礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)設計

1、基于PLC的礦井提升機變頻調速系統(tǒng)設計摘 要礦井提升機是采礦等行業(yè)的重要設備，礦物的運輸和人員的運輸等都離不開提升機。我國傳統(tǒng)的礦井提升機主要采用繼電器接觸器進行控制，并通過在電動機轉子回路中串接附加電阻來實現啟動和調速。這種控制系統(tǒng)存在可靠性差、故障率高、操作復雜、電能浪費大、效率低等缺點。 針對傳統(tǒng)提升機的問題，本設計采用可編程控制器控制系統(tǒng)，并且與變頻器結合實現提升機速度控制。通過對提升機系統(tǒng)的深入研究，完成提升機控制系統(tǒng)設計，選擇硬件設備型號，并且完成硬件系統(tǒng)設計，其中包括檢測模塊、控制模塊、保護模塊和抗干擾模塊的設計，最后進行系統(tǒng)集成和調試。根據硬件系統(tǒng)要求畫出外部接線圖，并且編寫控

2、制系統(tǒng)程序。通過可編程控制器控制變頻器，實現提升機啟動、加速、等速、減速、爬行和停車操作，并且對過載、超速、過卷等故障進行監(jiān)控。可編程控制器采用PLC，硬件簡潔、軟件靈活性強、調試方便、維護量小，配合一些裝用電子模塊組成的提升機控制設備，為提升機的安全運行提空環(huán)境。同時能夠時時檢測礦井提升機的安全性能，反饋給控制設備。減少了傳統(tǒng)繼電器接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，減少了硬件和控制線，提高了形同的穩(wěn)定性和可靠性。變頻調速是利用改變被控對象的電源頻率，成功實現了交流電動機大范圍的無級平滑調速。采用該控制系統(tǒng)，使提升機工作可靠，使用方便，同時具有動態(tài)顯示的功能，節(jié)能效果明顯。應用可編程控制器變頻器對礦井

3、提升機的控制系統(tǒng)進行改造，將成為歷史的必然趨勢。 關鍵詞：礦井提升機 可編程控制器 PLC 變頻器 控制系統(tǒng) Systematic Design on frequency control of Shaft Hoist on Basis of PLC ControlABSTRACT Shaft hoist is an important equipment in mining industries, which is inseparable in the transportation of mineral and personnel. Chinese traditional shaft hois

4、t use relay - contactor to control mainly, and achieve startup and speed governing by the motor rotor circuit in series with additional resistances. This control system has many disadvantages, such as lower reliability, higher failure rate, more complex operation, more power waste, and lower efficie

5、ncy. As for the problems of traditional shaft hoist, this design achieves hoist speed control by using programmable logic controller system, which combined with frequency converters. Through my intensive study in hoist system, I have completed hoist control system design, the size choice of the hard

6、ware device, and finish hardware system design, including the design of detection module, control module, protection module, and anti-jamming module. Finally, I carry on the system integration and debugging. Depending on the hardware system requirements, I draw external wiring diagram and write cont

7、rol system program. Through the programmable logic controller, mine hoist can realize its start, acceleration, constant speed, deceleration, crawling and parking operations, and monitor stoppages such as overload, overspeed, and volume. Programmable logic controller uses PLC, and it is hardware simp

8、licity, strong software flexibility, easy commissioning, little maintenance. It can provide the shaft hoist safe operation with favorable environment, combined with some control equipment equipped with electronic modules hoist. At the same time, it can test the safety performance of shaft hoist, and

9、 feedback to the control device. In this way, the intermediate links of traditional relay-contact control system are reduced, hardware and control lines are reduced, the stability and reliability of tantamount are improved. Frequency control successfully realizes that Ac motor is in a wide range of

10、stepless smooth speed regulation, by taking advantage of changing the power frequency of the controlled object. With this control system, the hoist is reliable, easy to use, and it has the function of dynamic display, as well as its energy-saving effect is obvious. It will become the inevitable tren

11、d of history to transform mine hoist control system by applying Programmable Controllers Drive.Keywords: shaft hoist; programmable logic controller; PLC; frequency converters;control system目 錄1 引言11.1 國內外礦井提升機發(fā)展現狀11.1.1我國礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的現狀11.1.2 國外提升機電氣控制系統(tǒng)的現狀11.2 存在的問題及最新發(fā)展21.3 本文承擔的任務32 礦井提升機系統(tǒng)的控制要求42

