuǎn)矩Te=f(t)的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力F=f(t)，如圖2.4所示。提升機的負(fù)載靜力凡，決定于提升機輥筒承受的靜張力差，在雙罐籠的平 衡提升系統(tǒng)中，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，所以靜力凡的作用方向始終是提升重物的重力方向，而與系統(tǒng)的運動狀態(tài) 和方向無關(guān)。因此在電動機不帶電時，為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài)(便于罐籠的裝卸載)，對輥筒必須施加機械閘。從圖2.4可以

21、看出，要使提升機按照給定的速度圖運行，電動力矩雙可能 為正，也可能為負(fù)。這意味著電動機不僅要工作在電動狀態(tài)，還應(yīng)能工作在制 動狀態(tài)。由于不同的負(fù)載，不同的提升機運行階段，電動機的運行狀態(tài)也各不 相同。圖2.5表示出了平衡提升系統(tǒng)的四種不同的運行狀態(tài)。(l)重物上提，靜載量較大(Fd3舟FL)。其給定速度圖與力圖如圖2.5(a)所TdTe-T1Tn375在加速段尸“哇唱（FL0）其中Fdi為加速力矩與勻速力矩之差圖 2.4提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖加速力矩為：Fi二FLFdi0在勻速段，勻速力矩為：F FL0在減速段，F(xiàn)d3 0，但| Fd3|v FL,所以減速段力矩為：FFLFd30其中F

22、d3為減速力矩與勻速力矩之差在爬行段，爬行力矩為：F FL0根據(jù)此力圖可知，電動機在各段均工作在正向電動狀態(tài)。重物上提，靜載量較小（Fd3 FL）。其給定速度圖和力圖如圖2.5（b） 所示在加速段，加速力矩：FFLFdi0在勻速段，勻速力矩：FF10在減速段，減速力矩：Fd3：0,但| Fd3|FL，所以 IFd3l=|FLFd3l0（時間在爬行段，爬行力矩：F FL0根據(jù)力圖可知，電動機在加速段和等速段，工作在正向電動狀態(tài)。在減速 段，工作在正向制動狀態(tài)。在爬行段，又工作在正向電動狀態(tài)。也就是說，在 整個提升過程中，電動機的運行狀態(tài)應(yīng)切換兩次。（3）重物下放，靜載量較?。‵di.FL）。其給

23、定速度圖與力圖如圖2.5（C）所示在加速段：Fdi- 0, FL 0,Fdi| FL1Fi二FLFd10在勻速段：F - F10在減速段：1 Fd3| = | FLFd3|0，F(xiàn)d30在爬行段：F4二FL: 0根據(jù)力圖可知，電動機在加速階段，工作在正向電動狀態(tài)；在勻速、減 速和爬行階段均工作在正向制動狀態(tài)。重物下放，且靜載量較大（Fdi：FL）。其給定的速度圖和力圖如圖2.5（d）所示在加速段：Fdi0, FL: o,Fdi:|FL1F1 Fd1FL0在等速、減速和爬行段，F(xiàn)均為負(fù)。根據(jù)力圖可知，電動機在整個提升過 程中始終工作在正向制動狀態(tài)。要使提升機按給定速度圖運行，電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負(fù)

24、載的變化而自動 的工作在電tFb）imW 靜載較?。ㄐ男校┲乩丈咸幔o載盤較大（爲(wèi)VFJ朗董物下跟 靜鞍量較小L）（d癟物下險 養(yǎng)載嶽戦大（心弋氏）圖 2.5在不同負(fù)載下的給定速度圖和力圖動或制動狀態(tài)，也就是說要求電氣傳動系統(tǒng)能滿足四象限運行。綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產(chǎn)固有的特點，提升機工藝對提升機電 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，加速度a0.75m/ s2，升降物料時，加速度a 1.2m / s2。另外不得超過提升機的減速 器所允許的動力矩。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 各種運行方式及提升階段（如

25、加速、減速、等速、爬行等）穩(wěn)定運行的要求。3）有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，不可能待系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后再裝 加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。4）特性曲線要硬。要保證負(fù)載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負(fù)載不同時速降過大，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，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護(hù)。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特 性）。5）工作方式轉(zhuǎn)換容易。要能夠方便的進(jìn)行自動、半自動、手動、驗繩、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，易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效 率。具備必要的連鎖

