煤矿提升机变频调速拖动及PLC控制系统初步设计——毕业设计.doc

ss 科技大学本科毕业设计（论文） i 煤矿提升机变频调速拖动及煤矿提升机变频调速拖动及 plcplc 控制系统初步设计控制系统初步设计 摘摘 要要 目前，我国绝大部分矿井提升机 (超过80%)采用传统的交流电控系统。这种电控系统起动和 调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率 较大；故障率高，节能效果差等。为克服传统交流绕线转子异步电动机串电阻调速系统的缺点,采 用plc 与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电 频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电 动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态， 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 对提升系统进行保护和监控，使系统更加安 全可靠。 关关键键词词：提升机 调速 变频器 plc ss 科技大学本科毕业设计（论文） ii m mi in ne e h ho oi is st t s sp pe ee ed d- -a ad dj ju us st te ed d d dr ra ag g a an nd d p pl lc c c co on nt tr ro ol l s sy ys st te em m d de es si ig gn n abstractabstract at present, the vast majority of mine hoist (more than 80%) using the traditional control system of alternating current. this electronic control system start-up and speed the process of shifting the impact of major current; are in-class speed, smooth speed control poor; low mechanical properties when the soft, quiet larger gap; high failure rate, energy-saving effect of poor . in order to overcome the traditional exchange of string wound rotor induction motor speed control system of the shortcomings of resistance, the use of plc and inverter control scheme that combines the traditional gm electronic control systems, variable frequency speed control is by changing the stator supply frequency, the successful implementation of the enhance a wide range of motor smooth stepless speed control, the process can run at any time based on motor load conditions, so that motor is always running at its best to meet the lift requirements of the special working environment and have a clear energy-saving effect; used plc to enhance the protection and monitoring system, allowing the system to a more safe and reliable. k ke ey yw wo or rd ds s：mine hoist electric controlled system plc transducer transformation ss 科技大学本科毕业设计（论文） iii 目目 录录 符号说明符号说明 iviv 前前 言言 1 1 第一章第一章煤矿提升机煤矿提升机 3 3 1.1 煤矿提升机概述 . .3 3 1.2 对矿井提升设备的要求 . .4 4 2.3 煤矿提升机的工作过程 . .5 5 1.4 煤矿提升机的拖动与控制过程. .7 7 第第二二章章变变频频器器及及其其电电路路设设计计 9 9 2.1 高压变频器简介 . .9 9 2.2 高高变频器的工作原理 . .1 11 1 2.3 变频调速主电路设计 . .1 17 7 第第 3 3 章章 基基于于 p pl lc c 控控制制的的大大功功率率矿矿井井提提升升机机控控制制系系统统设设计计1919 3.1 变频调速控制系统概述. .1 19 9 3.2 plc 控制系统设计 . .2 20 0 3.3 plc 控制程序设计 . .2 29 9 3.4 提升机在快速、减速或急停时的再生发电能量处理问题. .3 32 2 第第 4 4 