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1、1 / 41 目录第 1 章绪论1.1 国内外矿井提升机发展现状.3 1.1.1 我国矿井提升机电气控制系统的现状.31.1.2 国外提升机电气控制系统的现状.31.2 课题研究的目的和意义 .4 1.3 本论文承担的任务 .5 1.4 小结 .6 第 2 章矿井提升机调速控制系统分析2.1 引言 .6 2.2 提升机工作原理及机械结构.6 2.3 提升机调速控制方式及调速性能分析.7 2.3.1 提升机直流调速性能分析.7 2.3.2 提升机交流调速性能分析.8 2.4 提升机调速控制方案分析.9 2.4.1 传统转子回路串电阻调速系统.10 2.4.2 模糊控制调速系统.11 2.4.3
2、直接转矩控制系统.12 2.4.4 矢量控制变频调速系统2.5 小结 .13 第 3 章提升机调速控制系统硬件实现3.1 引言 .14 3.2 提升机电控系统总体结构.14 3.3 提升机电控系统变频器选择.15 3.4 变频控制部分设计 .16 3.4.1 变频调速主系统设计.16 3.4.2 变频器外部电路设计.18 3.5 PLC 控制部分设计 . 21 3.5.1 基本控制功能.21 3.5.2 位置检测电路.23 3.6 硬件调速控制系统保护措施.25 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 41 页2 / 41 3.
3、7 小结 .28 第 4 章提升机调速控制系统软件实现4.1 引言 .28 4.2 矿井提升机中 S型速度曲线建模及实现 .28 4.2.1 速度曲线的选择及给定方法.28 4.2.2 提升机理想S形速度曲线数学模型.30 4.2.3 理想速度曲线的实现 .33 4.3 调速控制系统软件流程 .35 4.4 小结 .37 第 5 章全文总结参考文献.39 第 1 章绪论1.1 国内外矿井提升机发展现状矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统 1。下面就国
4、内外矿井提升机电控系统情况作一介绍。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 41 页3 / 41 1.1.1 我国矿井提升机电气控制系统的现状在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。目前，矿井提升我国机90%以上是采用单机容量在1000KW 以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机发电机组(F-D机组供电，采用晶闸管整流传动(SCR-D 的只占一部分。
5、传统交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的停车位置。目前多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。1986 年以来，针对制约提
6、升安全的主要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有所改善。在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步的意识紧盯国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的合作，采取引进、消化吸收、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。1.1.2 国外提升机电气控制系统的现状国外从 70 年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次变革。其应用主要体现在以下几方面:
7、 1）提升工艺过程微机控制在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。2）提升行程控制提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2cm。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒及钢丝绳磨损等。将信号进行处理，可计算出容器准确的位置而施以控制和保护。在箕斗提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SIEMENS,ABB,AEG 等公司己采用32 位微机来构成行程给定器。除此之外还提供性能不尽相同的机
8、械行程控制器。一精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 41 页4 / 41 般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。监视； b、各主要设备运行状态监视；c、各传感器 (如井筒同步校正开关、停车开关 信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。甚至与上位机联网，应用于矿井监测系统中。(4安全回路安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，此环节极为重要。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。安
9、全回路是保护的最后环节之一，现在大多公司都采用两台PLC构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。、西门子公司的Siemadyn D(16 位机以及 ABB公司的DCR(16位机系统都己应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整方便、可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。1.2 课题研究的目的和意义矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性
10、质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免
11、了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 41 页5 / 41 四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电
12、动机矢量控制交一交变频传动控制系统。这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。将变频调速技术应用于矿井提升机
