煤矿提升机变频调速拖动及PLC控制系统初步设计.doc

河南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 河南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 河南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 5 2 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 河南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 河南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 河南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 20 25m 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 河南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 河南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 1 1 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 2 1 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 河南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 3 2 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 河南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 4 1 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 河南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 4 0 5的低速爬行 爬行距离 2 5 5 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 河南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 河南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 1 2 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 河南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 河南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 河南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 河南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 Um cos 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 河南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 Ura Ut 时 VT1 导通 VT4 关断 使负载上得到的相电压为 Us 2 当 Ura Ut 时 VT1 关断而 VT4 导通 则负载上得到的相电压幅值 Us 2 所以相电压是以 Us 2 和 Us 2 为幅值作正 负跳变的脉冲波形 同理 当由 VT3 和 VT6 交替导通 VT5 和 VT2 交替导通便可 得到三相双极式正弦波脉宽调制波形 此次设计选用山东新风光生产的型号 JD BP38 F 变频器 JD BP 系列是山 河南科技大学本科毕业设计 论文 14 东新风光电子科技发展有限公司采用全新理念自主开发的一系列高性能 简易型 低噪音新型变频器 在提高稳定性的前提下增加了简易 PLC 实用的 PI 调节 灵活的输入输出端子 参数在线修改 自识别信号传输故障 停电和停机参数存 储 定长控制 摆频控制 RS485 控制 现场总线控制等一系列实用先进的运行 控制功能 为设备制造和终端客户提供了集成度高的一体化解决方案 对降低系 统采购和运营成本 提高系统可靠性具有极大的帮助 