章章其它电路设计其它电路设计 3737 4.1 旋转编码器的安装设计. .3 37 7 4.3 液压站的设计 . .4 40 0 第第 5 5 章章 抗干扰电路设计抗干扰电路设计 4747 5.1 主电路抗干扰措施. .4 47 7 52 电抗器的作用及选择. .5 50 0 5.3 主电路其他抗干扰对策. .5 52 2 结结 论论 5454 ss 科技大学本科毕业设计（论文） iv 参考文献参考文献 5555 致致 谢谢5656 附附 录录 5858 ss 科技大学本科毕业设计（论文） v 符号说明 v 代表速度，单位 m/s; a 代表加速度，单位：m/s；t 代表时间，单位 s；u 代表电压，单位伏（v） ； ss 科技大学本科毕业设计（论文） 1 前前 言言 矿井提升设备是沿井筒升降人员，提升煤炭、矿石、器材的机械设备。虽然 按提升方式及系统的不同，有钢丝绳（缠绕式提升机和摩擦式提升机）提升，输 送机提升，水力提升，气力提升（松散煤炭管道提升及管道容器提升） 。但是， 目前在世界范围内 ，矿井主要使用由缠绕式提升机和摩擦式提升机带动钢丝绳 牵引容器的提升设备。其它类型提升方式只在特定条件下用。 自 1872 年出现第一台由蒸气机拖动的单绳缠绕式提升机以来，矿井提升设 备的发展已有近 170 年的历史。随着生产需求和技术进步，提升设备不断发展： 1877 年德国人戈培设计出第一台单绳摩擦式提升机；1938 年多绳摩擦提升设备 问世，满足了深井提升的需要；1958 年多绳缠绕式提升机在南非超千米的矿井使 用；1988 年德国安装了第一台置同步电机于摩擦轮内的内装式提升机。 现代提升设备由大型机械-电气机组组成，提升容器在有限的运距（提升高 度）内，往返高速运行，速度及加、减速度要求严格而准确地控制。因此，除传 力、承力及运载机械部件外，还必须配备完善的拖动控制，安全监测及井筒信号 等系统和设备。 当今，在世界范围内运行的提升机，最大速度达 2025m/s；一次提升量达 50t；电机容量已超过 10000kw；井深超过 2000m（分段提升超过 3600m） 。由于矿 井生产强化和集中化，一些矿井为了满足生产量及不同提升任务的要求，常在一 个井筒安装多台提升机机群，例如瑞典的基鲁那矿，在一个矩形提升塔上安 装 12 台多绳摩擦提升机，采用集中控制。 随着现代技术进步及采矿工业的发展，提升设备在机械结构、工艺、设计理 论方法、拖动控制及安全监测等方面都有了很大发展。例如中低压及中高压盘式 闸及液压站、硬齿面行星齿轮传动等的应用；内装同步电机主轴装置的问世；零 部件设计中 cad/cam 及有限元法的应用；利用系统工程方法进行提升系统方案设 计及改造、提升系统的模化及仿真都取得了较新成就；拖动类型除异步电动机拖 动调速、直流电动机调速外，交交变频器供电同步电动机方式已在大型提升机应 用；由可编程序控制器（pc）构成的提升工艺控制、安全回路、监测回路、行程 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 2 控制器、制动控制以及井筒信号系统，在工业技术发达国家已有典型产品。 变频调速技术的应用，在我国开始得并不算晚，迄今已有约 30 年了。但这 项技术的全面推广应用，在我国的确落后了。较大范围的推广，大约只有 10 余 年，而且早期主要集中在节能应用领域，在更广泛领域中的推广工作，则是近几 年才全面展开的。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 3 第一章第一章 煤矿提升机煤矿提升机 1.11.1 煤矿提升机概述煤矿提升机概述 目前，我国绝大部分矿井提升机 (超过80%)采用传统的交流电控系统。这种电控 系统起动和调速换挡过程中电流冲击大；属于有级调速，调速的平滑性差；低速时 机械特性较软，静差率较大；故障率高，节能效果差等。为克服传统交流绕线转子 异步电动机串电阻调速系统的缺点 ,采用plc 与变频器相结合的控制方案对传统电控 系统进行改造，变频调速是通过改变定子供电频率， 成功实现了提升电动机大范围 的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最 佳运行状态，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。 平煤集团的煤矿提升机的电动机为高压电动机。矿井提升机是沿井筒提升煤炭、 升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场 相连接的枢纽，是矿山运输的 “咽喉” ，因此，矿井提升机在矿井生产的全过程中占 据着极其重要的地位，其安全可靠性尤为突出。在矿井生产过程中，如果提升设备 出了故障，必然造成停产事故。轻者，影响煤炭产量；重者，则会危及人身安全。 此外，矿井提升机作为一个大型的机械 -电气设备，其成本和耗电量比较高，所以， 在新矿井的设计和老矿井的改建中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技 术、经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合 理的，即要求矿井提升设备具有良好的经济性。 1.21.2 对矿井提升设备的要求对矿井提升设备的要求 中国幅员辽阔，矿产丰富，煤炭产量已跃居世界前列，其中近 95%是以井下 开采方式开采，需要通过提升设备提到地面以实现其使用价值。