毕业设计（论文）-_矿井提升机变频调速控制系统研究.doc

安徽理工大学继续教育学院毕业设计 中文摘要：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。关键词：提升机调速控制系统、矿山提升机改造、PLC绪论：本论文的研究目标是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿山实际生产中，对现有的提升机电控系统进行改造设计，提高精度，在更安全的范围内保证矿山生产的顺利进行。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。尤其在软件中采用提升机电控系统中断模块及故障处理模块，使超速报警更加科学合理。为了更直观的显示提升机的工作状态及故障来源，增加了提升机监视控制系统，通过显示器对整个提升系统进行监控。正文：1、研究背景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，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。2、矿井提升机调速控制系统分析2.1引言目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确；提升机频繁的起动调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗，节能较差；这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。鉴于此有必要对提升机的控制方式及调速性能做进一步的分析。2.2提升机工作原理及机械结构(1)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（单提升，多数煤矿都采用单提升），在电机的驱动下将装满煤的列车从斜井拖上来；卸载完成后，再将空车在电机的拖动下沿斜井放下去。当提升机需要停车时，从操作台发出停车指令，从而对卷筒进行抱闸制动。矿井提升的整个过程可以分为五个阶段加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。加速阶段是提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是箕斗定位和准备安全停车阶段。(2) 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，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。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（即脉冲宽度调制，PWM）来改变输出电压的极性和大小。与V-M系统相比，直流PWM调速系统性能更优越：a、低速运行平稳，电机损耗及发热小b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强。2.3.2提升机交流调速性能分析矿井提升机调速系统采用交流异步电动机拖动，其交流异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率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，获得较高效率的平滑调速特性。二、变频调速方法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22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（作用）”表达式形式表示的控制规则，通过模糊推理处理得到控制作用集，作用于被控对象或过程控制，作用集为一组条件语句，状态条件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“高”、“低”、“正常”等。一般的模糊算法包括以下五个步骤：A、定义模糊子集，建立模糊控制规则；B、由基本论域转化为模糊集合论域；C、模糊关系矩阵运算；D、模糊推理合成，求出控制输出模糊子集；E、进行逆模糊运算、模糊判决，得到精确控制量；二、提升机模糊控制系统原理图在对提升机的转速控制中，采用二维的输入变量即使用误差和误差的变化率。实现模糊控制的原理框图如图23所示：PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号e、误差变化率de/dt，把误差信号和误差变化率的精确量模糊化变成模糊量E、Ec再经过模糊推理得到模糊控制量U，进行解模糊处理得到控制信号u，送入变频器从而对被控对象实施控制。与传统控制方式相比，模糊控制是一种非线性的控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合于非线性系统的控制。但信息简单的模糊处理导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度，则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。2.4.3直接转矩控制系统1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)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，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。由异步电动机两相绕组模型可得出矢量变换控制的思路是：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：（1）可以从零转速起进行速度控制，即在低转速下亦能可靠运行，调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；(2)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。设计中同时考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。3、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、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（SB61G110KW）可以将工频三相交流电经过交直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电，经变频后输出U,V,W来驱动电机的运行。