毕业设计(论文)-矿车变频牵引控制系统(编辑修改稿)

毕业设计(论文)-矿车变频牵引控制系统(编辑修改稿)内容摘要：

上进行设定，操作较为简单控制方式灵活。 但同一个 MB+网上所接变频器数量是有限的，而且需要在变频器上安装通讯卡。 端子控制 ：功能实现较为灵活，不需要安装通讯卡，直接在控制端子上实现。 控制量的给定 可以用模拟量给定，也可以用数字量给定。 本设计选择 端子控制。 系统组成 该控制系统是由上位监控系统和下 位 PLC 控制系统二部分组成的，上位监控系统位于 控 制 室，可实时监控 牵引 设备的运动状况。 下位 PLC 采用的是 Quantum系列可编程控制器。 用变频器来控制矿车的动作，主要控制放料时的启停，电机的正反转、运行、停止等。 PLC 系统 可编程序控制器定名为 Programmable Logic Controller（ PLC），现在，仍将PLC 简称 PC。 PLC 的定义是：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。 它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计 数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。 上世纪 80年代至 90年代中期，是 PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为 30~40%。 在这时期， PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高， PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的 DCS系统。 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等 特点。 PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。 兰州大学毕业设计说明书 7 PLC 的可靠性是很高的，施耐德公司 Quantum 系列 PLC 高性能、高可靠、兼容性、易于升级、系统开放。 适用于过程控制、高速机器控、基础设施应用、变电站自动化。 其背板灵活， 能支持所有电源组合、 CPU 种类、智能模板。 模块可在任意槽 与槽位无关。 能提供广泛的多种层次及协议的通讯能力 、 超大系统容量 的优点适合做此设计。 使用各模块来控制系统更有条理，方便检查和控制。 计算机监控系统 上位机终端电阻监控画面洞外（主站）洞内（从站） 图 25 计算机监控系统 上位机与 PLC上的 CPU模块相连，使用 Modbus Plus (简称 MB + ) 网 ， 是Schneider 公司推出的一种专为工厂级应用而设计的工业局域网 ,主要为其 PLC 产品提供一种网络通信协议。 MB +网可实现数据采集和远程遍程、与操作员接口连接等功能。 具有故障自诊断功能 ,使网络的维护和恢复更加容易。 网络为模块式结构 ,可根据实际要求配置成树形、星形、环形。 网络具有良好的开放性 ,有利于网络的管理。 Modicon TSX Quantum 系列 PLC 是 Schneider 电气公司的一种大型 PLC 控制系统 ,该系列产品采用模块式结构 ,为在不同的工业现场使用提供了稳定可靠的平台。 不仅具有先进的通信和输入输出能力 ,而且集成了多个控制功能 ,系统具有可靠性高、稳定性强、高抗干扰的 I/ O 处理元件、硬件配置的灵活性和可扩展性。 系统构成包括处理器、网络模块、输入输出模块和相关外部设备 ,支持多种通信协议 ,MB + 网络是其应用最广泛的一种网络技术。 兰州大学毕业设计说明书 8 第三 章 硬件设计 轨道开关 设计 在矿车轨道上安装行程开关来 确定矿车的工作状态，在洞外安装后停车行程开关、 后减速行程开关 、 后过卷行程开关。 在洞内安装前停车行程开关 、 前过卷行程开关 、 前减速行程开关 、 放料开始行程开关、放料结束行程开关。 矿车的运动过程是：加速、匀速、减速、 前 停车、 前过卷、反向启动、加速、匀速、开始放料、电机的启停控制放料、结束放料，在该过程中加速匀速可用软件来控制变频器的工作使矿车按预期的指令工作，碰到减速开关时减速，碰到放料开始和放料结束行程开关时开始放料和结束放料。 洞内 洞外 轨道 前过卷 前停车 前减速 放料开始 放料结束 后减速 后停车 后过卷 图 31 轨道结构图 三相异步电动机 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统。 由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。 因此现在应用面很广。 根据本 次设计要求及设备的需要使用一个 110KW 的异步电动机。 变频器 近 20 年来 , 随着电力电子技术、微电子技术、微机控制技术及现代控制理论的发展 , 交流调速技术也得到迅速的发展 , 特别是变频调速 , 大有取代直流调速之势。 兰州大学毕业设计说明书 9 变频器可以分为 4 个主要部分： 1．整流器 它与单相获三相交流电源相连接，产生脉动的支流电压。 整流器有两种基本类型，可控的和不可控的。 2．中间电路 它有以下 3 种类型： 1）将整流电压变换成支流电流 2）使脉动的支流电压变得稳定或平滑，供逆变器使用 3）将整流后固定的支流电压变 换成可变的支流电压 3．逆变器 它产生马达电压的频率。 另外，一些逆变器还可以将固定的支流电压变换成可变的交流电压。 4．控制电路 它将信号传给整流器、中间电路和逆变器，同时它也接受来自这些部分的信号。 具体被控制的部分取决于各个变频器的设计。 变频器都是由控制电路利用信号来开关逆变器的半导器件，这是所有变频器的共同点。 变频器可以依据控制输出电压的开关模式来分类。 变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为 PAM 控制变频器、 PWM 控制变频器和高载 频 PWM 控制变频器；按照工作原理分类，可以分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。 