作为生产的基本 环节，提升设备的合理结构及设计，安全经济运行和科学管理维护，直接关系到 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 4 矿井生产能力及技术经济指标。 根据矿井提升设备的功能特点，对矿井提升设备的要求是： 1、安全性。提升设备的安全运行，不仅直接影响整个矿井生产，而且涉及 人身安全。随着工业进步以及对人的价值的更加重视，矿井提升设备的高度可靠 性已成为提升设备设计思想的重要内容。 突出安全性的另一重要原因是提升运输事故率在煤矿电事故中占有不可忽视 的比例，其中恶性事故也时有发生，因此提高设备的安全性，增加监测控设备以 及后备保护等措施，是具有实际意义的。 对矿井提升设备的高安全性要求还体现在提升设备及系统的设计，除应符合 一般设计规程及规范外,还要满足煤矿安全规程的具体要求。 提高设备的安全性，不应单纯理解为加大安全系数，应从实际情况出发进行 系统分析，例如受力（包括动态）分析，可靠性分析，失效分析等，从中找出问 题，并采取相应措施。 2、可靠性。可靠性是指提升设备在规定条件下，在规定的服务期限内完成 规定的提升任务而不发生故障及失效的能力。提升运输是矿井生产的主要环节， 提升设备的任何故障性失效，都会引起全矿生产的下降以及安全问题，造成巨大 损失。在提升系统及设备设计中引入可靠性分析，在结构设计、强度分析和寿命 估算中应用可靠性理论，采用零部件早期故障诊断和监测技术等，会有效地提高 设备的可靠度，即可靠性的概率度量。 3、经济性。矿井提升设备是大型设备，耗电较多，提升设备的投资、运营 费用、效率等对矿井生产技术经济指标的影响是不言而喻的。 2.32.3 煤矿提升机的工作过程煤矿提升机的工作过程 煤矿提升机的工作过程矿井提升设备的主要组成部分是：提升容器、提升钢 丝绳、提升机（包括机械及拖动控制系统） 、井架（或井塔）及装、卸载设备等。 图 2-3-1 是由这些设备构成的主井箕斗提升系统示意图。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 5 图2-3-1 单绳缠绕式提升机箕斗提升系统 1-提升机；2-天轮；3-井架；4-箕斗；5-卸载曲轴；6-煤仓；7-钢丝绳；8-翻笼； 9-煤仓；10-给煤机；11-装载设备 井下生产的煤炭通过井下运输系统运到井底翻笼硐室，把煤卸入井口煤仓 9 内，再由装载设备装入位于井底的箕斗，同时位于井口的另一个箕斗，把煤卸入 开口煤仓，上下两箕斗分别通过连接装置与两根钢丝绳相连接，绕过井架天轮后， 以相反方向缠于提升机卷筒上，当提升机运转时，钢丝绳往返提升重箕斗和下放 空箕斗，完成提升煤炭任务。 1.41.4 煤矿提升机的拖动与控制过程煤矿提升机的拖动与控制过程 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 6 图 2-4-1 为交流拖动，双箕斗提升系统常采用的速度图。它表达了提升容器 在一个提升循环内的运动规律及运动学参数，该速度图包括六个阶段，故称为六 阶段速度图。 图 1-4-1 六阶段速度示意图 1）初加速阶段。提升循环刚刚开始，并下箕斗由装载，井口箕斗尚在卸载0t 曲轨内运行，为了减少容器通过卸载曲轨时对井架的冲击，限制容器加速度及0a 在卸载曲轨内的运动速度不得太大,一般限制速度在以下。0vsm5 . 1 2）主加速阶段。箕斗已离开卸载曲轨，容器以较大的等加速度运行，直1t1a 至达到最大提升速度。对于箕斗提升（）不大于。mv1a3a 2 2 . 1sm 3）等速阶段。容器以最大速度运行。应接近经济速度。2tmvmv 4）减速阶段。重载箕斗已接近井口，空箕斗接近装载点，容器以减速度3t 运行。3a 5）爬行阶段。重载箕斗进入卸载曲轨，为减少冲击和便于准确停车，容器4t 以=0.40.5的低速爬行。爬行距离=2.55。 4 vsm 4 hm 6）停车休止时间。容器达运行终点，提升机施闸停车，井底箕斗卸载。 采用等加速的速度图形，在速度的转折点会产生力的冲击并造成电网尖峰负 荷，这种速度图形不适于采用晶闸管供电直流拖动的大型摩擦提升机。这是因为 晶闸管供电的自动调节系统动态响应快，转矩的突变将立即通过晶闸管变流装置 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 7 传至电网，引起对电网的冲击。对容量较小的电网这是难以承受的，其次是摩擦 提升防滑要求减少力的冲击和突变，以避免钢丝绳振动所引起的滑绳。 为了减少电网的尖峰负荷，或使加速度不是由最大值瞬间变为零值，可采用 抛物速度图，或在一定范围内给予一个变加速度值，使加速度逐渐地变化，速度 平稳止升为最大速度。若在加速阶段加速度以直线衰减时，该段速度图形就成mv 为抛物线速度图。这时的冲击矩和尖峰负荷都相应降低。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 8 第第二二章章 变变频频器器及及其其工工作作 2.12.1 高压变频器简介高压变频器简介 平煤集团的煤矿提升机的电动机为 高压电动机。矿井提升机是沿井筒提升煤炭、 升降人员和设备、下放材料的大型机械设备。它是矿山井下生产系统和地面工业广 场相连接的枢纽，是矿山运输的 “咽喉” ，因此，矿井提升机在矿井生产的全过程中 占据着极其重要的地位，其安全可靠性尤为突出。在矿井生产过程中，如果提升设 备出了故障，必然造成停产事故。轻者，影响煤炭产量；重者，则会危及人身安全。 此外，矿井提升机作为一个大型的机械 -电气设备，其成本和耗电量比较高，所以， 在新矿井的设计和老矿井的改建中，确定合理的提升系统时，必须经过多方面的技 术、经济比较，结合矿井的具体条件，保证提升设备在选型和运转两个方面都是合 理的，即要求矿井提升设备具有良好的经济性。 