12、.1 礦井提升機結構介紹42.2 礦井提升機速度和受力分析42.2.1 提升機的速度分析42.2.2 提升機的受力情況52.3 礦井提升機的調速控制方案分析72.3.1 傳統(tǒng)轉子回路串電阻調速系統(tǒng)72.3.2 模糊控制調速系統(tǒng)72.3.3 直接轉矩控制系統(tǒng)82.3.4 變頻器調速控制系統(tǒng)82.3.5 礦井提升機調速系統(tǒng)的確定93 提升機調速控制系統(tǒng)硬件設計103.1 提升機變頻控制部分設計113.1.1變頻器簡介113.1.2 變頻調速基本原理123.1.3 提升機變頻器的選擇133.1.4變頻器的調試143.2 提升機系統(tǒng)變頻器外部電路設計163.2.1 提升機調速系統(tǒng)的聲光報警回路173.

13、2.2 提升機調速系統(tǒng)的制動控制回路173.2.3 編碼器反饋回路193.3 提升機調速系統(tǒng)的PLC 控制部分設計203.3.1 PLC簡介203.3.2 PLC的選型203.3.3 提升機調速系統(tǒng)的PLC的I/O端口213.3.4 提升機調速系統(tǒng)的PLC外部電路設計223.3.5 提升機調速系統(tǒng)各部分的PLC控制234 系統(tǒng)抗干擾措施254.1 PLC的抗干擾254.1.1 PLC的干擾來源254.1.2抗干擾的主要措施254.2 變頻器的抗干擾及其防止264.2.1變頻器干擾來源264.2.2 干擾信號的傳播方式274.2.3抗干擾措施275 提升機調速控制系統(tǒng)軟件設計和調試285.1 提

14、升機調速系統(tǒng)的控制程序流程285.1.1 提升機調速系統(tǒng)的中斷子程序功能285.1.2 提升機調速系統(tǒng)的故障處理子程序功能285.2 提升機調速系統(tǒng)的程序調試306 結論32謝 辭34參考文獻35唐 山 學 院 畢 業(yè) 設 計1 引言1.1 國內外礦井提升機發(fā)展現狀 礦井提升機對安全性、可靠性和調速性能的特殊要求，使得提升機電控系統(tǒng)的技術水平在一定程度上代表一個廠或國家的傳動控制技術水平，因此世界各大公司紛紛將新的、成熟的技術應用于提升機電控系統(tǒng)。1.1.1我國礦井提升機電氣控制系統(tǒng)的現狀 在礦業(yè)生產中，礦井提升機起著非常重要的作用，它是礦山生產的關鍵設備。提升機電控裝置的技術性能，既直接影響

15、礦山生產的效率及安全，又代表著礦井提升機發(fā)展的整體水平。目前，我國的礦井提升機90%以上是采用單機容量在1000kW以下傳統(tǒng)的交流異步電機拖動，采用轉子串、切電阻調速，由繼電器接觸器構成邏輯控制裝置。其中多半為電動機發(fā)電機組（F-D機組）供電，采用晶閘管整流傳動（SCR-D）的只占一部分。 傳統(tǒng)交流拖動系統(tǒng)的顯著缺點是：調速性能差，調速時能量要大量消耗在電阻上，給定方式落后，控制精度低，安全保護和監(jiān)測環(huán)節(jié)不完善，安全可靠性差，維護工作量大，而且運行不經濟。 由于異步電動機在低速運行時特性曲線軟，在次同步狀態(tài)下無法產生有效的制動力矩 ，因而難于準確地控制提升機的停車位置。目前多采取動力制動或低頻

16、拖動加制動的方式完成減速、爬行和停車。目前在用的動力制動及低頻電源大多數為采用模擬技術控制的晶閘管裝置，仍存在調速困難、維護量大的問題。傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差的另一個原因是安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)想混聯(lián)，多數共用一套線路，互相影響。 在實施提升機電氣控制系統(tǒng)技術改造時，即要有超前一步的意識緊盯國際先進水平，也要考慮我國的現狀，實現符合我國國情的提升機電控系統(tǒng)現代化 盧燕,顧善發(fā),盧光華 礦井提升機的電控系統(tǒng)J黃金; 2001年02期; 26-29。 1.1.2 國外提升機電氣控制系統(tǒng)的現狀 國外從70年代開始，隨著微機技術的發(fā)展，微機控制技術已逐步應用于礦井