26、和安全保護(hù)環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行。盡量節(jié)約能源和降 低運轉(zhuǎn)費用。第三章：可編程控制器簡介可編程控制器是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技 術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動控 制裝置。它面向控制過程、面向用戶、適應(yīng)工業(yè)環(huán)境、操作方便、可靠性高， 成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLG機器人和CAD/CAM之一。PLC控制技術(shù) 代表著當(dāng)前程序控制的先進(jìn)水平，PLC裝置已成為自動化系統(tǒng)的基本裝置。3.1PLC 的基本特點PLC的誕生給工業(yè)控制帶來革命性的飛躍，與傳統(tǒng)的繼電器控制相比有著突 出的特點.第一，靈活性、通用性強。繼電器控制系統(tǒng)如果工藝要求稍有變化

27、，控制電路必須隨之作相應(yīng)的變動，所有布線和控制柜極有可能重新設(shè)計，耗時且費力然 而是利用存儲在機內(nèi)的程序?qū)崿F(xiàn)各種控制功能的。因此當(dāng)工藝過程改變時，只需修改程序即可，外部接線改動極小，甚至可以不必改動，其靈活性和通用性是 繼電器控制電路無法比擬的。第二,可靠性高，抗干擾能力強繼電器控制系統(tǒng)中，由于器件的老化、脫 焊、觸點的抖動以及觸點電弧等現(xiàn)象是不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。而在控制系統(tǒng)中，大量的開關(guān)動作是由無觸點的半導(dǎo)體電路來完成的，加之在硬件和軟件方面都采取了強有力的措施，使產(chǎn)品具有極高的可靠性和抗干擾 能力可以直接安裝在工業(yè)現(xiàn)場穩(wěn)定地工作。PLC在硬件方面采取電磁屏蔽、光電隔離、多級

28、濾波等措施在軟件方面采取警 戒時鐘、故障診斷、自動恢復(fù)等措施，并利用后備電池對程序和數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，因此被稱為“專為適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的計算機”。第三,編程簡單,使用方便。PLC采用面向過程,面向問題的“自然語言”編 程方式,直觀易懂,主要采用梯形圖和語句表編寫程序,使得廣大電氣技術(shù)人員 更 容易接納和理解。同時設(shè)計人員也可根據(jù)自己的喜好和實際應(yīng)用的要求選擇其 他編程語言。 標(biāo)準(zhǔn)是編程語言的標(biāo)準(zhǔn),除了梯形圖!語句表之外,還存在順序流 程圖!結(jié)構(gòu)化文本和功能塊圖三種編程語言的表達(dá)方式。一個程序的不同部分 可用任何一種語言來描述,支持復(fù)雜的順序操作功能處理以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。第四,功能強大,可擴展。

29、的主要功能包括開關(guān)量的邏輯控制、模擬量控 制部分還具備控制或模糊控制功能、數(shù)字量智能控制、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、通 信、聯(lián)網(wǎng)及集散控制等功能。PLC的功能擴展也極為方便，硬件配置相當(dāng)靈活，根據(jù)控制要求的改變，可以 隨時變動特殊功能單元的種類和個數(shù),再相應(yīng)修改用戶程序就可以達(dá)到變換和 增加控制功能的目的。PLC以原有的繼電器、邏輯運算、順序控制為基礎(chǔ)逐步發(fā)展起來的。與繼 電器控制系統(tǒng)相比較,它以軟器件代替了硬器件,以軟觸點代替了硬觸點,以軟 接線代替了硬接線,從而使其器件、觸點的壽命達(dá)數(shù)萬甚至十萬小時,而改變接 線的速度則極為迅速。它是由計算機簡化而來的，又有著諸多自身獨特的優(yōu) 勢。如下所述：1.系列

30、化 各大生產(chǎn)公司一般都有小型、中型、大型三種系列產(chǎn)品.2.多處理器一般小型機是單處理器系統(tǒng)中型機是雙處理器系統(tǒng),包括位處理器和字處 理器大型機則為多處理器系統(tǒng),由字處理器!位處理器和浮點處理器等組成.3.較大的存儲能力4.很強的I/O口5.智能外圍接口6.網(wǎng)絡(luò)化PLC可連成功能很強的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，一般有低速網(wǎng)絡(luò)和高速網(wǎng)絡(luò)兩種。這兩類網(wǎng)絡(luò) 可級連,網(wǎng)上可兼容不同類型的和計算機,從而組成控制范圍很大的局域網(wǎng)絡(luò)。7.緊湊及高可靠性8.通俗化的編程語言和豐富的指令目前常用的有種3編程語言：1）順序控制用的梯形圖用以進(jìn)行邏輯運算,完成 時間上的順序控制2）適用于數(shù)值控制的系統(tǒng)流程圖,具有算術(shù)運算、比較、 濾