传统的矿井提升机中，高压电动机的调速方式大多为转子串电阻分级调速。但 是在生产实际应用中，电动机转子串电阻分级调速的方式具有以下弊端： 控制精度差。采用电动机转子串电阻调整，属于有极调速，在不同速度段 的切换中存在速度跳跃，其控制比较粗糙，定位不准确。 工作可靠性不高。由于在电动机转子侧串接的电阻很多，而在分段调速过程 中通常采用接触器短接上一级电阻，接触器的寿命主要体现在它的机械部分的寿命。 众所周知，机械部分的寿命比电子式的寿命要短许多，有时因电流过大，致使接触 器的触点粘在一起，无法实现切换，从而造成超速等事故发生，严重影响系统工作 的可靠性。 维护工作量大。由于采用接触器对电阻进行分段切换，因此必须经常对接触 器进行维护，大大增加了维护人员的工作强度。 耗能。电动机转子串电阻调速是一种转差功率消耗型的调速方式，在整个调 速过程中，大量的电能被消耗在电阻上，非常不经济。 稳定性较差。电动机转子串电阻调速，当在低速段运行时，稳定性差。因为 转速越低，特性越软，负载转矩波动时，引起的转速变化越大，使运行稳定性差。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 9 在矿井提升机上采用高压变频器取代转子串电阻的方法，不但能消除上述弊端， 而且还具有以下优势： 控制精度高。变频器的控制精度高，能使交流电动机的调速性能与直流电 动机的几乎相等，实现精确控制。 工作可靠性高。变频器采用的是电子器件，寿命长，且具有完善的保护功能， 用于提升机控制时，其可靠性很高。 基本无维护工作量，减低了维护人员的工作强度。 调速范围宽广，属于无级调速，低速时稳定性好。 节能。当提升绞车处于向上提升状态时，电动机工作于电动状态。由于提升 绞车属于恒转矩负载，其转速降低多大比例节能就为多大比例。当提升绞车处于下 放状态时，电动机工作于发电状态，将势能转化为电能。如果高压变频器采用的是 能量回馈型变频器，变频器将会把这种电能回馈给电网。 随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置 不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串 联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越来越为广范，这使得高效、合理 地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高 压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率 变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远 的意义。 高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流 部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流 型和电压型变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器； 按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。 2 2. .2 2 交交直直交交变变频频器器的的工工作作原原理理 交直交变频器先将工频交流电通过整流器变成直流电，在经过逆变器 将直流电变换成可控的交流电，如图 2-2-1 描绘了其主要构成环节。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 10 图 2-2-1 交-直-交变频器机构图 按照不同的控制方式，可分成三种 ：1）用可控整流器调压、用逆变器调频的 交-直交变压变频装置， 2）用不控整流器整流、斩波器调压。再用逆变器调频 的交-直-交变压变频装置， 3）用不可控整流器整流、脉宽调制（ pwm）逆变 器同时调频的交-直-交变压变频装置，其结构如图 2-2-2 。 图 2-2-2 spwm 调压调频电路图 但由于前两种都有相应的缺点 ，而第三种采用 p-mosfet 或 igbt 时，开关频 率可达 10khz 以上，输出波形以非常接近正弦波，因热又称之为正弦波脉宽逆 变器，故得到广泛应用，此次设计采用这种结构。 所谓正弦波脉宽调制（ spwm）波形，也就是与正弦波等效的一系列等副 不等宽的矩形波脉冲波形。 如图 2-2-3 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 11 to u a) b) 图6-3 o u t 图 2-2-3 pwm 调制原理图 等效的原则是每一个区间的面积相等。如果把每一个正弦半波分作n 等 分，然后把每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的 矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中点与正弦波每一等分的中 点想重合。这样，由 n 个等幅不等宽的矩形所组成的波形就与正弦波的半周等 效，称作 spwm 波形。图 2-2-4 是变压变频主电路原理图， 图 2-2-4 spwm 变压变频器主电路原理图 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 12 图中 vt1-vt6 是逆变器的六个全控是功率开关器件，它们个有一个续流二 极管反并联接。