它的启动力矩大 制动性 能好 在加速减速过程中可以平滑增加或减少 无冲击现象 远距离操作及显示 能显示多种设置参数及运行参数 三种制动方式 1 直流制动 当提上机处在停机无抱闸状态时 变频器会输出直流信号用于 制动 2 能耗制动 用能耗电阻消耗再生能量 3 回馈制动 带有能量回馈单元 将制动时产生的再生能量回馈给电网 它采用了近几年才发展起来的一种电路拓扑结构 它主要由输入变压器 功 率单元和控制单元三大部分组成 采用模块化设计 由于采用功率单元相互串联 的办法解决了高压的难题而得名 可直接驱动交流电动机 无需输出变压器 更 不需要任何形式的滤波器 以 6 单元串联为例 整套变频器共有 18 个功率单元 每相由 6 台功率单元相串联 并组成 Y 形连接 直接驱动电机 每台功率单元电 路 结构完全相同 可以互换 也可以互为备用 变频器的输入部分是一台 移相变压器 原边 Y 形连接 副边采用沿边三角形连接 共 18 副三相绕组 分 别为每台功率单元供电 它们被平均分成 三大部分 每部分具有 6 副 三相小绕组 之间均匀相位移 10 度 该变频器的特点如下 整流电路的多重化 脉冲数多达 36 功率因数 高 输入谐波小 模块化设计 结构紧凑 维护方便 增强了产品的互换性 直接高压输出 无需输出变压器 极低的 dv dt 输出 无需任何形式的滤 波器 采用光纤通讯技术 提高了产品的抗干扰能力和可靠性 功率单 元自动旁通电路 能够实现故障不停机功能 核心关键技术 河南科技大学本科毕业设计 论文 15 1 正弦波技术 高压电机对 变频器的输出电压波形有严格的要求 是业 内人士都知道的常识 解 决变频器输出电压波形 从两方面着手 一是优化 PWM 波形 二是研制出特种滤波器 2 抗共模电压技术 仅解决 IGBT 的串联 并不能甩掉输入 变压器 原 因在于共模电压的存在 在低压 变频器领域 近年来发现的电机轴承损坏 共 模电压就是影响之一 在高压 变频器的领域中 共模电压更是必须解决的关键 问题之一 共模电压 也叫零序电压 是指电动机定子绕组的中心点和地之间 的电压 共模电压也是对外产生干扰的原因 特别是长线传输设备 无论是电流源 还是电压源变频器产生共模电压是必然的 技术人员根据共模电压产生的机理 采取了 堵和疏 的办法将共模电压消灭在 变频器内部 由于采用了上述三项核心关键技术 使 IGBT 直接高压变频器的效率达到 98 以上 输出电压正弦化 共模电压最小化 适用于任何异步电机 同步电机 无需降容使用 几千米的长线传输也无问题 对于传输距离太长时应考虑线路 电压补偿 如提高电压或增大导线截面等 该系统特点为 1 电压等级为 3kV 10kV 2 系统自带专门设计的高压开关柜 与本身高压 变频器高效安全配套 并含有变 工频切换装置和电子式真空断路器 3 全中文操作界面 基于 Windows 操作平台 便于就地监控 设定参 数 选择功能和调试 4 高压主电路与低压 控制电路采用光纤传输 安全隔离 使得系统抗干 扰能力强 5 控制电路通讯方式采用全数字化通讯 6 系统的整流单元 逆变单元设计 选用组合模块化积木结构 整机占 地面积小 重量轻 便于安装 维护 7 装置可在本机上操作 也可实现远距离外控 具备完善 方便的操作 功能选择 8 系统具有标准的计算机通讯接口 RS232 或 RS422 RS485 可方便的 河南科技大学本科毕业设计 论文 16 与用户 DCS 系统或工控系统组态建立整个系统的工作站 进一步提高系统的 自动化控制程度 实现整个工控系统的全闭环 监控 从而获得更加完善的 可 靠自动化运行 10 具备全面的故障监测 可靠的故障 报警保护功能 11 输入功率因数高 输出电压谐波含量小 无需功率因数补偿和谐波 抑制器 11 输出电压为标准正弦波形 对电缆和电动机的绝缘无损害 减轻电 动机的轴承和叶片等机械部分震动和磨损 延长电动机的使用寿命 输出至电 动机的线缆长度可达 20km 12 采用独特的抗共模电压技术 使系统中共模电压 1000V 无需再 提高电动机的绝缘等级 无需专用电机 2 3 2 3 变频调速主电路设计变频调速主电路设计 变频器可以输出频率可调的交流电源 在变频器的控制输入回路中接入频 率设定电路 本系统中通过 PLC 输出电压信号 0 12 V 来控制变频器的频率 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 报警和安全制动 更有效的对控制系统进行安全保护 变频调速主控电路如图 2 3 1 所示 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 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 同时 