17、提升機中。目前，國外已達到相當成熟的階段，使整個拖動控制產生一次變革。其應用主要體現在以下幾個方面： 1 提升工藝過程微機控制 在交流變頻裝置中，提升工藝過程大都采用微機控制。由于微機功能強，使用靈活，運算速度快，監(jiān)視顯示易于實施，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無法實現的。 2 提升行程控制 提升機的控制從本質上說是一個位置控制，要保證提升容量在預定地點準確停車，要求準確度高，目前的控制誤差小于2厘米。采用微機控制，可通過采集各種傳感信號，如轉角脈沖變換、鋼絲繩打滑、滾筒及鋼絲繩磨損等。將信號進行處理，可計算出容量準確的位置而實施控制和保護。3 提升過程監(jiān)視 由于近代提升機控制系統(tǒng)的設計特別

18、強調安全可靠性，所以提升過程監(jiān)視與安全回路一樣，是現代提升機的重要環(huán)節(jié)。提升過程采用微機主要完成如下參數的監(jiān)視： 1) 提升過程中各工況參數監(jiān)視；2) 各主要設備運行狀態(tài)監(jiān)視；3) 各傳感器信號的監(jiān)視。使各種故障在出現之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對各被監(jiān)視參數進行存儲、保留和打印輸出。 4 安全回路 安全回路是指提升機在出現機械、電氣故障時控制提升機進入安全保護狀態(tài)，此環(huán)節(jié)極為重要。為確保人員和設備的安全，對不同故障一般采用不同的處理方法。安全回路是保護的最后環(huán)節(jié)之一，現在大多數企業(yè)都采用兩臺PLC構成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無論是提升機還是安全回路本身出現故障時都能

19、準確地實施安全制動。 1.2 存在的問題及最新發(fā)展 礦井提升機是金屬和非金屬礦生產過程中的重要設備。提升機安全、可靠、有效高速運行，直接關系到企業(yè)的生產狀況和經濟效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復雜、運行速度快、慣性量大、運行特性復雜的特點、且工作狀況經常交替轉換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護措施，但是由于現場使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現有保護未能達到預期的效果，致使提升機系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。一旦提升機的行程失去控制，沒有按照給定速度曲線運行，就會發(fā)生提升機超速、過卷事故，造成箕斗的損壞，影響礦井正

20、常生產，甚至造成重大人員傷亡。 所以提升機調速控制系統(tǒng)的研究一直是社會中關注的一個重大課題。電氣控制方式在很大程度上決定了提升機能否實現平穩(wěn)、安全、可靠地起制動運行，避免了嚴重的機械磨損，防止較大的機械沖擊，減少機械部分維修的工作量，延長提升機機械的使用壽命。隨著礦井提升系統(tǒng)的自動化，改善提高的性能，以及提高提升機設備的提升能力等的要求，對電氣傳動方式提出了更高的要求。對礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的要求是：有良好的調速性能，調速精度高，四象限運行，能快速進行正、反轉運行，動態(tài)響應速度快，有準確的制動和定位功能，可靠性要求高等 劉瑞國，孫玉霞，劉芒果礦井提升機TKD-A斜井電控系統(tǒng)的變頻調速節(jié)能技術

21、改造M煤礦機械,2004，(12)。 目前，我國地下礦井提升機的電氣傳動系統(tǒng)主要有：對于大型提升機，主要采用晶閘管變流器直流電動機傳動控制系統(tǒng)和同步電動機矢量控制交交變頻傳動控制系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)大都采用數字控制方式實現控制系統(tǒng)的高自動化運行，效率高，有準確的制動和定位功能，運行可靠性高，但造價昂貴，中小礦井難以承受。對于中、小型提升機，則多采用交流繞線式電動機切換電阻調速的交流電氣傳動系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。 將交流調速技術應用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。對于現采用TKD電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調速技術的發(fā)展，交直交電壓型變頻調速技術已開始在礦井提升機改造中應用。變頻

22、器的調速控制可以實現提升機的恒加速或恒減速控制，消除了轉子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。變頻器調速控制電路簡單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機電刷等容易損壞的缺點，降低了故障和事故的發(fā)生。因此，變頻器在提升機調速系統(tǒng)中的應用具有十分廣闊的前景 史德嘉礦井提升機電控系統(tǒng)的改造J 礦業(yè)研究與開發(fā); 2005年03期，61-62。 1.3 本文承擔的任務 在本文中，以煤礦礦井提升機速度控制系統(tǒng)為背景，速度控制方法已經非常成熟，但技術相對落后，基于PLC變頻調速在礦山通過拖議案提出的行程，速度和控制系統(tǒng)的應用，介紹了一種新的礦井提升機速度控制系統(tǒng)的設計和實施。本設計的主要工作有：1、提升機