整个逆变器由三相不可控整流器供电，所提供的直流恒值电压 为 us。其中点 0 与整流器输出端滤波电容器的中点 0 连接，因而当逆变器任 一相导通时，电机绕组上获得的相电压为 us/2。各个脉冲不等宽，但中小间 距相同，都等于 /n，n 为正弦波半个周期内的脉冲数。令第 i 个矩形脉冲 的宽度为, ,其中心点相位角为 ，则根据面积等效的原则， 可写成 i i i i s 2n im1 2n u =usintdt 2 1 （） i =umcos(-)-cos(+) 2n2n i m =2u sinsin 2 i n 当 n 的数值较大是，sin/(2n)/(2n)于是 2 sin m ii s u nu 者就是说，第 i 个脉冲的宽度与该处正弦波值近似成正比。因此，与半个周期 正弦波等效的 spwm 是两侧窄、中间宽、脉宽按整形规律逐渐变化的序列脉冲 波形。 通过上述原理，波形宽度可以计算求的。但原始的脉宽调制方法是利用正 弦波作为基准的调制波（ modulation wave）,受它调制的信号成为载波 （carrier wave）,在 spwm 中常用等腰三角波当做载波。当调制波与载 波相交时，如图 2-2-5 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 13 u ra u tura ,ut o t o t u da u of u o u da -u d 图 2-2-5 单极性 pwm 控制方式图 由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻。具体的做法是，当 a 相的调制 波电压高于载波电压 ut 时，是相应的开关器件 vt1 导通输出正的脉冲电压；当 ura 低于 ut 时，使 vt1 关断，输出电压为零。在 ura 的负半周中，可用类似的方 法控制下桥臂的 vt4，输出负的脉冲电压序列。改变调制波的频率时，输出电压 基波的频率也随之改变；降低调制波的幅值时，各段脉冲的宽度都将变窄，从而 使输出电压基波的幅值也相应减小。 上述的为单极性 spwm 控制方式，如果让一桥臂上、下两个开关器件交替地导 通与关断，则输出脉冲在“正”和“负”之间变化，就得到双极式的 spwm 波形。 调制方法与单极性相似，只是输出脉冲电压的极性不同。当 uraut 时 vt1 导通， vt4 关断，使负载上得到的相电压为+us/2；当 ura a0 则说明制动力矩满足安全要求，不投入补偿制动力。 补偿增压装置用于提高矿山提升机制动系统的可靠性，适用于现役提升机使 用的各类盘式制动器。它除了作为一种后备安全保护装置外，也可针对某些制动 器制动力矩达不到规程要求时，使更换或增设制动器影响生产，费用过高等情况， 使补偿增压装置参与制动，以提高安全制动力矩。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 39 第第 5 5 章章 抗干扰电路设计抗干扰电路设计 5.15.1 主电路抗干扰措施主电路抗干扰措施 变频器系统本身既是一个很强的干扰源，同时变频器也是对干扰敏感的电子 设备，因此，抗干扰措施的设计对于变频调速系统的设计是一个重要的课题。 干扰的类型及危害：作为干扰源，变频调速系统的对外干扰主要在三个有足 够功率流动的主电路中产生，即变频器前的输入电路、连接在直流电路上的制动 电路以及变频器到电动机的输出电路。 输入电路产生的干扰主要有两个方面：冲击电流干扰和谐波干扰；回馈制动 可能产生谐波干扰；输出电路则主要产生载波干扰。 1、输入电路冲击干扰 为提高系统的动态响应，总是希望系统有快速的转矩提升速度，这意味着变 频器输出电流也有快速的变化率，即 di/dt 会大一些。 输出电路是“盲端”电路，不与外部电路直接相连，干扰主要以无线发射方 式传播。电流变化率不仅受电动机电磁惯性抑制，也受转速调节器转矩指令变化 率抑制，其绝对值并不是很高的，没有很大的无线发射功率，因此，在输出电路 的电流冲击干扰表现并不严重。 输入电路是与电网相连的，冲击电流进入电网后，一方面会引起局部电网电 压的瞬时波动，另一方面会在感性负载上产生浪涌电压，形成干扰。 输入电路冲击干扰主要危害连接在同一局部电网上有较高输入阻抗的设备， 例如，变频调速系统自身的控制电源等。 2 输入电路谐波干扰 用二极管三相桥式整流器为直流电路充电时，由于二极管的反向截止作用， 只有当三相交流电的瞬时值高于直流回路电压时，桥臂中才会有电流流过，因此， 充电电流会成为断续的，如图 5-1-1 所示。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 40 图 5-1-1 由图 5-1-1 中可以看出，在没有采取抗干扰措施时，输入电路各相电流都是 断续的，与等效正弦波形（虚线）差别很大，因此，其中有比较大的谐波成分。 电流断续现象使整流器件中电流瞬时值明显比有效值大，增加了整流器件的 负担。 谐波进入电网，对电网造成谐波污染凡要危害同一局部电网上对于谐波干扰 敏感的电子设备。同时，电流有谐波而电压却基本没有谐波，谐波频率与基波频 率不同，因此谐波电流相位不是总与基波电压的相位一致的，有无功谐波电存在， 使得输入侧等效功率因数大大降低。 3输出电路载波干扰 脉宽调制方式在输出电路上产生的锯齿状电流载波，相当于在正弦交流电波 形上叠加了一个载波频率的无线发射功率，另一方面则由于频率很高，使得输出 电缆分布电容的容抗较低，产生相对比较大的容性接地电流。 