31、波等功能；3）類似匯編語言的指令表。3.2 PLC 的基本結(jié)構(gòu)PLC實質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計算機相 同，如圖3.1所示：a.中央處理單元（CPU）中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能 接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)；檢查電源、存儲器、I/O以及警 戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當(dāng)PLC投入運行時，首先 它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入I/O映象區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序， 經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí) 行邏輯或算數(shù)運算的結(jié)果送入I/O映象區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。等所有

32、的用戶程序 執(zhí)行完畢之后，最后將I/O映象區(qū)的各輸出狀態(tài)或輸出寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到 相應(yīng)的輸出裝置，如此循環(huán)運行，直到停止運行。為了進(jìn)一步提高PLC的可靠性，近年來對大型PLC還采用雙CPU構(gòu)成冗余 系統(tǒng)，或采用三CPU的表決式系統(tǒng)。這樣，即使某個CPU出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng) 仍能正常運行。b、存儲器存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應(yīng)用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。C、電源PLC的電源在整個系統(tǒng)中起著十分重要的作用。如果沒有一個良好的、可 靠的電源系統(tǒng)是無法正常工作的，因此PLC的制造商對電源的設(shè)計和制造也十分重視。一般交流電壓波動在+10%(+15%范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將P

33、LC直接連接到交流電網(wǎng)上去:PLC主機3.3PLC 的工作原理PLC一般采用循環(huán)掃描的工作方式。PLC上電后,執(zhí)行系統(tǒng)程序規(guī)定的任務(wù)，周而復(fù)始地掃描并執(zhí)行用戶程序。完 成一次掃描所用的時間稱為掃描周期。一次循環(huán)過程可歸納為五個階段，循環(huán)掃描過程為公共處理執(zhí)行用戶程序掃描周期計算輸入輸出刷新外設(shè)端口服務(wù)-公共處理。1.公共處理在公共處理階段，要進(jìn)行復(fù)位監(jiān)視定時器、硬件檢查、用戶內(nèi)存檢查等操 作。若有異常情況，故障顯示燈亮，判斷并顯示故障的性質(zhì)。若屬于一般性故障 則只報警，但不需要停機，可等待處理。2.執(zhí)行用戶程序外設(shè)接口亠中央處理取元存儲器系統(tǒng)程序| |用戶程序4I輸出單7C圖 3.1 PLC

34、的基本結(jié)構(gòu)圖執(zhí)行用戶程序階段,逐條解釋和執(zhí)行用戶程序,其所需的全部信息都是從 映像寄存器中讀取的.映像寄存器包括輸入映像寄存器和元件映像寄存器。輸入映像寄存器存儲 著輸入繼電器的通斷狀態(tài),輸入繼電器接通為1,斷開為0。元件映像寄存器存儲 著輸出繼電器、各種輔助繼電器等的狀態(tài),同樣用和表示它們的通斷狀態(tài)。PLC在執(zhí)行用戶程序時所需的外部輸入信息，不是直接從輸入端讀取的，而是 從輸入映像寄存器中讀取的。在每個掃描周期的I/O刷新階段,CPU從PLC輸入端讀取一次信息并存入輸入映像寄存器中。在此后的一個掃描周期中,盡管PLC輸入端的狀態(tài)可能發(fā)生過變化,但輸入映像寄存器中的數(shù)據(jù)也保持不變。同樣,所 需

35、的輸出繼電器或其他編程元件的狀態(tài)信息,是從元件映像寄存器中讀取的。在 執(zhí)行用戶程序過程中,根據(jù)用戶程序給出的邏輯關(guān)系進(jìn)行邏輯運算,運算結(jié)果再寫 入元件映像寄存器中?？梢?在一個掃描周期中元件映像寄存器中的內(nèi)容是可變 的。3.掃描周期的計算 在掃描周期的計算階段,若預(yù)先設(shè)定了掃描周期的值,則進(jìn)入等待,直至達(dá)到 該設(shè)定值時掃描再往下進(jìn)行若掃描周期設(shè)為不定時,則要進(jìn)行掃描周期的計算。4.I/O刷新在I/O刷新階段，主要作兩件事情.(1)讀各輸入點的狀態(tài) 從輸入電路中讀取各輸入點的狀態(tài)并將此狀態(tài)寫入輸入映像寄存器中,也就 是刷新輸入映像寄存器的內(nèi)容自此輸入映像寄存器就與外界隔離,無論輸入信 號的狀態(tài)怎