23、電控系統(tǒng)主電路部分 結合非金屬礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)組成。確定各部分所要完成的控制功能，并給出控制電路連接電路圖，分析其功能的實現。 2、控制系統(tǒng)軟件設計部分 可編程控制器PLC有強大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP7來完成的。對于復雜的礦山提升機變頻調速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設計出程序控制功能流程圖，并給出其它基本控制功能的梯形圖。提升機系統(tǒng)是一個隊安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設計部分應有對其系統(tǒng)故障診斷處理內容。 3、 提升機速度給定方式分析 由于礦山生產過程中，

24、提升機所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機的牽引力也就不同，應對其進行適當調節(jié)，提升速度也應能即使進行控制。 4、 保護及抗干擾措施 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數共用一套線路，互相影響。本文針對制約提升機安全的主要環(huán)節(jié)設置減速、超速報警及過載、松繩、過卷等安全保護措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對提升機的運行狀態(tài)及故障來源進行時時刻刻地監(jiān)視。礦井提升機的設計能夠解決實際生產問題，其控制單元采用了目前適用的工業(yè)PLC控制單元來控制電動驅動系統(tǒng)，其電力拖動單元采用先進的變頻驅動器，優(yōu)化了礦井提升機速度控制性能。擺脫原來控制系統(tǒng)

25、中的交流接觸器和調速電阻，提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了操作人員的工作環(huán)境，降低了噪音和溫度；分段預設頻率，按根據負載情況實現連續(xù)平穩(wěn)調速，無機械沖擊現象，達到了低壓低頻啟動和停止，停車操作更穩(wěn)定;啟動和加速時的沖擊電流小，可使得礦井提升機在重載下從低速無級調速至最大速度。目前，這種方法是現代交流傳動控制中比較先進的速度控制方式。安全，可靠，高效和經濟的礦井提升機速度控制系統(tǒng)的設計是本設計的追求目標。2 礦井提升機系統(tǒng)的控制要求2.1 礦井提升機結構介紹 礦井提升機可分為豎井提升機和斜井提升機兩種。礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組

26、成，采用交流或直流電機驅動。提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦井提升機。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。單筒大多只有一根鋼絲繩，連接一個容器。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機大多用于年產量在120萬噸以下、井深小于400米的礦井中。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。提升繩的兩端各連接一個容器，或一端連接容器，另一端連接平衡重。摩擦式礦井提升機根據布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房

27、直接設在地面上）兩種。按提升繩的數量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機。后者的優(yōu)點是：可采用較細的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年產120萬噸以上、井深小于2100米的豎井大多采用這種提升機。目前，我國單繩纏繞式提升機，廣泛采用交流繞線式電動機拖動，提升過程一般包括：起動、加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。2.2 礦井提升機速度和受力分析 2.2.1 提升機的速度分析 提升設備在一個提升循環(huán)內的運行規(guī)律是用提升速度圖來表示的，如圖2.1表示提升速度與提升時間變化的關系。 圖2.1 提升機速度圖分為五個階段：階段：為主加速

28、階段運行時間，此時加速度 較大，速度一直從0加速到最大的。重車從井底開始上行，重車起動后，開始持續(xù)加速到變頻器的設定頻率為，在此期間提升機的速度逐漸加快。階段：為勻速階段運動時間，即容器以最大提升速度 等速運行的時間。上升時，電動機保持電動狀態(tài)，重車提升機以額定運行速度穩(wěn)定運行。下放時， 由測速發(fā)電機反應轉子下放速度，當速度高于時，增大勵磁電流，提高制動力矩，使箕斗勻速運行。一般這段過程最長。階段：為主減速階段運行時間，即容器以最大提升速度減速運行的時間。重車快到井口時減速階段，重車減速到低速，進入爬行階段。如減速時間設置較短的時，變頻器制動單位和制動電阻起作用，以防因減速過快而跳閘。階段：為

29、爬行階段運行時間。重車以變頻器頻率為速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。 階段：為抱閘停車階段時間。到達停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，制動系統(tǒng)閘制動。操作人員發(fā)一個聯(lián)絡信號到井底，整個提升過程結束。 2.2.2 提升機的受力情況 根據動力學方程式 (2.1)式中 -電動機電動力矩；-傳動系統(tǒng)的靜阻轉矩；-傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，其中J為轉動慣量()，為重力加速度；-傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉矩；-加速度?？梢缘贸霭唇o定速度圖所需轉矩的特性，從而可以得到拖動系統(tǒng)所需的力，提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖、力圖如圖2.2所示。 (a)(b)（c）圖2.2 提升機給定力圖圖中（a），（b），（c）為提升機的給