载波干扰有两个主要的危害：一个是以输出电缆作为发射天线产生的无线干 扰，会干扰周围环境中对无线干扰敏感的电子设备，也可能干扰连接在变频器模 拟量端口上的检测元件，影响闭环调节的精度，严重时使调节控制无法进行；另 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 41 一个是在输出电缆较长、潜水泵等部分电缆水下敷设、分布电容相对比较大的情 况下，产生超过标准的接地电流导致接地保护动作。 此外，输出载波会对电气计量检测设备产生干扰，降低其精度，严重时会引 起损坏，载波也会对电气保护设备产生影响，造成保护设备误动作。 4能耗制动电路的斩波干扰 能耗制动的制动单元实际是斩波干扰，由于制动电阻基本属于纯电阻负载， 斩波运行时电流几乎瞬间变化，di/dt 非常大，它能够以无线发射、对地感应、 电缆间感应等方式辐射出间歇性尖峰干扰。斩波干扰在严重时可能导致电子控制 设备误动作，甚至导致损坏。 5回馈制动电路的干扰 晶闸管有源逆变回馈时，会产生晶闸管电路特有的谐波干扰，其危害与输入 电路谐波干扰类似。由于使用了回馈变压器，即使不采用专门措施，谐波也会受 到一定程度的抑制。 脉宽调制时，会产生高频载波干扰，机制与输出电路载波干扰一致，但由于 其直接连接在局部电网上，能够通过有线途径将干扰引入局部电网，危害更大一 些。 6电网对于变频器的干扰 外部对于变频调速系统的影响，主要来自同一局部电网中，晶闸管整流设备 工作时以及补偿电容器投入切除时的电压畸变干扰。电压畸变干扰的危害，主要 是会在整流器和电容器中产生尖峰电流，可能损坏整流器和电容器。此外，电压 畸变干扰也可能影响系统控制电路的正常工作。 对于控制电源取自交流侧的变频器，电压畸变还会影响到变频器内部控制部 分的正常工作，严重时可能损坏控制部分，如造成变频器内部程序存储器被部分 改写等。许多通用变频器的控制电源取自直流侧，由于滤波电容的作用，对于电 压型干扰不敏感。 输入侧各相电流瞬时值与各相电压和直流电压的差值有关，各相电压不平衡 时，电流瞬时值会相差很大，若不平衡程度超过 3%，各相电流最大瞬时值之差可 能超过一倍，电压偏高的相整流器件负担非常重，这是电网电压三相不平衡对于 变频器的干扰作用。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 42 5 52 2 电抗器的作用及选择电抗器的作用及选择 在变频器输入侧装设电抗器，是一种多功能抗干扰措施。 在输入侧加设交流或者直流电抗器，利用电抗器压制电流变化率的特性，使 输入电流由断续变成连续，抑制输入侧谐波干扰，也抑制外部对变频器的电压畸 变干扰，同时，也有抑制输入电路冲击干扰的作用。 无电抗器时交流侧和直流侧电流都是断续的，有交流电抗器时，交流侧电流 连续了，直流侧电流则由交流侧三相电流合成，也是连续的。电流连续后，实际 电流与正弦曲线的偏差变小，也即谐波变小，谐波干扰被抑制了。大电感时电流 波形更接近正弦曲线一些，抑制谐波的效果更好。 直流电抗器作用机制与交流电抗器略有不同，它的作用是直接使直流电流连 续，交流侧各相电流则由三相电位关系自然确定。由于二极管反电位时会截止， 因此，交流侧各相每导通 120电角度，就会截止 60电角度，任一时刻只有两 相导通形成回路。也就是说，装设直流电抗器时，交流侧相电流仍然是断续的。 由于截止区是等效正弦波的过零点附近，因此，交流侧相电流与正弦曲线的偏差 并不十分大，与无电抗器情况比较，谐波干扰仍然被很好地抑制了。 加设交流电抗器后，电流的最大瞬时值压低了，各相不平衡的差异也被抑制， 但各相电流有效值仍然会有差异。直流电抗器也能够压低最大瞬时值，减少不平 衡差异，但由于不平衡情况不仅影响各相波形的幅值，也会影响到导通/截止角 度，也即电压偏高的相导通角度变宽，截止角度变窄，使电流有效值的剩余不平 衡因素比交流电抗器时大。 交流电抗器使电流连续，等效功率因数提高了，但等效正弦曲线本身的相位 却移动了，这是因为电抗器本身是感性负载的缘故。直流电抗器不影响的交流电 的电位关系，因此，导通和截止区的切换点由交流电压决定，等效正弦电流曲线 的相位基本与电压曲线相位一致，这就使直流电抗器改善功率因数的效果更好。 电网电压畸变对于变频器的危害主要是加大整流器和电容器中的电流峰值， 显然，交流电抗器和直流电抗器都能够明显抑制电流峰值，起到抗干扰作用。如 果只为了解决这方面干扰作用，则一般在低压变压器容量很大（例如，与变频器 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 43 容量之比大于 10 倍） ，变频器又很靠近变压器（例如，安装在变压器出线位置的 低压配电柜内） ，线路阻抗很小时，才需要装设交流或者直流电抗器。 交流电抗器和直流电抗器都能够有效降低整流器件的电流瞬时值；都能够有 效抑制冲击干扰；都能够有效抑制电网畸变对于变频器的干扰；都能够有效抑制 变频器对于局部电网的谐波干扰，但交流电抗器的抑制能力优于直流电抗器；都 能够改善电源侧功率因数使其接近于 1，但直流电抗器的改善能力优于交流电抗 器；都能够抑制电网电压三相不平衡的危害，但交流电抗器的抑制作用优于直流 电抗器。 综上所述，交流电抗器和直流电抗器都是多功能的抗干扰，两者作用近似而 略有差别，在工程实践中，通常只采用其中一种电抗器接入输入电路。 许多变频器厂家把电抗器作为标准配置装设在变频器内部了，由于交流电抗 器需要三个线圈而直流电抗器只需要一个，在效果差不多时直流电抗器的体积更 小，因此，厂家提供的内置电抗器通常是直流电抗器。