13、是矿井提升机电气传动系统的发展方向。对于现采用TKD 电控系统的中小型矿井，随着变频调速技术的发展，交一直一交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果10。变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。因此，变频器在提升机调速系统中的应用具有十分广阔的前景。本文介绍变频器在提升机调速控制系统中的应用。1.3 本论文承担的任务本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机 -电-液系统，提升机要
14、按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。本论文的研究目标是将可编程控制器提升机工作原理 : 煤车厢与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有一绞车提升机，由电机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周后挂上一列煤车车厢 矿井提升的工作特点:箕斗在一定的距离 井深）内，以较高的速度往复运行，完成上升与下降的任务。鉴于在矿井提升机的工作特点，为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续工作，其必须具备良好的机械性能，
15、良好的电气控制设备和完善的保护装置。矿井提升机的基本参数是：电机功率75kW，卷筒直径 1200mm，减速器减速比24：1，最高运行速度 2.5m/s，钢丝绳长度为 400m。斜井提升机的机械传动系统结构示意图如图21 所示：2.3 提升机调速控制方式及调速性能分析矿井提升机电力拖动部分有两种调速控制方式：直流调速和交流调速。其各有优缺点，下面分别叙述。2.3.1 提升机直流调速性能分析矿井提升机采用直流拖动的调速系统主要有：G-M 系统、 V-M 系统及直流脉宽调制 PWM）系统。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 41
16、页9 / 41 1、G-M 系统发电机电动机调速系统）此系统中，电源是旋转装置，由旋转电机即直流发电机供电。通常，直流发电机由原动机拖动，以某一不可调的转速旋转，通过调节发电机的励磁电流fi 的方向和大小来改变发电机输出电压的极性和大小。原动机一般采用交流感应电动机或交流同步电动机，使直流电源以电机机组的形式构成。这种直流调速系统称“发电机电动机系统”简称“G-M 系统” Ggenerator,发电机； Mmotor 电动机）。这种调速系统，设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便。2、V-M 系统晶闸管电动机调速系统）此系统中，电源是静止装置，通过调节触发器GT
17、的控制电压来移动触发脉冲的相位，而改变晶闸管可控整流器的控制角，从而改变可控整流器输出电压的极性和大小，实现直流电动机 M 的平滑调速。这种直流调速系统称“晶闸管电动机调速系统”简称“V-M 系统” V晶闸管整流装置）。与G-M 系统相比，此系统在经济性、可靠性及技术性能上也有较大的优势。其设备简单，调速更快。但此系统只允许电机在I、IV 象限运行，不能满足提升机四象限运行的要求；且低速运行时，产生较大的谐波电流，引起电网电压小型畸变，形成污染。3、直流脉宽调制 PWM）系统此系统中，电源是静止装置，能过改变晶体管VT 的导通及关断及通断比 从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p 及转差
18、率 s 均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。改变同步转速的有：变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等。一、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下： 1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速方法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获
19、得较高效率的平滑调速特性。二、变频调速方法精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 41 页10 / 41 变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：1、效率高，调速过程中没有附加损耗； 2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。三、改变转差率调速改变转差率的方法主要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速和串
20、级调速。下面分别介绍。a、定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。3、调压调速
21、一般适用于100KW以下的生产机械。b、转子电路串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。c、串级调速串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用装置，把吸收的转差功率返回电网或转换为其它能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。应用中多采用晶闸管串级调速，其特点为：1、可
22、将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置容量与调速范围成正比，投资小，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上； 3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。综上所述，直流调速的电枢和励磁是分开的，能够精确控制；且直流调速转矩速率特性好并能在大范围内平滑地调速，因此在矿井提升系统中得到广泛应用。电刷是直流电动机的一个重要部件，但在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易造成电枢精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，
23、共 41 页11 / 41 两极短路，危及整个系统的安全。但交流电机不存在电刷损坏的问题，因此也得到广泛应用，但交流调速性能离直流电机优越的调速性能还有差距。随着电子科技技术的发展，运用现代控制理论，将直流调速原理应用于交流调速控制系统中，使交流调速在很大程度上得到发展。2.4 提升机调速控制方案分析为了使提升机调速控制系统能取得良好的控制性能，不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方案，控制方式是决定提升机使用性能的关键所在。目前在实际生产中得到应用的很多，其中有高精度的还有一般性能的，种类五花八门，价格也高低相差悬殊。所以在选用调速控制系统时要按负载的特性要求，并结合矿井的生产规模，以