30、定力圖。其中（a）為靜負載力矩比較大的情況；（b）為靜負載力矩比較小的情況；（c）為下放重物的情況。 顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動機的拖動力矩不同，且在一個提升循環(huán)中，在不同階段電動機的拖動力矩的極性也在變化，礦井提升機要求電力拖動系統(tǒng)能滿足四象限運行的條件。 綜合以上提升機的運行特點以及礦山生產固有的特點，提升機工藝對提升機電控系統(tǒng)的要求如下:1. 加(減)速度符合國家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。升降物料時，加速度a1.2m/s2,另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。2. 最大速度符合歸家有關安全生產規(guī)程的規(guī)定。立井升降物料時，提升容器的最大速度，不得超過用下列公式所求得的數值：

31、 （2.2） v-最大提升速度，m/s； H-提升高度，m。3. 具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(加速、減速、等速、爬行等)。4. 有較好的起動性能。提升機不同于其他機械，穩(wěn)定運行的要求。不可能待系統(tǒng)運轉后再裝加物料，因此，必須能重載啟動，有較高的過載能力。5. 特性曲線要硬。要保證負載變化時，提升速度基本上不受影響，防止負載不同時速降過大，影響系統(tǒng)正常工作(當然，當負載超過一定的限度時，還要求系統(tǒng)能有效的自我保護。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。6. 工作方式轉換容易。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方

32、式的轉換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉換影響正常生產。7. 采用新技術和節(jié)能設備，易于實現自動化控制和提高整個系統(tǒng)的工作效率。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)，確保系統(tǒng)安全運行.盡量節(jié)約能源和降低運轉費用。2.3 礦井提升機的調速控制方案分析為了使提升機調速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，不同類型的負載應根據具體要求選擇不同的控制方案，控制方式是決定提升機使用性能的關鍵所在。目前在實際生產中得到應用的很多，其中有高精度的還有一般性能的，種類五花八門，價格也高低相差懸殊。所以在選用調速控制系統(tǒng)時要按負載的特性要求，并結合礦井的生產規(guī)模，以達到經濟、實用為準。常用的控制方式主要有：轉子回路串

33、電阻調速、模糊控制、直接轉矩等。2.3.1 傳統(tǒng)轉子回路串電阻調速系統(tǒng)在加速過程中，交流接觸器KM1，KM2，KM3，KM4逐級吸合，轉子回路電阻依次減小，以保證加速力矩的平均值不變。如果要求提升機低速運行，則需在轉子回路中串較大電阻。為了解決減速段的負力要求，通常采用動力制動方案，即將定子側的高壓電源切除，施加直流電壓，或在定子繞組上施加低頻電源，讓電動機工作在發(fā)電狀態(tài)。轉子回路串電阻調速的主電路結構如圖2.3所示：圖2.3 轉子回路串電阻調速圖2.3.2 模糊控制調速系統(tǒng)在對提升機的轉速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差變化率。PLC通過采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進

34、行比較得到誤差信號e、誤差變化率，把誤差信號和誤差變化率的精確值模糊化變成模糊量E、EC再進過模糊推理得到模糊控制量U，進行解模糊處理得到控制信號u，送入控制電路。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制是一種非線性的控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。但信息簡單的模糊處理導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差，若要提高精度，則必然增加量化級數，從而導致規(guī)則搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。實現模糊控制的原理框圖如下圖所示： 圖2.4 模糊控制原理框圖 2.3.3 直接轉矩控制系統(tǒng)直接轉矩控制系統(tǒng)采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電動機的轉矩和磁鏈，

35、采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制產生脈寬信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉矩的高動能性態(tài)。其控制效果取決于轉矩的實際情況，所以它的控制結構簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉矩響應迅速且無超調，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調速控制方式。直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖如下圖所示：圖2.5 直接轉矩控制系統(tǒng)結構圖 2.3.4 變頻器調速控制系統(tǒng)變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交直交方式，先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路

36、一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲能和緩沖無功功率 陳立香 變頻和調壓相結合的調速方法在煤礦提升機的應用M煤礦機電，2005，(02)。結構圖如下圖所示：圖2.6 變頻器的基本結構2.3.5 礦井提升機調速系統(tǒng)的確定轉子回路串接電阻調速方法調速范圍小，串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產生較大的轉速變化，即轉速穩(wěn)定性差，而且調速效率較低。信息簡單的模糊控制調速處理會導致系統(tǒng)的控制精度降低和動態(tài)品質變差，若要提高精度，則必然增加量化級數，從而導致規(guī)則