36、樣變化,輸入映像寄存器的內(nèi)容都保持不變,一直到下一個掃描周期的I/O刷新階段，才會寫進(jìn)新內(nèi)容(2)讀輸出元件映像寄存器中的狀態(tài) 將對應(yīng)輸出繼電器的元件映像寄存器的狀態(tài)傳送到輸出鎖存器電路中,再經(jīng) 輸出電路的隔離和功率放大送到的輸出端,驅(qū)動外部執(zhí)行元件動作。5.外設(shè)口服務(wù)在外設(shè)口服務(wù)階段,完成與外設(shè)口連接的外圍設(shè)備如編程器或通信適配器的 通信處理。完成上述各階段的處理后,又返回公共處理階段,周而復(fù)始的進(jìn)行掃 描。3.4 PLC 的分類PLC一般可按控制規(guī)模和結(jié)構(gòu)形式分類一、按PLC得控制規(guī)模分類按PLC的控制規(guī)模分類，PLC可分為小型機、中型機、大型機。通常小型機的控制點數(shù)小于256點，用戶程序

37、存儲器的容量小于8K字。小型機常用于 單機控制和小型控制場合，在通信網(wǎng)絡(luò)中常作從站。例如，西門子公司的S7- 200PLC屬于小型機。小型機中，控制點數(shù)小于64點的為超小型機或微型PLC中型機的控制點數(shù)一般在256點到2048點范圍內(nèi)，用戶程序存儲器的容 量小于50K字。中型機控制點數(shù)較多、控制功能強，常用于中型控制場合，在 通信網(wǎng)絡(luò)中可做主站也可做從站。例如，西門子公司的S7-300PLC就屬于中型機。大型機的控制點數(shù)在2048點以上，用戶程序存儲器的容量達(dá)50K字以 上。大型機控制點數(shù)多、功能很強、運算速度很快，常用于大型控制場合，在 通信網(wǎng)絡(luò)中常作主站。例如，西門子公司的S7-400PL

38、C就屬于大型機。以上分類沒有十分嚴(yán)格的界限，隨著PLC技術(shù)的飛速發(fā)展，這些界限會發(fā)生變更。二、按PLC得結(jié)構(gòu)形式分類PLC按結(jié)構(gòu)形式可分為整體式、模塊式和疊裝式三類。（1）整體式PLC整體式PLC是將電源、CPU、I/O部件集中在一個機箱 內(nèi)。其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、價格低。一般小型PLC采用這種結(jié)構(gòu)。整體式PLC由不同I/O點數(shù)的基本單元和擴展單元組成。基本單元內(nèi)有CPU、I/O和電源。擴展單元內(nèi)只有I/O和電源。整體式PLC一般配備有特殊功能單元，如模 擬單元、位置控制單元等，使PLC的功能得以擴展。例如，美國GE公司的GE- I/J系列PLC為整體式結(jié)構(gòu)。（2） 模塊式PLC模塊式結(jié)構(gòu)是將P

39、LC各部分分成若干個單獨的模塊，如電源模塊、CPU模塊、I/O模塊和各種功能模塊。模塊式PLC由機架和各種模 塊組成。模塊插在機架內(nèi)的插座上。模塊式PLC配置靈活，裝配方便，便于擴展和維修。一般大、中型PLC宜采用模塊式結(jié)構(gòu)，例如，西門子公司的S7-300PLC S7-400PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)形式。有的小型PLC也采用這種結(jié)構(gòu)。（3） 疊裝式PLC將整裝式和模塊式結(jié)合起來，成為疊裝式PLG它除了基本單元外還有擴展模塊和特殊功能模塊，配置比較方便。疊裝式PLC集整體式PLC和模塊式PLC優(yōu)點于一身，它結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、配置靈活、安裝方 便。西門子公司的S7-200PLC就是疊裝式結(jié)構(gòu)形式。3.

40、5 PLC 的接入方式電力線通信技術(shù)，英文簡稱PLC是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的 一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻加載于電流，然后用電線傳輸，接 受信息的調(diào)制解調(diào)器再把高頻從電流中分離出來，并傳送到計算機或電話上，以實現(xiàn)信息傳遞。該技術(shù)在不需要重新布線的基礎(chǔ)上， 在現(xiàn)有電線上實現(xiàn)數(shù) 據(jù)、 語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載， 也就是實現(xiàn)四網(wǎng)合一。終端用戶只要插上電 源插頭，就可以實現(xiàn)因特網(wǎng)接入。PLC利用1.6M到30M頻帶范圍傳輸信號。在發(fā)送時，利用GMS或OFD碉 制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制， 然后在電力線上進(jìn)行傳輸； 在接收端， 先經(jīng)過濾 波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)，就可得到原通信信