常开 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 河南科技大学本科毕业设计 论文 17 图 2 3 1 变频调速主控电路 河南科技大学本科毕业设计 论文 18 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 3 1 变变频频调调速速控控制制系系统统概概述述 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 系统原理框图如图3 1 1 所示 各部分功能如下 3 1 1 立井提升机高压变频控制示意图 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 变频器 是动力站的能量供给单元 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 河南科技大学本科毕业设计 论文 19 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 控制系统工作原理 当井口或井底通过信号通信电路发出开车信号后 开 车条件具备 司机将制动手柄向前推离紧闸位置 PLC 控制器将高压动力电源 接入变频器 再松开液压制动闸并将主令控制器推到正向 或反向 提升机 开始运行 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 转换器转换 将数字量转换为模拟量 并由模拟量 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 利 用旋转编码器将提升机的运行位置转化为脉冲 plc 对此脉冲进行高速计数 通 过相应的计算自动生成提升机位置的相关数据 传送到 PLC 内部 S 计数器的存 储单元 PLC 通过该信号可以累计计算提升机的速度及行走距离 根据提升机 运行的状况和距离加以控制 完成煤矿的运行 3 2 3 2 PLCPLC 控制系统控制系统介绍介绍 可编程逻辑控制器 Programmable Logic Controller 通常也简称为可 编程控制器 英文缩写为 PC 或 PLC 是以微处理器为基础 综合计算机技术 自 动控制技术和通讯技术而发展起来的一种通用的工业自动控制装置 它具有体 积小 功能强 程序设计简单 灵活通用 维护方便等优点 特别是它的高可 靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力更是得到用户的好评 它将传统的继电 器控制技术和现代计算机信息处理两者的优点结合起来 成为工业自动化领域 中最重要 应用最多的控制设备 目前已广泛应用于冶金 能源 化工 交通 电力等行业 并已跃居现代工业控制三大支柱 PLC 机器人和 CAD CMA 的 首位 河南科技大学本科毕业设计 论文 20 由于工业控制现场被控对象的多样性和复杂性 可编程序控制器的使用环 境的特殊性和运行工作的连续长期性 使得可编程序控制器在设计 结构上具 有许多其他控制器无法比拟的特点 1 可靠性高 抗干扰能力强 这是 PLC 用户关心的首要问题 为了满足 PLC 专在工业环境下应用的要求 PLC 采用了如下硬件和软件措施 1 光电耦合隔离和 R C 滤波器 有效的防止了各类电磁干扰信号的进 入 2 采用内部电磁屏蔽 防止辐射干扰 3 采用优良的开关电源 防止电源线引入的干扰 4 具有良好的自诊断功能 可以对 CPU 等内部电路进行检测 一旦出 错 立即报警 5 程序及有关数据用电池供电进行备份 一旦电源断电或运行停止 有 关状态及信息不会丢失 6 采用了冗余技术进一步增强可编程序控制器的可靠性 对于某些大型 的 PLC 采用双 CPU 构成冗余系统 或三 CPU 构成表决式系统 7 对采用的器件都进行严格的筛选和老化处理 排除了因器件可靠问题 而造成的故障 随着构成 PLC 的元器件自身性能的提高 PLC 整体的可靠性也在相应提高 一般 PLC 的平均无故障时间可达到几万小时以上 某些 PLC 的生产厂家甚至 宣布 今后生产的可编程序控制器不再标明可靠性这一指标 因为对可编程序 控制器这一指标已毫无意义了 经过大量实践 人们发现PLC 系统在使用中 发生的故障 大多是由于 PLC 的外部开关 传感器 执行机构引起的 而不是 PLC 自身的问题产生的 2 通用性强 使用方便 现在的 PLC 产品都已系列化了 PLC 配备有各种各样 种类齐全的 I O 模 块和配套部件用户选用 可以很方便地搭建成可满足不同控制要求的控制系统 用户不再需要自己设计和制作相应的硬件装置 在确定了PLC 的硬件配置和 I O 外部接线后 用户所做的工作只是程序设计而已 