37、搜索范圍擴大，降低決策速度，甚至不能實時控制。直接轉矩控制系統(tǒng)的轉矩和磁鏈調節(jié)器采用滯環(huán)比較器，會造成轉矩脈動，在電動機運行一段時間之后,電機的溫度升高,定子電阻的阻值發(fā)生變化,使定子磁鏈的估計精度降低，也會導致電磁轉矩出現較大的脈動，同時逆變器開關頻率低也會造成轉矩脈動。變頻調速控制系統(tǒng)電源功率因數大，所需電源容量小，可以組成高性能控制系統(tǒng)。同時還可以實現大范圍的高效連續(xù)調速控制，并且能夠達到節(jié)能的效果。本設計結合煤礦生產實際情況，分析提升機工作過程及工作特點，對各種調速系統(tǒng)進行分析和比較，最終確定了提升機系統(tǒng)的整體控方案：變頻調速控制系統(tǒng)。采用PLC與變頻器相結合的控制方案對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進

38、行改造，變頻調速是通過改變定子供電頻率，成功實現了提升電動機大范圍的無級平滑調速，在運行過程中能隨時根據電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果。采用PLC對提升系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。因此本次設計選用交流電動機交交變頻調速系統(tǒng)。 交-直-交變頻器的工作原理是借助微電子器件、電力電子器件和控制技術，先將工頻電源經過二極管整流成直流電，再由電力電子器件把直流電逆變?yōu)轭l率可調的交流電源 閆廣，王公華，李兆峰PLC在副井提升機信號及綜合保護系統(tǒng)中的應用J工礦自動化，2002,(03)。3 提升機調速控制系統(tǒng)硬件設計礦井提升機也

39、稱礦井卷揚機。作為井上與井下的唯一輸送通道，使得礦井提升機成為礦山的關鍵設備之一，也是礦山的咽喉部位。礦井提升機運行性能的優(yōu)劣，不僅直接影響到礦山的正常生產與產品質量，而且還與設備及人身安全密切相關。礦井提升機工藝工況圖如圖3.1所示：圖3.1 工藝工況圖 根據礦山實際情況礦井提升機提升最大高度大約在480m，根據公式2.2得出最大提升速度為7.9m/s，為安全起見，最大提升速度取7m/s。礦井提升機系統(tǒng)框圖主要包括主電動機、動力制動電源、PLC、旋轉編碼器、換向器和操作臺等。系統(tǒng)框圖如下圖：圖3.2 系統(tǒng)框圖主電動機：為箕斗的提升和下降提供機械力，根據實際需要這里選擇使用額定電壓，額定電流輸

40、出功率為，電動機效率,功率因數，額定轉速的三相鼠籠式異步交流電動機。 變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉速的目的。 操作臺：操作臺設置五個按鈕，分別用于變頻器的啟動、停止、復位，箕斗的上升和下降控制。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能。 旋轉編碼器：旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，并將此信號傳送給變頻器。變頻器通過該信號可以計算出提升機的速度是否達到要求，做出知否補償的判

41、斷。換向器：在變頻器的輸出頻率達到工頻時，換向器切入，主電動機直接接工頻電，達到節(jié)能目的。3.1 提升機變頻控制部分設計3.1.1變頻器簡介變頻調速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器。變頻器就是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實現對交流異步電機的軟起動、變頻調速、提高運轉精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護等功能。變頻器主電路是給異步電動機提供調壓調頻電源的電力變換部分，變頻器主要由整流器、平波電路、逆變器、控制電路四大部分組成，整流器將工頻電源變?yōu)橹绷麟姡讲娐肺赵谧兞髌骱湍孀兤鳟a生的電壓脈動，逆變器將直流電變換為工作所需的交流電，控制電路是給異

42、步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。交流電動機變頻調速控制技術大體經歷了以下幾個發(fā)展階段：1 U/F=C的正弦脈寬調制(SPWM)控制方式 其特點是控制電路結構簡單、成本較低，機械特性硬度也較好，能夠滿足一般傳動的平滑調速要求，已在產業(yè)的各個領域得到廣泛應用。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉矩減小。另外，其機械特性終究沒有直流電動機硬，動態(tài)轉矩能