41、號。目前可達(dá)到的通信 速率依具體設(shè)備不同在4.5M45M之間。PLC設(shè)備分為局端和調(diào)制解調(diào)器，局 端負(fù)責(zé)與內(nèi)部PLC調(diào)制解調(diào)器的通信和與外部網(wǎng)絡(luò)的連接。在通信時，來自用 戶的數(shù)據(jù)進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器調(diào)制后，通過用戶的配電線路傳輸?shù)骄侄嗽O(shè)備，局端 將信號解調(diào)出來，再轉(zhuǎn)到外部的Internet。3.6 PLC 編程3.6.1PLC 執(zhí)行用尸程序的過程根據(jù)PLC的工作流程，設(shè)PLC的輸入數(shù)據(jù)為X,輸出數(shù)據(jù)為丫。在用戶程序第n次掃描執(zhí)行時，其輸入數(shù)據(jù)是第n-1掃描的I/O刷新階段讀取的Xn-1；執(zhí)行用 戶程序過程中，元件映像寄存器中的數(shù)據(jù)既有第n-1次掃描存入的數(shù)據(jù)Yn-1,也有 第n次執(zhí)行程序的中間結(jié)果。

42、第n次掃描I/O數(shù)據(jù)是Yn。以O(shè)MRON PLC為例，如圖3.2所示給出PLC執(zhí)行用戶程序的過程示意 圖。執(zhí)行第一個梯級時,PLC從輸入映像寄存器中讀取輸入端00000的狀態(tài)，設(shè)其 為1則輸入繼電器00000的狀態(tài)。 再讀出輸入端00001的狀態(tài)，設(shè)其為0,則輸入 繼電器的00001的狀態(tài)為0。 再由常開觸點和常閉觸點00000和常閉觸點00001的狀態(tài)運算出繼電器01000當(dāng)當(dāng)前的狀態(tài)是1。若此前的狀態(tài)是0,要改寫與其 對應(yīng)的元件映像寄存器的狀態(tài)向下繼續(xù)執(zhí)行第二個梯級，從元件映像寄存器中讀 出繼電器01000的狀態(tài)1（前一步存入的），所以常開觸點為01000為1,繼電 器010001的狀態(tài)是

43、1。若此前01001的狀態(tài)是0,則要改寫與其對應(yīng)的元件映 像寄存器的狀態(tài)。 本次掃描刷新時元件映像寄存器中存的內(nèi)容是繼電器為，繼電器為1。3.2 PLC 執(zhí)行用戶程序的過程示意圖由上述分析可得出，執(zhí)行用戶程序過程的特點是：1）在執(zhí)行用戶程序的過程中，輸入映像寄存器的狀態(tài)保持不變，一直保存到下 一次I/O刷新之前。2）元件映像寄存器的內(nèi)容隨程序的執(zhí)行而改變，前一步的運算結(jié)果隨即可作為 下一步的運算條件，與輸入映像寄存器不同。3） 不同于繼電器控制,PLC執(zhí)行程序是按由上而下、自左向右的順序進(jìn)行 的。所以不同梯級中的繼電器線圈及其觸點的狀態(tài)不可能同時發(fā)生改變。3.6.2 梯形圖的表示繪制梯形圖時，

44、我們首先要用符號表示出各種元素如常開觸點、常閉觸點、輸出、并聯(lián)常開、并聯(lián)常閉等。整個梯形圖指令由若干個梯級組成，每個梯級又 是一個或幾個輸入元件和一個輸出元件組成，輸出元件應(yīng)出現(xiàn)在梯級的最右邊，輸入元件出現(xiàn)在輸出元件的左邊。我們在編MFC程序中，經(jīng)常要用到一些資源，如位圖、對話框、光標(biāo)、字符 串表、菜單、工具欄等，每種資源都有其特定的ID樣我們在用位圖這種資源時 就可以利用其具有特定ID這個特性區(qū)分識別各個位圖。女口2-3圖所示，很顯然，計算機繪制圖形都是位圖格式的，它只能按要求畫 出圖形中的直線、圓、矩形等元素，而不知道各個圖形元素之間的邏輯關(guān)系，但是 在繪制梯形圖的時候，各個圖形元素之間都

