毕业论文--基于plc的矿井提升机变频调速控制系统设计

毕业论文--基于plc的矿井提升机变频调速控制系统设计内容摘要：

利用 PLC 的高速计数功能网络通信功能故障检测及诊断功能信号显示功能等来增加一些新的控制功能安全性将大大提高运行将更加平稳准确完全能够满足矿山生产的苛刻要求而且投资相对较少性价比较高具有很强的实用价值 调速装置 矿井提升机从电力拖动而言可分为交流拖动和直流拖动两大类我国目前正在服务的矿井提升机的电控系统中属于交流拖动的有转子电路串电阻的调速系统属于直流拖动的有直流 发电机与直流电动机组成的 GM 调速系统和晶闸管整流装置供电的 VM 调速系统 直流拖动系统一般采用他励电动机作为主拖动电机它具有调速性能好低速阶段运行稳定在加速减速和低速运行时的电耗小容易实现自动化控制等优点根据供电方式的不同直流拖动系统又可分为两类一类是发电机组供电的系统 简称GM 系统 一类是晶闸管供电的系统 简称 VM 系统 GM 系统的特点是过载能力强所需设备均为常规定型产品供货容易运行可靠维护工作量大但是技术要求不高对系统以外的电网不会造成有害的影响即不会引起电力公害等 与 GM系统相比 VM系统具 有以下优点功率放大倍数高 GM系统的功率放大倍数在 101 左右 VM 系统可高达 104 比 GM 系统高三个数量级快速响应性好 GM系统为秒级 VM为毫秒级因而动态品质快速性能较好功耗小效率高 GM系统平均效率为 75 左右 VM 系统可达 85 左右比 GM 系统效率提高 10 以上调速范围大由于剩磁影响 GM系统在调速时转速受到限制而 VM系统调速时速度从零到最大速度都能控制运行可靠 直流拖动系统具有调速性能好的特点是交流拖动系统无法相比的而 VM 系统由于具有以上一些突出的特点因此目前在大型提升机方面世界各国大多采用直流拖动方 案尤以 VM系统为主但是根据国内生产实践经验表明 VM系统尚存在以下缺点 1 晶闸管元件的过载能力 过电压过电流 较低因此在矿井提升机系统中作为供电元件时为了适应瞬时过载 例如提升机的加速阶段 的需要通常将元件的容量和耐压等级都相应增大或者增加使用的晶闸管元件数量使元件作串联或并联运行即使用的元件在正常负载时处于低负载 降级使用 以确保在过载的加速阶段晶闸管元件的负载仍然在额定负载的范围内不致由于出现过负荷时使晶闸管元件烧毁但由于这种降级使用也给生产维护上增加了困难 2 有冲击性的无功功率由于高次谐 波的影响使电网电压的波动加大并导致畸变即所谓引起电力公害同时低速时功率因数也较低 目前在我国使用的多绳摩擦轮提升机 GM 直流拖动占一定比例而进口的直流拖动提升系统则全部采用 VMPLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由主控系统变频系统液压站润滑站操作台安全保护和控制监视系统组成系统框图如图 23 所示各部分功能如下 23 提升机控制系统框图 1 主控系统 图 23 为提升机控制系统框图系统的主控系统采用三菱 FX2N 系列的可编程控制器一备一用当主 PLC发生故障的时候可以迅速切换备用 PLC不影响生产使用PLC 集成高速计数输入口以及特殊高速计数模块相结合对分别安装于电机轴辊筒主轴天轮的四个编码器数据进行采集同时监视速度深度以及判断松绳 AD 模块采集现 场液压站及润滑站的油压油温等信号在井筒及深指器各阶段安装行程开关用以确定罐笼位置并相互校验达到停车位的精确控制程序编制满足提升机自动半自动手动验绳调绳等工作方式并可方便的转换满足提升阶段 如加速减速等速爬行等 稳定运行的要求 2 变频调速系统 调速系统采用德国制造西门子变频器性能优越采用矢量控制技术适合提升机工作环境只需在控制单元给出对变频器的控制命令 正转反转多段速等 即可使提升机按照设定的速度曲线运行满足提升阶段稳定运行的要求变频调速装置本身具有过压欠压过流过负荷缺相超温等保护同时配合来自现场的各 种信号传感器的监视及相应处理可实现绞车过卷过速减速限速等重要保护的双线制保护功能满足煤矿安全规程要求在变频器系统中输出闸控信号到 