对这种情况，可以不再考 虑电抗器问题，但需要注意，即使同一厂家同一型号的变频器，不同规格时也可 能有的配备了有的却没有配备内置电抗器，选型时需要从样本上加以核实。 对于没有内置直流电抗器的变频器，应该为系统配备输入侧电抗器，这时通 常配备交流电抗器。可选择厂家提供的交流电抗器，或者选择通用的标准电抗器， 也可以自行定做，后两种方式通常能够节省成本，尤其是采用接口品牌变频器时。 5.35.3 主电路其他抗干扰对策主电路其他抗干扰对策 交流或者直流电抗器抑制了变频器对于电网以及电网对于变频器的大部分干 扰，一般而言，输入侧电抗器总是需要的。除了这些干扰外，还有其他抗干扰措 施： 1、输入侧噪声滤波器 有了电抗器之后的输入电流里仍然剩余有谐波成分。如果要进一步抑制这些 谐波成分，需要输入侧噪声滤波器。 输入侧噪声滤波器是由电容和电感组成的复合电路，它对谐波的滤除作用优 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 44 于单纯的电抗器。输入侧噪声滤波器的安装位置是在变频器前，其他低压电器之 后。如果装设了输入侧交流电抗器，则滤波应该在电抗器之后。 加装了电抗器后，输入侧的干扰情况对于变频器自身工作一般已经没有妨碍 了。有了电抗器之后，变频器对电网的谐波干涉也已经符合常规的电磁兼容标准， 也即对于同样符合常规电磁兼容标准的电子设备的工作应该没有危害了。它只在 电网中连接有抗谐波干扰能力较差，因此对电磁兼容的要求很高的电子设备时选 择。 在我国，电网的谐波治理水平偏低，变频器往往不是局部电网中惟一的谐波 干扰源，因此，当电网中连接有电磁兼容要求特别高的设备时，在该设备前端装 设滤波器的方法更加合理一些。 2、输出侧噪声滤波器 针对输出侧高频载波干扰，可采取的对策有两类：一是减少和抑制高频载波 的成分；二是阻断载波干扰的传播途径。加装输出侧噪声滤波器属于第一类对策， 即减少载波成分的对策，输出噪声滤波器的安装位置在变频器输出侧最靠近变频 器。 ss 科技大学本科毕业设计（论文） 45 结 论 此次论文是设计主要是针对 plc 及变频器的应用从而改善煤矿提升机的运行 状态。经过这次设计得到，plc 的运用可以很好对系统的运行进行保护和监控， 使系统运行的更安全可靠。变频器改变供电频率，从而实现变频调速，成功的实 现了提升机大范围的无级平滑调速，在运行过程中可以根据电机的负载状况使电 机处于最佳的运行状态，从而满足复杂特殊工作环境的运行要求。但在此次设计 中也有许多方面有待解决，有些原理由于篇幅的限制没能详细的描述，看起来不 够详尽。 河南科技大学本科毕业设计论文 46 参考文献参考文献 1黄狄庆，吴子岳编著矿井提升机理想 s 形速度运行曲线的模型研究， 煤矿机械，feb.2006,vol.27no.2 2葛世荣，曲荣廉等编著矿井提升机可靠性技术 徐州：中国矿业大学 出版社，1994.6 3何风有，谭国俊编著矿井直流提升机计算机控制技术 徐州：中国矿 业大学出版社，2003.8 4李道霖主编电气控制与 plc 原理及应用 西门子系列北京：电子工 业出版社，2004.8 5王树编著变频调速系统设计与应用.北京：机械工业出版社，2005.4 6顾永辉、范廷瓒编著煤矿电工手册（第三分册）提升机电力拖动 （交流部分） 北京：煤炭工业出版社，1980.8 7王青灵，龚幼民编著现代矿井提升机电控系统北京：机械工业出版 社，1996.12 8马建民，赵增玉编著现代提升机数字控制系统徐州：中国矿业大学 出版社，2002.8 9孙玉容，周法孔编著.矿井提升设备.北京:煤炭工业出版社,2007.4 10倚鹏主编.高压大功率变频器技术原理与应用.北京:人民邮电出版社, 2008.2 河南科技大学本科毕业设计论文 47 致致 谢谢 经过这一段的努力学习，毕业设计论文终于按照设计任务书的要求按时完成 了。刚一开始我对这个课题的了解很肤浅，经过指导老师 杨文方老师的细心讲解才对 此有所了解，后来 杨老师又亲自带着我们到现场进行了实地参观，这才对自己的设 计课题有了一定的认识，知道了自己的努力方向。 通过对以前课本上知识的回顾，又在学校图书馆查到了一些相关的资料后便开 始对自己的设计课题进行了学习和研究。就我国煤矿情况来看，提升机大都采用转 子金属电阻调速的交流绕线异步电动机拖动和电动发电机组供电的直流他激电动机。 至80 年代，提升机相继用了交流绕线异步电动机串级调速、晶闸管供电的直流他 激电动机拖动。近年来才从国外引进了交 直-交变频同步电动机拖动。由于设计的 课题的核心是高压变频技术，这项技术涉及到多学科理论知识，其实践领域覆盖面 又极其广泛，况且还要将此项技术与煤矿提升机的实际工况要求相结合，采用 plc 进 行控制，所以此次设计课题无论是从广度上和难度上都是显而易见的。杨老师也时刻 观注着自己的设计，不时的询问自己的设计进度和在设计中所遇到的问题，并帮助 我解决许多疑问。 在设计过程中，一方面不断查阅相关书籍，学习相关知识，一方面又不断进行 独立思考，提出自己对一些问题的见解和自己的设计思路，并且和同学们进行深入 的探讨。矿井提升机是沿井筒提升煤炭、升降人员和设备、下放材料的大型机械设 备。它是矿山井下生产系统和地面工业广场相连接的枢纽，是矿山运输的“咽喉” ， 因此，矿井提升机在矿井生产的全过程中占据着极其重要的地位，其安全可靠性尤 为突出。在矿井生产过程中，如果提升设备出了故障，必然造成停产事故。轻者， 影响煤炭产量；重者，则会危及人身安全。