45、是由一定的邏輯關(guān)系組成的，最簡單的 問題就是如果計算機不能識別各個元素的話，它如何知道在哪兩個圖形元素之間 畫連接線？為了解決這個問題，我們將梯形圖元素“放在”個個小單位區(qū)域中，每一個圖 形元素在單位區(qū)域中的相對位置都是統(tǒng)一固定的，這樣每一個單位區(qū)域連接的時候，就能解決連線連接的問題。這樣我們將每一個圖形元素事先繪制在每一個單 位區(qū)域中，然后在繪制梯級的時候，將每一個單位區(qū)域連接起來就可以了?？梢赃@ 樣說我們繪制的梯形圖是繪制的每一個包含各種圖形元素的單元區(qū)域，在圖一中,我們可以清楚地看到，每一個圖形元素被分別放在單元區(qū)域中，而每一單元區(qū)域又 組成了整個梯級。12a10.01 111.0|，1

46、Q0r01 11Z1-KJ1021 |IZ01 I1 11 145g3.3 梯形圖簡圖其實，拋開梯形圖的圖像表象，我們可以發(fā)現(xiàn)梯形圖中每個元件其實都有一個共同的屬性，該屬性可以用一個四元組表示元件類型，所在位置，名稱。其中，元件類型表示元件的種類，如常開觸點！常閉觸點、輸出觸點、定時器、計數(shù)器等要表 示所在位置我們可以將整個梯形圖看成一個平面，再將這個平面劃分成一個網(wǎng)格矩陣，使用元件在網(wǎng)格矩陣中的行列就可以表示名稱也是元件的一個必要屬性，因為它代表硬件中的具體地址。3.6.3 梯形圖的編程規(guī)則梯形圖語言作為一種標(biāo)準(zhǔn)PLC編程語言，在編制時必須遵循一定的規(guī)則， 具體如下：(1)梯形圖的每一行指令

47、都在母線右邊開始畫起。(2)輸出指令不能直接跟母線連接。(3)觸點應(yīng)在水平線上，不能在垂直分支上，且應(yīng)遵循自左至右、自上而下 的原則。(4)不包含觸點的分支應(yīng)放在垂直方向，不可放在水平位置，以便于識別觸 點的組合和對輸出線圈的控制路徑。(5)在有幾個串聯(lián)回路相并聯(lián)時，應(yīng)將觸點最多的那個串聯(lián)回路放在梯形圖 的最上面。而在有幾個并聯(lián)回路相串聯(lián)時，應(yīng)將觸點最多的并聯(lián)回路放在梯形 圖的最左面。(6)不能將觸點畫在輸出線圈的右邊，線圈僅能畫在同一行中所有觸點的最 右邊。第四章：矢量控制變頻調(diào)速4.1 變頻調(diào)速的發(fā)展及在提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)中，直流調(diào)速以其控制容易，調(diào)速精度高等特點長期占據(jù)了 主

48、導(dǎo)地位，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過流能力不強，環(huán)境適應(yīng)差，難以實現(xiàn)高速度 化等原因，一直限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴大。相比較而言，交流異步電機 具有環(huán)境適應(yīng)能力強、過流能力大、牢固耐用、結(jié)構(gòu)簡單、容易維護(hù)及價格低 廉等優(yōu)點，但異步電機的調(diào)速性能難以滿足生產(chǎn)要求。隨著電力電子器件的產(chǎn) 生和控制理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論越來越多的應(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中，使得交流調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美、相競爭，交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 不斷擴大。近年來，電力電子技術(shù)的發(fā)展和DSP微處理器的推出，更為高性能 交流調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，目前己經(jīng)進(jìn)入了實用化階段，作為眾多調(diào)速 方案之一的變頻調(diào)速，其發(fā)展不超過40年，卻

49、取得了長足的進(jìn)步，變頻調(diào)速以 其節(jié)能和可平滑調(diào)速，調(diào)速范圍寬等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用22。 交流電動機變頻調(diào)速控制技術(shù)大體經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段。 第一個階段為電壓/頻率(U/f)恒定控制，這種控制方法在低頻時定子電壓 較低，定子漏抗壓降所占的份量不能忽略，因此需要人為地把電壓抬高一些，用以補償定子壓降，負(fù)載不同時需要補償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯?，在控制軟?中備有不同斜率的補償特性，以便用戶選擇。第二個階段是矢量變換控制，它的方法是模擬直流電動機的控制特點來進(jìn) 行交流電動機的控制，通過電機統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動機定子 電流分解成磁場定向坐標(biāo)的磁場電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，