24、达到经济、实用为准。常用的控制方式主要有：转子回路串电阻调速、模糊控制、直接转矩等。2.4.1 传统转子回路串电阻调速系统转子回路串电阻调速的主电路结构如图22 所示图 2 2 转子回路串电阻调速图在加速过程中，交流接触器KM1,KM2,KM3,KM4 逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求提升机低速运行，则需在转子回路串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电状态。这种拖动方案存在的问题是：1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；2触点控制，大量使用
25、大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差；3运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上；4电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的2030%。虽然这种调速方案技术性能差，且运行效率低，但控制方式简单、初期设备投资小，许多中小矿井的提升机仍采用这种调速方案。2.4.2 模糊控制调速系统一、模糊控制的基本思想模糊控制 Fuxxy Control）的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“ IF条件） THEN 变频技术。直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。直接转矩控制通过检测电机定子电
26、压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制系统结构图如图24 所示精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共 41 页13 / 41 直接转矩控制系统的控制效果取决于转矩的实际状况，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。但是目前直接转矩控制技术在理论上尚不成熟、不够完善，直接转矩控制系统的固有缺陷，一直阻碍着DTC系统的进一步发展。所面临的主要问题是：低速性能不尽人意，转矩
27、脉动比较严重。目前关于DTC系统无速度传感器技术的研究尚不多见，还需要开展大量的工作。在实际应用中还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、最优控制、差频控制、环流控制、频率控制等。智能控制方式主要有神经网络控制、最优控制、专家系统、学习控制等。由于调速系统是在公众场合下应用的一种需要高质量、高精度和高可靠性的系统，尤其用在矿井提升机这样要求安全系数高的场所，更要保证其系统的安全可靠运行。2.4.4 矢量控制变频调速系统矢量控制的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流并分别加以控制，
28、从而实现磁通和转矩的解耦控制，以达到直流电机的控制效果。三相异步电动机定子三相绕组嵌在定子铁芯槽中，在空间上互差120o电角度，当在定子三相绕组上加三相交流电时，异步电动机在空间上产生的是旋转磁场，根据直流电动机的电枢电流与磁场垂直，将异步电动机物理模型等效变换为M、T 坐标下的两相绕组模型，如图2-5所示。该模型有两个垂直的绕组：M 绕组和 T 绕组，且以角速度 1在空间上旋转。 M、T 绕组分别通以直流电流mi、ti。mi沿 M 绕组轴线方向产生磁势， ti沿 T 绕组轴线方向产生磁势。 mi与 ti相互垂直，而且分别可调、可控，当mi保持恒定不变，控制ti即可很方便地控制电动机的转矩。由
29、异步电动机两相绕组模型可得出矢量变换控制的思精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页，共 41 页14 / 41 路是：把异步电动机的三相绕组等效为在空间上互相垂直的两个静止的、绕组，三相绕组的电流和两相 、绕组电流有固有的变换关系。再经过旋转坐标变换，将两相静止、绕组电流，等效变换为磁场方向与M 轴、T 轴方向一致的同步旋转两相M、T 绕组电流。这样，通过控制 M 轴，T 轴两个方向的电流大小来等效地控制三相电流Ai、Bi、Ci的瞬时值，从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。矢量控制，具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生
30、磁场的电流分量Mi励磁电流）和产生转矩的电流分量Ti转矩电流）分别加以控制，同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制又分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的矢量控制。无速度传感器的矢量控制如图26 所示：如果在生产要求不是十分高的情形下，采用无速度传感器的矢量控制变频调速是非常合适的，其控制结构简单，可靠性高。带速度传感器的矢量控制如图27 所示：带速度传感器的矢量控制变频调速是一种比较理想的变频调速控制方式。主要优点包括：可以对转矩实行精确控制；(3系统的动态响应速度快；(4电动机的加速度特性好。2.5 小结本章结合煤矿生产实际情况，分
31、析提升机工作过程及工作特点；并给出提升机机械传动结构图，使提升机的工作原理更加清晰。传统提升机电控系统是古老的转子串电阻调速，存在很多的安全隐患，急需改进。改进后的电控系统采用什么控制方案更加合理，采用交流还是直流调速，到底哪种调速方法调速性能更好。针对这种种疑问，文中分别对提升机直流调速和交流调速的调速性能进行分析，并就目前存在的几种高精控制系统进行分析，并与目前技术已经成熟的提升机变频调速控制系统做比较，这些工作对确定提升机控制方案提供了很大帮助。设计精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页，共 41 页15 / 41 中同时考
32、虑到串电阻调速系统控制器件多、电路复杂的缺点，所以将可编程控制器应用于控制系统。最后确定提升系统的整体控制方案为：基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统。第 3 章提升机调速控制系统硬件实现3.1 引言经过分析比较，权衡各种控制方案的优劣，结合提升机调速系统属于恒转矩负载特性，最终选择 PLC与变频器相结合的变频调速方案，其变频控制方式为：矢量变频调速控制。此方案能够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果；采用PLC对提升