此外，矿井提升机作为一个大型的机械- 河南科技大学本科毕业设计论文 48 电气设备，其成本和耗电量比较高，所以，在新矿井的设计和老矿井的改建中，确定 合理的提升系统时，必须经过多方面的技术、经济比较，结合矿井的具体条件，保证 提升设备在选型和运转两个方面都是合理的，即要求矿井提升设备具有良好的经济性。 由于设计的课题的意义重大且难度较高，如果没有指导老 师杨老师，以及同学们 帮助，这此设计是难以完成的。现在在 向老师提交设计论文的时刻， 向老师和同学再 次表示深深的感谢。 。 河南科技大学本科毕业设计论文 49 附 录 1.1.交交- -直直- -交变压变频器交变压变频器 交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通 过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如下图所示。 变压变频 (vvvf) 中间直流环节恒压恒频 (cvcf) 逆变 dc ac ac 50hz 整流 由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流 环节” ，所以又称间接式的变压变频器。 具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控 整流器和由功率开关器件（p-mosfet，igbt 等）组成的脉宽调制（pwm）逆变器， 简称 pwm 变压变频器，如下图所示。 交-直-交pwm变压变频器基本结构 交-直-交pwm变压变频器 变压变频 (vvvf) 中间直流环节恒压恒频 (cvcf) pwm 逆变器逆变器 dc ac ac 50hz 调压调频 c pwm 变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点： 河南科技大学本科毕业设计论文 50 （1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节 电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行 控制，电路也简单，效率高。 （2）输出电压波形虽是一系列的 pwm 波，但由于采用了恰当的 pwm 控制技术， 正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动 小，提高了系统的调速范围和稳态性能。 （3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的 影响，系统的动态性能也得以提高。 （4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电 压大小的影响。 pwm 变压变频器常用的功率开关器件有：p-mosfet，igbt，gto 和替代 gto 的 电压控制器件如 igct、iegt 等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特 大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（scr） ，并用可控整流器 调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见下图。 scr可控整流器 六拍逆变器 dc ac ac 50hz 调频 调压 可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器 2.2. 河南科技大学本科毕业设计论文 51 图6-6 uruc u o t o t uouof uo ud -ud 双极性 pwm 控制方式图 河南科技大学本科毕业设计论文 52 系统总电路图 河南科技大学本科毕业设计论文 53 plc 在自动磨花机中的应用 1. 概述 由变频器构成的交流调速系统普遍存在的问题是，系统运行在低频区域时,其性能不够理 想,主要表现在低频启动时启动转矩小,造成系统启动困难甚至无法启动。由于变频器的非 线性产生的高次谐波，引起电动机的转距脉动及电动机发热，并且电动机运行噪声也加 大。低频稳态运行时，受电网电压波动或系统负载的变化及变频器输出电压波形的奇变， 将造成电动机的抖动。当变频器距电动机距离较大时及高次谐波对控制电路的干扰，极 易引起电动机的爬行。由于上述各种现象，严重降低由变频器构成的调速系统的调速特 性和动态品质指标，本文对系统的低频机械特性和变频器的低频特性进行分析，提出采 取相应的措施，以使系统的低频运行特性能得以改善。 2 .变频器低频机械特性 2.1 低频启动特性 异步电动机改变定子频率 f1,即可平滑地调节电动机的同步转速,但是随着 f1 的变化,电动机 的机械特性也将发生改变,尤其是在低频区域,根据异步电动机的最大转距公式: temax=3/2np(u1/w1)2/r1/w1+/(r2/w1)2+(ll1+ll2)2 式中 np电动机极对数; r1定子每相电阻; r2折合到定子侧的转子每相电阻; ll1定子每相漏感; ll2折合到定子侧的转子每漏感; u1电动机定子每相电压; w1电源角频率 可见 temax 是随着 w1 的降低而减小，在低频时，r1 已不可忽略。temax 将随着 w1 的 减小而减小，启动转距也将减小，甚至不能带动负载。 2.2 低频稳态特性 电动机稳态运行时的转距公式如下: tl=3np(u1/w1)2sw1r2/(sr1+r2)2+s2w2(ll1+ll2)2 在角频率 w1 为额定时,r1 可以忽略。而在低频时,