50、把固定的坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解禍后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂疲?于是等同于直流電動機。第三個階段為直接轉(zhuǎn)矩控制，也叫直接自控，它避開了矢量控制中的兩次坐標(biāo)變換及求矢量模與相角的復(fù)雜計算工作，直接在定子坐標(biāo)系上計算電動機 的轉(zhuǎn)矩與磁通，使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間控制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，控制性能更好。提升機控制系統(tǒng)的硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全數(shù)字變頻技術(shù)應(yīng)用于提升 機控制。減速段速度調(diào)節(jié)采用低頻發(fā)電制動方式，將系統(tǒng)的動能反饋給電網(wǎng)，與動力制動減速相比，不僅調(diào)速性能好、減速與爬行自然過渡，而且節(jié)能效果 顯著。采用現(xiàn)代智能控制技術(shù)實現(xiàn)速度電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使減速階段在各種條件 下均可嚴(yán)格按照給定的速度圖運

51、行， 使交流拖動在減速段達(dá)到直流拖動的調(diào)速 性能，減速段到爬行段過渡平滑。這樣在提升機系統(tǒng)的最大靜張力差允許范圍 內(nèi)能實現(xiàn)正力減速與爬行、負(fù)力減速與爬行以及驗繩等多種工作方式，達(dá)到控 制要求。采用矢量控制技術(shù)零速起動轉(zhuǎn)矩達(dá)150%，確保低速爬行時的啟動與運行特性，輸出頻率跟隨給定頻率，并且頻率與電流值可準(zhǔn)確指示出來。從而使 傳動系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性。采用直接轉(zhuǎn)矩控制可改善低頻特性，普通變 頻器雖然可以輸出較低的頻率，但輸出力矩小，特性較軟，應(yīng)用于提升位能負(fù) 載時，起動瞬間總要溜車。采用特殊的軟件編程，改善低頻特性，即使在輸出0Hz的情況下，也能輸出200%的負(fù)載力矩，達(dá)到了在整個運行過程都

52、能輸出滿 足負(fù)載要求的力矩。完全避免了重載坡起時溜車的現(xiàn)象。提升機使用變頻調(diào)速控制具有下列優(yōu)點:(l)調(diào)速平滑、調(diào)速范圍大。通過控制器的控制，變頻器的輸出頻率可以連 續(xù)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無級調(diào)速，使電動機起動電流小、動負(fù)荷小、調(diào)速平滑而無沖 擊。(2)調(diào)速精度高。電動機在自然特性上運轉(zhuǎn)時的外特性硬，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小。(3)動態(tài)品質(zhì)好。可使提升機的起動、制動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速過程的時間降至最 少， 具有良好的動態(tài)品質(zhì)。(4)易實現(xiàn)電動機的換向，當(dāng)頻率降低至零后即可反向開車，采用控制器改 變相序即可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)，因此可在四象限內(nèi)平滑的過渡。(5)節(jié)電效果顯著。變頻調(diào)速比轉(zhuǎn)子回路串接電阻的調(diào)速方法節(jié)約電能20% 40

53、%。4.2 變頻調(diào)速基本原理異步電機的VVVF調(diào)速系統(tǒng)一般簡稱變頻調(diào)速系統(tǒng)。 由于在變頻調(diào)速時轉(zhuǎn)差 功率不變，在各種異步電機調(diào)速系統(tǒng)中效率較高，同時性能也最好，故是交流 調(diào)速的主要發(fā)展方向。交流調(diào)速系統(tǒng)的控制量最基本上是轉(zhuǎn)矩、速度、位置，根據(jù)不同的用途適當(dāng)組合可構(gòu)成各種閉環(huán)系統(tǒng)異步電動機定子對稱的三相繞組中通入對稱的三相交流電，在電機氣隙內(nèi) 會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，其旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速60f1n。P式中fl定子繞組電源頻率。P電機磁極對數(shù)。異步電動機轉(zhuǎn)差率n ns二n。則異步電動機轉(zhuǎn)速60 f1n =n(1 -s)1(1 -s)P由上式可知，異步電動機調(diào)速方法有如下幾種a.變同步轉(zhuǎn)速no:變極p、

54、變頻fl、b.變轉(zhuǎn)差率s:定子調(diào)壓、轉(zhuǎn)子串電阻、電磁轉(zhuǎn)差離合器、串極調(diào)速。 由電機學(xué)可知，轉(zhuǎn)差功率：Ps spsm =PCu2式中Rm電磁功率。Cu2-轉(zhuǎn)子銅耗。由式可知，變頻調(diào)速與變極調(diào)速為轉(zhuǎn)差功率不變型不論其轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差 功率消耗基本不變， 因此調(diào)速效率為最高。 由電機與電力拖動可知， 異步電動 機等效電路如圖4.1所示，尺呢|x；如;E】T陸磁通對應(yīng)的席應(yīng)電執(zhí)XP屁一宦轉(zhuǎn)子漏電抗：；轉(zhuǎn)子磁通對應(yīng)的感應(yīng)電縱勵磁皚抗;$轉(zhuǎn)差率；Lr一定轉(zhuǎn)子漏電!t（J 定子相屯壓；iri；一宦轉(zhuǎn)子擁電iift；im-勵盛電流；M勵議電抗：圖 4.1 異步電動機等效電路對交流異步電動機進(jìn)行變頻調(diào)速，交流異步