33、系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。变频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。3.2 提升机电控系统总体结构基于 PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，系统框图如图31 所示。各部分功能如下：动力装置：包括主电机、精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页，共 41 页16 / 41 减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力；液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起
34、动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。变频调速器：是动力装置的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。操作台：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提升机运输系统的控制核心，通过它可以设定系统的工作方式和控制方式，可以发布系统的各种控制命令，以实现对提升机启动、加速、平稳运行、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。变频调速控制系统工
35、作原理：如图 31，系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3 个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频 公司生产的模块式PLCS7-300和变频器各一台。变频器选用森兰公司的通用变频器系列SB61G110KW 通用变频器，功率为110kW。根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。本系统中调速采用PLC+D/A模块配合变频器进行，通过PLC 输出电压信号 (010V来控制变频器的频率。此时的变频器输出频率与设定电压输入成正比。为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常
36、，应取出变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及安全制动。为了与变频调速系统配合，保证在启动力矩、低频转矩、过载能力等方面满足系统的要求，选用冶金起重专用变频电动机。变频电动机的电磁设计、结构设计和绝缘系统设计既考虑了对变频器电源供电和宽范围变频调速的适应能力，又体现了冶金及起重专用三相异步电动机过载能力大、机械强度高的特点。与变频调速良好的起、制动功能相结合，特别适用于采用变频调速，短时间或断续周期运行、频繁启动和制动的场合，既能保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出。3.4 变频控制部分设计3.4.1 变频调速主系统设计变频调速单元采用森兰SB6
37、1系列 SB61G110KW通用变频器，其变频调速系统主电路如图精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页，共 41 页18 / 41 32 所示。与标准的电压频率控制装置相比较，在速度参数和负载转矩都改变的情况下，VVCPLus的动态和稳定性较优越，可实现一个全数字化的保护，即使在最恶劣的操作条件下，也可确保可靠运行。 SB61G110KW具有国际领先的无速度传感器矢量控制技术和拟超导技术，使电机低速时机械特性变硬。同时具有短路、接地和过载保护功能。调速控制系统主电路主要部件的功能和原理：空气断路器：过流过载保护；交流接触器：切断电
38、源和启动；交流电抗器 La：降低谐波，抑制浪涌电压，改善功率因数；噪声滤波 LB：减小无线电干扰；电抗器 LA：减小干扰和振动；热继电器 FR ：断相保护，过载保护；1 提升电动机选择一般电动机的额定电流可以用如下公式计算，即：根据上述公式对一般三相交流异步电功机的额定电流计算得出：异步电动机的额定电流与电动机额定功率的关系为：如果U380V，电流大约为1kW 是 2A。因此在选择电动机的保护元件时可以用 1kw2A 来估算电动机的额定电流值，从而达到快速选择保护元件的目的。本调速系统所选电动机为：QABP系列三相异步变频调速电动机。其技术数据如表31 所示：精选学习资料 - - - - -
39、- - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页，共 41 页19 / 41 2 变频器的容量选择在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。另外矿用提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量的选定应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：式中：变频器额定输出电流(A；：各运行状态平均电流 (A；：各运行状态下的时间；K0：安全系数 (运行频繁时取 1.2，其它条件下为 1.1。考虑到矿用电机性能上的差异及机械负载的波动，变频器容量取电动机容量的1.
40、4 倍，本系统中所需电动机的轴上功率为75KW，按 1.4 倍容量就选择 105KW以上变频器。3 变频器的选择绞车升降的运转具有较大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用变频器是专为起重类负载而设计的专用变频器，该系列产品采用了最优的电机控制方法矢量控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。其对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应；开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度、变频器报警输出的动断常闭）触点“ 30B-30C ”串联在KM1 的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，发出