变频调速装置主要有两大类 ；① 一类是矢量控制的变频调速装置 , 高精度、高性能 , 可以和直流调速相媲美 , 但其控制技术复杂 , 价格高 , 因而应用还不广泛 ；② 另一类是通用变频调速装置 , 结构简单 , 效率高、功率因数高 , 应用广泛 , 其中尤以脉宽调制 (PWM)变频调速装置最为普遍 , 一般仅作开环和在调速要求不高的场合使用。 对于异步电机的变压变频调速，必须具备能够同时控制电压幅值和频率的交流电源，而电网提供的是恒压恒频的电源，因此应该配置变压变频器，又称 VVVF（ Variable Voltage Variable Frequency）装置。 最早的 VVVF 装置是旋转变频机组，即由直流电动机拖动交流同步发电机，调节直流电动机的转速就能控制交流发电机输出电压和频率。 自从电力电子器件获得广泛应用以后，旋转变频机组已经无例外地让位给静止式的变压变频器了。 从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交 直 交和交 交两大类。 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，再通过逆变兰州大学毕业设计说明书 10 器变换成可控频率和电压的交流，如图 32。 图 32 交 直 交（间接）变压变频器 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（ PMOSFET， IGBT等）组成的脉宽调制（ PWM）逆变器，简称PWM 变压变频器，如图 33。 图 33 交 直 交 PWM 变压变频器 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： （ 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。 兰州大学毕业设计说明书 11 （ 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。 交 交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（ CVCF）的交流电源直接变换成 VVVF 输出，因此又称直接式变压变频器。 有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（ Cycloconveter）。 图 34 交 交（直接）变压变频器 常用的交 交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。 也 就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路，如 图 35。 图 35 交 交变压变频器 每一相的可逆线路 (2) 变频器工作原理 交流电动机的同步转速表达式 为 ： 60 (1 )fsnp  式中 n ——— 异步电动机的转速； f ——— 异步电动机的频率； s ——— 电动机转差率； p ——— 电动机极对数。 由式可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，兰州大学毕业设计说明书 12 当频率 f 在 0～ 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。 变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。 从总体控制结构上看 ,两者都采用转矩和磁链分别控制 ,转矩控制环 (或电流的转矩分量环 )都处于转速环的内环 ,可以抑制磁链变化对转速子系统的影响 ,从而使转速和磁链子系统实现 了近似的解耦。 因此两种系统都能获得较高的静、动态性能。 (3) 变频器容量选择 选择变频器的容量一般应以 KVA 数为单位，但由于交流电动机的额定电压为某一固定值，相应的变频器开关元件的耐压值也就确定了，开关元件的工作电流就成为影响变频器容量的唯一参数，这样变频器容量的选择就可以转化为其电流的选择。 实用中一般是根据电动机的电流情况来确定变频器的额定电流。 在本系统中异步电机的额定电压为交流 380V ，额定功率为 132KW ，那么开关元件的工作电流为： 132 2 1 0 .7 2 9 5 13 8 0 3KW  （A） 通过查阅变频器技术资料我们选择额定电流为 245A 的变频器。 最终选择 型号为 ATV61HC13N4 的变频器。 ATV61 变频器有许多可配置的逻辑与模拟输入 / 输出 见下图 变频器的结构 ，以便针对应用情况来优化变频器。 为了提高控制系统的性能，变频器支持 Modbus 与 CANopen 协议并作为标准。 ATV61 变频器也支持大 多数工业通信总线。 图 36 变频器的结构图 兰州大学毕业设计说明书 13 对变频器输入的指令对 PLC 而言是输出的，而对变频器输出的指令对 PLC 来说是输入的， 急停正转和反转这三个指令对变频器是输入指令，由 PLC 发出该指令控制 PLC 工作，接在变频器的数字量输入上， 如下图 所示： 急停 正转 反转 ＡＡＡ 图 37 变频器 输入信号 接线图 故障信号 是由变频器 输出 给 PLC 的 ， 接在变频器的数字量输出上，由下图所示： 故障 急停 运行 R1A R1C R1B R2A R2C 图 38 变频器 输出信号 接线 图 编码器 根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。 根据其刻度方法及信号输出形式，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。 （ 1） 增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、 B 和 Z 相； A、 B两组脉冲相位差 90186。 ，从而可方便地判断出旋转方向，而 Z 相为每转一个脉冲，用于基准点定位。 它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。 其缺点是无法输出轴转动的绝对位LI1 LI2 LI3 +24V ATV61。