55、電動機的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁 場的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：60f,ni-nP式中：ni同步轉(zhuǎn)速（r/min）。fi定子頻率（Hz）。np磁極對數(shù)。而異步電動機的轉(zhuǎn)速為：n =n1 -s）二60 （1 -s）nP式中：nins =s -異步電動機的轉(zhuǎn)差率ni改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)調(diào)速運行。當(dāng)然，也可以通過改變轉(zhuǎn)差率，和磁極對數(shù)n，來改變異步電動機的轉(zhuǎn)速。但是變極 對 數(shù)和變轉(zhuǎn)差率在調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用范圍較小，而變頻調(diào)速具有高效 率、高范圍和高精度的調(diào)速性能，是比較合理的調(diào)速方法。交流變頻器正是通 過均勻的改變輸入異步電動機定子的供電頻率來調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速的。對異步電動機進(jìn)行調(diào)速控制時

56、，希望電動機的主磁通保持不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機的 負(fù)荷能力下降。磁通太強，則由于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了 定子電流的負(fù)載分量，為使電動機不過熱，負(fù)載能力要下降。異步電動機的氣 隙磁通（主磁通）是定、轉(zhuǎn)子合成磁動勢產(chǎn)生的。由電機理論知道，三相異步 電動機定子每相電動勢的有效值為：Ei=4.44刖：需式中El定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢的均方根值（V）。fl定子頻率（Hz）。Ni定子相繞組有效匝數(shù)。1m每相磁通量（Wb）。由上式可見，m的值是由E1和fl共同決定的，對E1和fl進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁?m保持額定值不變。下面分兩

57、種情況說明：1 .基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速這是考慮從基頻（電動機額定頻率AN）向下調(diào)速的情況，為了保持電動機的 負(fù)載能力， 應(yīng)保持氣隙主磁通m不變，這就要求降 低供電頻率的同時降低 感應(yīng)電動勢，保持E1/ fl =常數(shù)，即保持電動勢和頻率之比為常數(shù)進(jìn)行控 制。這種控制又稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。但是，E1難于檢測和直接控制。當(dāng)EI和f1值較高時， 定子的漏阻抗壓降相 對比較小，如果忽略不計，則可以近似的保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數(shù)即可。這就是恒壓頻比，是近似的恒磁通控制。當(dāng)頻率較低時，U1和E1都變小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能再忽略，這種情況下，可以

58、適當(dāng)?shù)奶岣叨ㄗ与妷阂?補償定子電阻壓降的影響，使氣隙磁通基本保持不 變，。2 .基頻以上的弱磁變頻調(diào)速這是考慮由基頻開始向上調(diào)速的情況，頻率由額定值 f 1N向上增大， 但電壓U1受額定電 壓U1N勺限制不能再升高，只能保持U1 =U1Nf變。必然會使 主磁通隨著f1的上升而減小，相當(dāng)于直流電動機弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的 恒功率調(diào)速方式。綜合兩種情況，異步電動機變頻調(diào)速的基本控制方式如圖4.2所示，為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)，低頻調(diào)速時通過電壓補償?shù)姆绞絹肀３趾戕D(zhuǎn)矩。圖 4.2 異步電動機變頻調(diào)速時的控制特性4.3 變頻調(diào)速控制方式分類在變頻調(diào)速領(lǐng)域，異步電機的控制方式多種多樣，但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和

59、過 渡特性來看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種：1U/F控制U/F控制是交流電機最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持U/F為常數(shù)，來保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。然而U/F控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動態(tài)特性較差，電機轉(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，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關(guān)延 時的存在，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機的轉(zhuǎn)速，對轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制。與U/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)，將電動機的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率

60、控制在最佳狀態(tài)。但是采用此法的電動 機調(diào)速系統(tǒng)只能是單機運行，同時轉(zhuǎn)差頻率控制未能實施對電機瞬時轉(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， 實現(xiàn)電機定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，可以將作為控制對 象的感應(yīng)電機當(dāng)作直流電機來進(jìn)行控制，實現(xiàn)對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制。目前，實用 中多采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制，由于其沒有實現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無需檢測 出磁通，因而容易實現(xiàn)。但是其控制器的設(shè)計在某種程度上依賴于電機的參 數(shù)，為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出