矿井提升机变频调速控制系统研究(可编辑).doc

矿井提升机变频调速控制系统研究 目录第1章 绪论11国内外矿井提升机发展现状com井提升机电气控制系统的现状com升机电气控制系统的现状 312课题研究的目的和意义413本论文承担的任务514小结6第2章 矿井提升机调速控制系统分析21引言622提升机工作原理及机械结构623提升机调速控制方式及调速性能分析com直流调速性能分析com交流调速性能分析824提升机调速控制方案分析com子回路串电阻调速系统com制调速系统com矩控制系统com制变频调速系统25小结13第3章 提升机调速控制系统硬件实现31引言1432提升机电控系统总体结构1433提升机电控系统变频器选择1534变频控制部分设计com速主系统设计com外部电路设计1835 PLC控制部分设计 com制功能com测电路2336硬件调速控制系统保护措施2537小结28第4章 提升机调速控制系统软件实现41引言2842矿井提升机中S型速度曲线建模及实现com线的选择及给定方法com理想S形速度曲线数学模型com度曲线的实现3343调速控制系统软件流程3544小结37第5章 全文总结参考文献39第1章 绪论11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下面就国内外矿井提升机电控系统情况作一介绍com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com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SIEMENSABBAEG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械行程控制器一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3提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性所以提升过程监视与安全回路一样是现代提升机控制的重要环节提升过程采用微机主要完成如下参数的监视a提升过程中各工况参数 如速度电流 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5全数字化系统调速控制德国AEG公司的Logidyn D 32位机 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12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13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本论文承担的主要任务如下1提升机电控系统主电路部分结合煤矿生产实际情况分析提升机工作过程及工作特点给出提升系统的整体控制方案确定基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统组成确定各部分所要完成的控制功能并给出控制电路连接电路图分析其功能的实现并采取一些提高系统安全运行和抗干扰能力的措施2控制系统软件设计部分可编程控制器PLC有强大的可编程控制功能它是编程软件STEP7来完成的对于复杂的矿山提升机变频调速电控系统采用PLC控制在本文中设计出程序控制功能流程图并给出其它基本控制功能的梯形图及控制程序编程语言提升机系统是一个对安全性要求极高的控制单元所以在软件设计部分应有对其系统的故障诊断处理内容在出现故障时应能及时报警或停车3提升机速度给定方式分析由于矿山生产过程中提升机所承受的载荷不同提升的方式及提升行程不同提升机的牵引力也就不同应对其进行适当调节提升速度也应能及时进行控制如不做相应的处理和调整系统将在较小的范围内产生极大的累计误差导致系统的巨大波动造成过载或松绳等甚至导致矿车脱轨或过卷等重大事故而造成巨大的损失所以要寻求一种控制方法来提高控制精度在实际中经常采用的转子串电阻调速因其为有级调速调速不连续且对电网冲击大所以寻求一种理想的速度给定方式极为重要以求能够提高电控系统控制性能改善控制品质4保护及抗干扰措施传统交流电控系统可靠性差其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本文针对制约提升安全的主要环节设置减速超速报警及过载松绳过卷等安全保护措施增加监视系统对提升机的运行状态及故障来源进行时时监视使提升安全状况有所改善为了保证其安全生产在系统设计上应采用隔离滤波屏蔽接地等抗干扰措施安全回路应具有双重冗余功能14小结本章详细介绍了当前国内外提升机调速控制系统的研究现状与应用情况阐述了本课题研究的目的意义在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为提升机电控系统主电路设计部分控制系统软件设计部分提升机速度给定方式分析保护及抗干扰措施在完成以上设计内容时此调速控制系统才能成为一个有机的整体才能安全可靠的工作并达到预期的控制效果第2章 矿井提升机调速控制系统分析21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22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241最高运行速度25ms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23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com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1G-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2V-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IIV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com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 60fp 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24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com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KM1KM2KM3KM4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com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dedt把误差信号和误差变化率的精确量模糊化变成模糊量EEc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com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com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MT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MT绕组分别通以直流电流mitimi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MT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AiBiCi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1001或10001 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25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第3章 提升机调速控制系统硬件实现31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32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RST 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UVW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AD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33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PLCDA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com1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 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12其它条件下为11 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14倍本系统中所需电动机的轴上功率为75KW按14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0105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com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 0305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 10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超过规定的限值勤时接通耗能电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