43、力和靜態(tài)調速性能都還不盡如人意，且系統(tǒng)性能不高、控制曲線會隨負載的變化而變化，轉矩響應慢、電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。 2 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，一次生成三相調制波形，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制的。經實踐使用后又有所改進，即引入頻率補償，能消除速度控制的誤差；通過反饋估算磁鏈幅值，消除低速時定子電阻的影響；將輸出電壓、電流閉環(huán)，以提高動態(tài)的精度和穩(wěn)定度。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉矩的調節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 3 矢量控制(V

44、C)方式 矢量控制變頻調速的做法是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流、通過三相二相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流、，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流、(相當于直流電動機的勵磁電流；相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿直流電動機的控制方法，求得直流電動機的控制量，經過相應的坐標反變換，實現對異步電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。然而在實際應用中，由于轉子磁鏈難以準確觀測，

45、系統(tǒng)特性受電動機參數的影響較大，且在等效直流電動機控制過程中所用矢量旋轉變換較復雜，使得實際的控制效果難以達到理想分析的結果。4 直接轉矩控制(DTC)方式 1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉矩控制變頻技術。該技術在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統(tǒng)結構、優(yōu)良的動靜態(tài)性能得到了迅速發(fā)展。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。 直接轉矩控制直接在定子坐標系下分析交流電動機的數學模型，控制電動機的磁鏈和轉矩。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控

46、制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。5 矩陣式交-交控制方式 矩陣式交-交變頻省去了中間直流環(huán)節(jié)，從而省去了體積大、價格貴的電解電容。它能實現功率因數為1，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。該技術目前雖尚未成熟，但仍吸引著眾多的學者深入研究。其實質不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉矩直接作為被控制量來實現的。3.1.2 變頻調速基本原理由電機學的基本公式： （3.1）式中電動機定子繞組的磁極對數p一定，改變電源頻率f，即可改變電動機同步轉速。異步電動機的實際轉速總低于同步轉速，而且隨著同步轉速而變化。電源頻率增加，同步轉速n0也增加，實際轉速也增加；電源頻率下降，同

47、步轉速n0也下降，電機轉速也降低，這種通過改變電源頻率實現的速度調節(jié)過程稱為變頻調速。 在變頻調速領域，異步電機的控制方式多種多樣，但從轉矩的響應性和過渡特性來看，變頻調速的控制方式分為以下幾種：1 V/F控制V/F控制是交流電機最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持V/F 為常數，來保證轉子磁通的恒定。然而V/F控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動態(tài)特性較差，電機轉矩利用率低，控制參數(如加/減速度等)還需要根據負載的不同來進行相應的調整，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關延時的存在，系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現象.這種控制方式多用于調速精度不高的場所。2 轉差頻率控制轉差頻率控制是檢測

48、異步電動機的轉速，對轉差頻率采取閉環(huán)控制.與V/F控制相比，調速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調速范圍內，將電動機的轉矩、功率因數及效率控制在最佳狀態(tài)。但是采用此法的電動機調速系統(tǒng)只能是單機運行，同時轉差頻率控制未能實施對電機瞬時轉矩的閉環(huán)控制，盡管這種系統(tǒng)的靜態(tài)精度較高，但由于快速性較差，故適用于對響應的快速性要求不高的系統(tǒng)。3 矢量控制矢量控制是一種建立在轉子磁鏈定向的基礎上，通過一系列的坐標變換，實現電機定子電流轉矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，可以將作為控制對象的感應電機當作直流電機來進行控制，實現對瞬時轉矩的控制。目前，實用中多采用轉差頻率矢量控制，由于其沒有實現直接磁

49、通的閉環(huán)控制，無需檢測出磁通，因而容易實現。但是其控制器的設計在某種程度上依賴于電機的參數，為了減少控制上對電機參數的敏感性，已經提出了許多參數辨識、參數補償和參數自適應方案，收到了較好的效果。4 直接轉矩控制直接轉矩控制(DTC)也是一種轉矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標變換和解耦運算的復雜性，直接對轉矩進行控制，通過轉矩誤差、磁通控制誤差，按一定的原則選擇逆變器開關狀態(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調節(jié)電機的轉速和輸出功率，達到控制電機轉速的目的。由于DTC直接著眼于轉矩控制，對轉子參數變化表現為狀態(tài)干擾而非參數干擾，DTC方法比矢量控制方法具有較高的魯棒性。但是DTC也存在不足之處，其最大的