河南科技大学本科毕业设计 论文 21 3 程序设计简单 易学易懂 PLC 是一种工业自动化控制装置 其主要的使用对象是广大电气技术人员 PLC 生产厂家大都根据这种实际情况 一般不采用微机所用的编程语言 而采 用与继电器控制原理图非常相似的梯形图语言 工程技术人员学习和使用这种 语言十分方便 4 采用先进的模块化结构 系统组合灵活方便 PLC 的各个部件 包括 CPU 电源 I O 通道等均采用模块化设计 由机 架和电缆将各模块连接起来 系统的功能和规模可根据用户的实际需求自行组 合 这样便可满足用户要求的合理的性能价格比 5 系统设计周期短 由于系统硬件的设计任务仅是依据对象的要求配置适当的模块 如同吃饭 从菜单中点菜一样方便 这就大大缩短了整个设计所花费的时间 加快了整个 工程设计的进度 6 安装简便 调试方便 维护工作量小 可编程序控制器一般不需要专门的机房 可以在各种工业环境下直接运行 使用时只需将现场的各种设备与 PLC 相应的 I O 端子相连 系统便可以投入运 行 安装接线工作量比继电器控制系统小得多 PLC 软件的设计和调试大都可 以在实验室里进行 用模拟实验开关代替输入信号 其输出状态可以观察PLC 上的相应发光二极管显示 也可以另接输出模拟实验板 模拟调试完成后 再 将本身故障率很低 又有完善的自诊断能力和显示功能 一旦发生故障可以根 据 PLC 上发光二极管或编程器提供的信息 迅速查明原因或直接找到发生故障 的外围设备 如果是 PLC 本身故障 则可用更换模块的方法迅速排除故障 这 样既提高了维护的工作效率 使故障造成的对工业生产的影响降低到最低程度 也保证了生产的正常进行 PLC 是以微处理器为核心 综合了计算机技术 自动控制技术和通信技术而 发展起来的一种新型 通用的自动控制装置 具有结构简单 可靠性高 灵活通 用 易于编程 使用方便等优点 近年来在工业自动控制 机电一体化 改造传 统产业方面得到了广泛应用 近年来 随着微处理器芯片及其有关元器件的价格大幅度下降 使得PLC 河南科技大学本科毕业设计 论文 22 成本也随之下降 与此同时 PLC 的性能却在不断完善 功能也在增多增强 应用领域也在逐渐拓宽 使 PLC 的应用已由早期的开关逻辑到现在工业控制的 各个领域 根据 PLC 的特点 可以将应用形式归纳为如下几种类型 1 开关逻辑控制 这是 PLC 的最基本最广泛的应用领域 PLC 具有较强的逻辑运算能力 可 以实现各种开关量从简单到复杂的逻辑控制 2 模拟量控制 在现代工业生产过程中 除必不可少的开关量和数字量外 还有许多连续 变化的模拟量 如温度 压力 流量 液位等都是模拟量 而PLC 所处理的 量为数字量 为了能接受模拟量输入和输出模拟量信号 PLC 配置有 A D 和 D A 转换模块 现将现场的温度 压力等模拟量经过A D 模块转换为数字量 送入微处理器进行处理 微处理器处理过的数字量 又经D A 模块转换为模 拟量后 去控制被控对象 这样就可实现 PLC 对模拟量的控制 3 顺序控制 在工业控制中 用 PLC 实现顺序控制 可以用移位寄存器和步进指令编写 程序 也可采用 IEC 规定的用于顺序控制的标准化语言 顺序功能图 SFC 编写程序 使得 PLC 在实现按照事件或输入状态的顺序 控制相应输出更加容 易 4 定时控制 PLC 具有定时控制的功能 它可以为用户提供几十甚至上百个计时器 其 计时的时间可由用户根据控制时间要在编写用户程序时设定 定时时间可以从0 1 秒至若干小时 时间长短可任意设定 也可以由操作人员在工业现场通过编程 器进行修改或重新设定 实现定时或延时的控制 通过编程既可以实现通电延 时功能 也可以实现断电延时的功能 5 计数控制 计数控制也是控制系统不可缺少的 PLC 也同样为用户提供了几十甚至上 有个计数器 实现对某些信号的计数功能 其设定方式如同定时器一样 可实 现增计数控制 也可实现减计数控制 若用户需要对频率较高的信号进行跟踪 计数 可选用高速计数模块 河南科技大学本科毕业设计 论文 23 6 闭环过程控制 运用 PLC 不仅可以对模拟量进行开环控制 而且还可以进行闭环控制 现 代大中型的 PLC 及部分小型的 PLC 配备有专门的 PID 控制模块 当控制过程中 某一个变量出现偏差时 PLC 就按照 PID 算法计算出正确的输出去控制被控制 量 把被控制量保持在整定值上 PLC 的 PID 控制已广泛地应用在洗煤 酿酒 反应堆 锅炉以及位置和速度等控制中 7 数据处理 现代 PLC 都具有数据处理的能力 它不仅能进行算术运算 数据传送 而 且还能进行数据比较 数据转换 数据显示和打印以及数据通信等 对于大中 型 PLC 还可进行浮点运算 函数运算等 8 通信和联网 PLC 的控制已从早期的单机控制发展到了多机控制 