41、报警；同是报警输出的常闭触点动作，使KM1 线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路 、声光报警电路由报警输出的动合现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。一、能耗制动电路的作用在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。这时：1、电动机的工作状态在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴
42、上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。2、变频调速系统的工作状态电动机再生的电能经如图32 所示与逆变管反并联的续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，尽管各部分电路还在消耗电能，但电容上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于
43、能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。二、能耗制动电路的构成1、制动电阻能耗制动电路结构如图34 所示，图中的 BR就是制动电阻，用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。其选择方法如下：1）的阻值一般情况下，的大小以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即2）的功率由于的工况属于短时工作，帮其标称功率可以比长期通电时消耗的功率小很多：式中，为选用系数，取值范围约为=0.30.5,取决于电动机的容量和工况。通常，电动机容量较小时取小值，反之取大值。当电动机的再生制动状态属于正常工作状态时，应取=1.0。例如超重机械中，吊钩的下降过程就是。2、制动单元 BV 如图 3
44、4，制动单元 BV 的功能是，当直流回路的电压超过规定的限值勤时，接通耗能电精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页，共 41 页22 / 41 路，使直流回路通过释放能量。I）制动单元 BV的组成如图上划线框所示，BV的组成如下：a）功率管用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。图 34 能耗制动和制动单元电路b）电压取样与比较电路由于的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制导通或截止的指令信号。c）驱动电路驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动导通或截止。的主要依
45、据是负载惯性的大小，惯性越大者，直流制动强度(或也应越大。一般情况下，直流电压以不超过50 V为宜。3直流制动时间即施加直流制动时间的长短。预置直流制动时间的主要依据是负载是否有“爬行”现象，以及对克服“爬行”的要求，要求越高者，应适当长一些。直流制动功能预置参数F403、F404、F405设置 多数变频器不能适应上电运行功能，所以应对控制系统加入保护功能。当需要开机运行时，按下起动按钮SB1，其输出继电器KM1 便吸合，置于电源与变频器之间的常开触点闭合，将三相 AC380V 动力电接入变频调速回路中；当减速停车，并实现机械抱闸制动后，可以将变频器与动力电源脱开，按下停止按钮SB2，使继电器
46、KM1 失电，其常开触点断开，变频器便与动力电源脱开。图 36 PLC外部接线(2 梯形图及编程语言精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 24 页，共 41 页25 / 41 二、上提升，下放在控制回路中利用正转继电器K1 的常闭触头控制反转继电器K2 的线圈；利用反转继电器 K2 的常闭触头控制正转继电器K1 的线圈。从而达到互锁作用。其动作过程如：当要下放矿车或送工人到井下时，按下下降按钮，继电器K2 吸合，其常开触点闭合，常闭触点断开。此时变频器REV 与 CM 端相连，电机反转下放重物。同时断开继电器K1 回路，形成下降闭锁；当按
47、下上升按钮时， K2 吸合，断开 K1 回路，形成上升闭锁。此时FWD 与 CM 相连，电机正转上提煤车。当按下停止按钮时，所有继电器常闭触头闭合，为下一次提升做准备。三、工频与变频转换(1 工变频转换系统可使电机转速需在工频运行或变频出现故障时进行自由切换。正常工作状态，为变频调速运行。此时继电器KM2 得电， KM3 失电；置于变频器与电机之间的KM2常开触点闭合，跨过变频器，连接电机与三相动力电源的KM3 常开触点断开。变频器接入调速回路，并接受操作台控制信号及PLC 反馈信号，进行调速控制。当变频器出现故障或需要对电机进行点动调节时，按下工频按钮，使KM2 断开， KM3 闭合，电机进
48、入工频状态。这样便于检修和故障排除。(2 梯形图及编程语言精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 25 页，共 41 页26 / 41 四、保护及连锁功能(1 上过卷、下过卷保护，在离井口安全处和离井底一定距离处分别装上霍尔常开型接近开关，当矿车由于故障或操作员失误，矿车越过安全线时，传感器动作，同时PLC 控制安全回路动作，实现对提升系统的保护，并伴随有声光报警。(2 松绳保护：用一根细丝和一个常开型开关，在钢丝绳下放一定距离垂直钢丝绳方向处架起，当矿车在缓道上行走，而电机下放速度过快时，就会出再松绳现象。此时，钢丝绳下沉，压下开关，此时
49、声光报警，显示屏上显示故障信息。操作员应该及时降速或停车。(3 过载保护：热继电器常闭触点串接于安全控制回路，当电机因负载过重，电机堵转等故障而使负载转矩增大时，热继电器动作，常闭触点断开，使安全回路动作，保护提升机不受损坏。(4 当提升过程中发生润滑油压力过高、过低，润滑油滤油器或液压站滤油器堵塞或油温高时，监视屏上有相应的故障信息显示，点亮相应信息灯，告知操作员可以完成本次提升工作，当故障解除后才允许司机进行下一次提升工作。(5 当提升机因发生故障在中途停车，而且提升容器位于减速段行程内时，排除故障后允许司机按上次开车方向选择开车，并且只能低速开车；若提升容器不在减速行程内，由井口发出开车
50、信号，允许司机高速开车。(6 全矿停电时，由 PLC 保证提升机能实现安全制动，并做好提升机的后备保护。(7 盘式制动器的工作制动力矩可调，紧急制动(安全制动 能产生二级制动，避免机械冲击。3.5.2 位置检测电路位置检测电路用来测量提升机的运行位置。旋转编码器与可编程控制器的高速计数单元相精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 26 页，共 41 页27 / 41 连，连接电路如图37 所示。计数器通过累计正转与反转的脉冲个数经CPU 运算可确定提升机的确切位置。旋转编码器每转脉冲数的选择取决于PLC 允许输入的频率、提升速度、计数精度等