50、困難就在于低速性能不理想。礦井提升機需要具有良好的調速性能。要求速度平穩(wěn)，調速方便，調速范圍大。所以變頻器控制方式的選擇上選擇V/F控制。變頻器采用V/F控制方式時，結構非常簡單，對電機參數依賴不大，能夠滿足提升機各運行階段。3.1.3 提升機變頻器的選擇在一臺變頻器驅動一臺電機的情況下，變頻器必須同時滿足下列三項要求。滿足負載輸出要求，按下式確定： （3.2）滿足電動機容量要求，按下式確定： (3.3) 滿足電動機電流要求，另外礦用提升機屬于頻繁啟動、加減速運轉，其變頻器容量的選擇應根據加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定： （3.4）式中：:變頻器容量（kVA）；:負載要求

51、的電動機軸輸出功率（kW）；：電動機額定電壓（V）；:電動機額定電流（A）；:電動機效率（通常約為0.85）；：電動機功率因數（通常約為0.75）；：電流波形補償系數（PWM控制方式時，取1.05-1.1）； ：變頻器額定輸出電流（A）；：各運行狀態(tài)的平均電流（A）； ：各運行狀態(tài)下的時間；：安全系數（運行頻繁時取1.2，其它條件下為1.1）?？紤]到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，變頻器容量取電動機容量的1.4 倍，按照本系統(tǒng)電動機功率，選用150kW 以上的變頻器。本調速控制系統(tǒng)變頻器選用德國的西門子公司生產的MM440（MICROMASTER MM440)通用變頻器，可以對0.129

52、0kW 或90250kW 的電機進行控制。3.1.4變頻器的調試參數的復位，將變頻器參數恢復到出廠狀態(tài)下的默認值的操作。一般在變頻器出廠和參數出現混亂的時候進行此操恢復出廠設置值：表3.1 恢復出廠設置參數設置參數名稱參數號設置參數 用戶的參數訪問級P00031調試用的參數過濾器P001030復位為工廠設定值P09701在本控制系統(tǒng)中，變頻器采用本次操作板（BOP）進行調試。BOP具有5位數字的七段顯示，用于顯示參數的序號和數值、報警和故障信息，以及參數的設定值和實際值。BOP不能儲存參數的信息 MICROMASTER 440 變頻器0.12 kW - 200 kW使用手冊 。參數設置如下表所

53、示：表3.2 BOP參數設置參數名稱參數號設置參數 選擇命令源P07001在變頻調速系統(tǒng)中，通過逐漸升高（降低）頻率來實現升速（降速）過程。如希望升速（降速）過程保持平穩(wěn)而且不會電流過大，必須控制同步轉速和轉子轉速間的轉差，使其在一定范圍內。如果頻率上升（下降）過快，由于慣性，電動機轉子轉速跟不上同步轉速的上升，使轉差太大，導致升速電流超過允許值，可能產生過電流。通?？晒┻x擇的升速（降速）功能從兩方面考慮：升速（降速）時間和升速（降速）方式。升速（降速）時間。升速（降速）時間是從0HZ到基本頻率之間變化的時間。時間越短，頻率變化越快，越容易過電流。升速（降速）方式。升速（降速）有三種方式：線性

54、方式、S形方式和半S形方式。如圖3.3所示：圖3.3 升速（降速）方式線性方式：在升速（降速）過程中，頻率時間呈線性關系，如圖3.3中曲線1。S形方式：在開始和結束階段升速（降速）過程較緩慢，中間階段按線性方式升速（降速），升速（降速）呈S形，如圖3.3中曲線2。半S形方式：在開始階段升速（降速）過程較緩慢，中間和結束階段按線性方式升速（降速），升速（降速）過程呈半S形，如圖3.3中曲線3所示。由于提升機是大慣性負載，在啟動時負載轉矩較大，所需要的電動機輸出轉矩較大，所以選擇半S形方式。依據變頻器各項參數設定。取加速度，則達到最大速度需要7s，既；根據礦井提升機安全規(guī)范提升機的爬行速度設定為0.2m/s,加速度大小不變方向取反，則從最大速度減速到爬行速度，需要時間6.8s，既；設定爬行時間，停車時間；最后根據計算得出以上升的時間?？焖僬{試參數設置如下表所示：表3.3 快速調試參數設置參數名稱參數號設置參數 用戶的參數訪問級P00033調試用的參數過濾器P00101參數過濾器P00040適用于歐洲/北美地區(qū)P01000變頻器的應用領域P02051電動機類型P03001電動機額定電壓P0304380電動機額定電流P0305380電動機額定功率P030790電動機額定功率因數P03080.75電動機額定效率P03090.85電動機額定頻率P031050電動機額定轉