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的行走距离。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。3.3提升机电控系统变频器选择本调速控制系统包括：德国的西门子(Siemens)公司生产的模块式PLC S7-300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，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SB61系列SB61G110KW通用变频器，其变频调速系统主电路如图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：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 I1cn：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1.4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（误差0.1%0.5%），开环转矩阶跃上升时间小于5 ms，起动转矩可达200%，并具有有效的磁通制动来提供最大可能的制动力矩。尤其它还提供了绞车应用宏程序，可以实现绞车过载保护、过卷保护、超速保护和各种故障监控及报警，模块化功能可方便实现施工现场多台绞车同步控制，确保使用时安全快速运行、故障处理容易、维护简单。根据变频器所需容量，查变频器型号规格：选择森兰SB61G110KW通用型变频器。其标称参数如表32所示：表32森兰SB61G110KW通用型变频器的参数3.4.2变频器外部电路设计 变频器可以输出频率可调的交流电源，另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，外部电路连接如图33所示。1 声光报警回路(1)、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（即RC震荡电路）。(2)、声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“30B-30A”控制，当变频器跳闸时，触点“30B-30A”闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1为止，报警才能解除。另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容吸收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。2 制动控制回路提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0 Hz时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)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）RB的阻值一般情况下，RB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）RB的功率PB由于RB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，ab为选用系数，取值范围约为ab=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ab=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34，制动单元BV的功能是，当直流回路的电压Ud超过规定的限值勤时，接通耗能电路，使直流回路通过RB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Vb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Vb的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出Ud的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制Vb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Vb导通或截止。（II）功率管Vb的选用Vb的常用器件是GTR或IGBT。其主要参数的一般选择方法如下：a）击穿电压Ucex在电源电压为380V时，选Ucex=1000V即可。b）集电极最大电流Icm按正常电压下流经Rb的电流的两倍来选择三、直流制动单元能耗制动和直流制动配合使用能达到理想的制动效果。（一） 直流制动原理：所谓直流制动，就是向电动机的定子绕组内通入直流电流，使异步电动机处于能耗制动状态。具体操作是，将电机与变频器切断后向定子绕组内通入直流电流，定子磁场是静止的。这时，转子绕组切割磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反，是制动转矩。因为转子绕组切割磁力线的速度较大，所产生的制动转矩比较强烈，从而可缩短停机时间。此外，直流磁场本身具有吸住转子的作用，可以有效地消除转子的蠕动。（二） 直流制动功能预置A、直流制动的起始频率fDB，通常直流制动都是和再生制动配合使用的。即：首先用再生制动方式将电动机的转速降至较低转速，然后再转换成直流制动，使电动机迅速停住。转换时对应的频率即为直流制动的起始频率fDB，如图所示。预置起始频率fDB的主要依据是负载对制动时间的要求，要求制动时间越短，则起始频率fDB应越高。B、直流制动强度即预置在定子绕组上施加直流电压UDB或直流电流IDB的大小，它决定了直流制动的强度，如图35所示。预置直流制动电压UDB (或制动电流IDB)的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，直流制动强度(UDB或IDB)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tDB即施加直流制动时间的长短。预置直流制动时间tDB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，tDB应适当长一些。直流制动功能预置参数F403、F404、F405设置（见附录：变频器各项参数设定）。 图35直流制动功能预置3.5 PLC控制部分设计3.5.1基本控制功能PLC是本控制系统中关键的一环，其主要控制电路如图36所示，主要的控制功能有如下几项：主令操作控制、保护监视控制。