实现了工业自动化 现代的 PLC 一般都具有通信功能 应用远程 I O 模块 可实现远程控制 应用 通信模块 可实现 PLC 与 PLC PLC 与计算机之间的通信 也可以构成 集中 管理 分散控制 的分布式控制系统 因此 PLC 是实现工业生产自动化的理 想工业控制装置 本调速系统选用日本三菱公司生产的 FX2N 32M PLC 属于整体式 PLC 整体 式 PLC 提供多种不同的 I O 点数的基本单元和扩展单元供用户选用 基本有 CPU 模块 I O 模块和电源 扩展单元内有 I O 模块和电源 一般配有许多专用的特 殊功能单元 如模拟量 I O 单元 位置控制单元 和通信单元等使 PLC 的功能得 到扩展 主要的控制功能有如下几项 主令操作控制和保护监视控制 FX2n 系列是 FX 系列 PLC 家族中最先进的系列 其功能最强 速度最快 由于 FX2n 系列具备如下特点 最大范围的包容了标准特点 程式执行更快 全面补充了通信功能 适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊 功能模块 它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力 为大 量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需 要 模拟 I O 定位控制达到 16 轴 脉冲串输出或为 J 和 K 型热电偶或 Pt 传感器开发了温度模块 对每一个 FX2n 主单元可配置总计达 8 个特殊功能模 块 网络和数据通信连接到世界上最流行的开放式网络 CC Link Profibus 河南科技大学本科毕业设计 论文 24 Dp 和 DeviceNet 或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要 其它功能内置式 24V 400mA 直流电源可用于外围设备 如传感器或其它元 件 快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子块 即使接着电 缆也可以更换单元 时钟功能和小时表功能在所有的FX2NPLC 中都有实时时 钟标准 时间设置和比较指令易于操作 小时表功能对过程跟踪和机器维护提 供了有价值的信息 持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期 输入滤波器调节功能可以用输入滤波器平整输入信号 在基本单元中x000 到 x017 注解记录功能元件注解可以记录在程序寄存器中 在线程序编辑在线 改变程序不会损失工作时间或停止生产运转 RUN STOP 开关面板上运行 停 止开关易于操作 远程维护远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测 上载或卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序 河南科技大学本科毕业设计 论文 25 图 3 2 1 PLC 控制系统图 3 3 3 3 PLCPLC 控制程序设计控制程序设计 控制程序流程图如图 3 3 1 所示 PLC 控制主程序完成系统初始化 自检 故障诊断 调速系统控制及安全保护等工作 河南科技大学本科毕业设计 论文 26 系统开机运行 PLC 首先进行初始化 主要对 高速计数单元 HSCO 和 HSC1 进行以下操作 写控制字 定义工作模式 清零 写设定值 设置定时中断 连接中断 启动计数 接着完成自检及提升机初始位置显示 当收到开车指令 时 PLC 转入 S 形速度给定控制 在系统运行过程中 当 PLC 接收到来自传感 器 接近开关或变频器故障等外部控制信号时 PLC 控制程序转到相应的中断 处理程序处 完成超速保护 过卷 过载 松绳等保护及提升机位置 速度监 控 变频器故障监控等 当有故障出现时可转到相应的故障处理模块进行故障 处理 并通过报警回路报警或安全回路实现抱闸停车保护 河南科技大学本科毕业设计 论文 27 开始 程序初始化 自检 正常 初始位置检测完成 开车 封锁输出 声光报警 故障处理 进入初始状态 S形速度 控制程序 超速 松绳 过载 同步 过卷 停止 结束 显示矿车 实际位置 同步校正 安全回路动作 安全回路动作 报警回路动作 安全回路动作 N Y N Y YN Y N Y N Y N Y N Y N N Y 图 3 3 1 控制流程图 河南科技大学本科毕业设计 论文 28 3 4 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提升机在快速 减速或急停时的再生发电能量处理问题 提升机属于