主令操作控制，对系统进行管理，实现提升机与操作台之间的指令传递，向提升系统发出相应的指令，并改变相应电控系统的工作状态，使提升机按照预定的力图和速度图安全运行，运行方式可分为启动、等速运行、减速、爬行、停车。PLC根据运行方式对变频器实现S形速度给定控制，实现箕斗运行速度的准S形曲线。PLC还完成各种保护监视功能。监控内容主要包括：超速监视、过卷监视、实时速度监视、井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、过载监视、深度指示器监视等，以上监视内容出现故障时，通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护。1、起动，停车(1)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。（1） 计数脉冲的计算OMRON系列编码器E6C2-CWZ6C型允许脉冲输入最大频率为100KHZ，记为fD ，选择提升机最大允许速度Vmax=7m/s，本系统中所选电机转速为n=750r/min。为了在位置检测中取得很大的控制精度，应在允许范围内选取尽可能多的脉冲数，即选择每转输出脉冲数多的旋转编码器。设P为旋转编码器每转输出脉冲数。则：fDn|F得到：查OMRON系列编码器规格，选取每转输出1000个脉冲的编码器。这样每两个脉冲间隔中，矿车所运行的距离为： 图37旋转编码器与PLC连接图（2）FUN(98)功能指令计数器能够根据提升机运行方向对当前计数进行加一或减一计数。通过PLC高速脉冲输入端输入的脉冲，由高速计数器FUN(98)指令累计并存于CNT47中(这时CNT47为其专用)，该指令可将当前计数值与设定在数据寄存器的DM32-DM63中的上下限值进行比较，然后，依照比较结果在FUN(98)指令指定的通道产生相应的输出。若当前计数值在设定的上下限值范围内，则对应的输出点为ON，反之为OFF。通过设定上下限值可按距离原则发出过卷信号。同时，计数值也能够经过计算得出目前矿车所在的位置及提升机运行速度。通过显示器显示出来，供操作员参考。另外，为了减小累计行程误差，分别在井筒和井底安装了两个同步开关，对行程位置进行校准。同时这两个同步开关还用作两个减速点用。在初次调试时，两个减速点和同步开关的位置都应设定好。要实现提升机矢量控制变频调速还需要对变频器进行参数设置，各参数设置参见附录。3.6硬件调速控制系统保护措施3.6.1空气断路器短路保护短路保护应满足以下要求：（1）当电动机发生相间短路或在中性点直接接地系统中发生单相接地短路时，保护装置应能切断故障电路。（2）当电动机正常起动或制动时，保护装置不应动作。空气断路器可以用来频繁地起动电动机并对电动机实现保护，由于有良好完备的灭弧装置，操作速度也由弹簧机构执行，迅速可靠。因此，用来控制电动机时，其额定电流(即指主触头的额定电流)选择得大于或等于电动机额定电流1.31.4倍即可。即Ik1.3Io式中：Ik空气断路器的额定电流（A）；Io电机正常工作时的额定电流（A）。空气断路器的额定电压应大于或等于电动机额定电压所以选用：富士康SA203BA断路器，其最大额定电流：225A，额定隔离电压：AC 690V，额定分断容量：30KA（在AC 380V下）3.6.2热继电器过载保护矿山提升机由于负载沉重而需要限制起动时间，又容易堵转，且又长期处于频繁起动-停止状态，容易出现过载现象，所以需要对电机进行过载保护。过载保护一般采用热继电器保护。若用自动空气开关保护，应选用带长延时脱扣器的自动空气开关。对大功率的重要电动机采用反时限特性的过电流继电器进行过载保护。保护措施主要是通过切断电动机电源的方法实现保护。在一些特殊场合，也可以通过发出警报或使电动机自动减载来实现保护。本系统采用热继电器对电机进行保护。一般情况下，根据电动机的额定电流的1.11.25倍选取热继电器的额定电流。热继电器的整定值Ifz一般为电动机额定电流值Io。即：Ifz=Io根据电机实际负载与工艺流程的要求，也可上下波动5%，本系统取1.05倍电流保护，即：Ifz=1.05Io=1.05*148=155.4另外，根据矿山提升系统的要求，还应对提升机进行断相保护，因此应选用带断相保护装置的热继电器，本控制系统选用乐清市三亚电器制造厂生产的：JRS2-12.5/Z。它具有断相保护，清晰度补偿，脱扣指示功能，并能自动与手动复位。3.6.3调速控制系统抗干扰处理 1、对于PLC和变频器组成的控制系统来说，抗干扰处理非常重要。PLC工作灵敏度高，很容易受到各种电磁干扰，引起误动作。目前市场上出售的变频器输出电流中含有多种谐波，是强电磁干扰源。为了防止变频器对PLC的干扰，PLC的安装应尽量远离变频器。2、变频器和PLC周围的控制回路的接触器，继电器的线圈、触点在开闭时，会因电流急剧变化而产生很强的电磁干扰，有时会使变频器和PLC的控制回路产生误动作，需要在这种干扰源的线圈、触点两端并联一组阻容吸收回路，以起到滤波作用，可以滤除变频器对输出点电源的干扰。针对不同的PLC，阻容吸收回路的参数可能不同，根据现场情况可以自行调整。3、变频器和PLC安装于矿山提升系统中，常处于高湿度的场所，常发生绝缘劣化和金属部分腐蚀。所以必须加装除湿装置，防止变频器和PLC停止工作时结露。另外在提升机周围振动大，需在变频器和PLC侧加装隔振器或防振橡胶。以减少振动对其性能的影响。4、将变频器安装在封闭的开关柜内，既可以防止电磁辐射的污染，也可以屏蔽外来干扰，但是附加投资较高，散热性能变差，一般用于户外或粉尘污染严重等较为恶劣场所。变频器的安装应当远离对噪声敏感的装置。5、变频器、电动机和变频器负荷电缆屏蔽层的两端必须就近可靠接地，规范的接地方式不但可以保证人身安全，而且可以减少电磁辐射和嗓声，必要时可考虑设置变频器专用接地装置。6、输入输出滤波变频器输出交流电后应加入滤波器，然后再将滤波后的交流电送入电机，对电机进行调速。变频器的一次侧安装进线电抗器，可以降低谐波电流，改善功率因数，最大限度地减少谐波对电动机以及其他弱电设备的影响；抑制电网电压的电流冲击，有效地保护变频器，免受其他产生谐波的设备谐波的影响。变频器二次侧安装的负载电抗器，又称输出电抗器。它补偿长导线充电电流，从而限制电缆容性充电电流，使电动机在引线较长时电动机免受过电压、PWM电压脉冲的电气应力、过热和定子绝缘恶化等损害；同时，吸收输出谐波，降低电动机噪声；限制电动机绕组电压上升率；起限流器的作用，在电动机短路的情况下保护变频器；减缓短路电流上升率，保护电路有时间对短路作出反应；会吸收电动机负载引起的电流浪涌，可避免变频器误跳闸。从提高变频器安全可靠运行角度，相比较而言，进线电抗器起主要作用。正确选用合适的电抗器与变频器配套使用，提高了变频器系统的可靠性、运行性能和效率，延长了变频器和电动机的寿命。如果不加入输出滤波器，三电平变频器输出时，电机电流总谐波失真可以达到17%左右，会引起电机谐波发热，转矩脉动