PLC 要求只有在变频的输出转矩达到一定值的时候才可以松闸这样会避免竖井提升机启动时发生溜车现象 3 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 4 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 5 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 6 安全保护 本系统设有一条硬件安全电路和两条软件安全电路这三条安全电路相互冗余与闭锁一条断开时另两条也同时断开硬安全回路通过硬件回路实现无论 PLC单元是否正常工作一旦出现重度故障信号硬安全回路马上断开软安全回路分别在两套 PLC 软件中搭建与硬安全回路相同并且同时动 作安全电路断开后系统会立即解除运行控制指令封锁变频器制动油泵断开安全阀和 KT 线圈进行紧急制动安全保护功能齐全设有过卷等速超速定点超速 PLC 编码器断线错向传动系统故障及自动限速等保护功能 控制系统工作原理当司机听到开车信号时按下启动按钮 PLC 控制将 380V 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 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速度及行走距离监视器可以时时显示提升机速度和位置 第 3 章 变频调速系统的设计 31 变频调速的发展及在提升机系统中的应用 传统调速系统中直流调速以其控制容易调速精度高等特点长期占据了主导地位但是由于结构复杂过流能力不强环境适应差难以实现高速度化等原因一直限制了其应用范围的进一步扩大相比较而言交流异步电机具有环境适应能力强过流能力大牢固耐用结构简单容易维护及价格低廉等优点但异步电机的调速性能 难以满足生产要求随着电力电子器件的产生和控制理论的飞速发展现代控制理论越来越多的应用到交流调速系统中使得交流调速性能可以和直流调速相媲美相竞争交流调速系统的应用领域不断扩大近年来电力电子技术的发展和 DSP微处理器的推出更为高性能交流调速系统的实现奠定了基础目前已经进入了实用化阶段作为众多调速方案之一的变频调速其发展不超过 40 年却取得了长足的进步变频调速以其节能和可平滑调速调速范围宽等优点得到了广泛的应用 交流电动机变频调速控制技术大体经历了以下几个发展阶段 第一个阶段为电压频率 Uf150 确保低速爬行时的启动与运行特性输出频率跟随给定频率并且频率与电流值可准确指示出来从而使传动系统获得高精度高可靠性采用直接转矩控制可改善低频特性普通变频器虽然可以输出较低的频率但输出力矩小特性较软应用于提升位能负载时起动瞬间总要溜车采用特殊的软件编程改善低频特性即使在输出 0Hz的情况下也能输出 200的负载力矩达到了在整个运行过程都能输出满足负载要求的力矩完全避免了重载坡起时溜车的现象 提升机使用变频调 速控制具有下列优点 1 调速平滑调速范围大通过控制器的控制变频器的输出频率可以连续调节实现无级调速使电动机起动电流小动负荷小调速平滑而无冲击 2 调速精度高电动机在自然特性上运转时的外特性硬转速随负载变化小 3 动态品质好可使提升机的起动制动反转和调速过程的时间降至最少具有良好的动态品质 4 易实现电动机的换向当频率降低至零后即可反向开车采用控制器改变相序即可实现反转因此可在四象限内平滑的过渡 5 节电效果显著变频调速比转子回路串接电阻的调速方法节约电能 20～40 32 变频调速基本原理 由电机学的基本公式 41 式中电动机定子绕组的磁极对数 p 一定改变电源频率 f 即可改变电动机同步转速异步电动机的实际转速总低于同步转速而且随着同步转速而变化电源频率增加同步转速 n0 也增加实际转速也增加电源频率下降同步转速 n0 也下降电机转速也降低这种通过改变电源频率实现的速度调节过程称为变频调速 在变频调速领域异步电机的控制方式多种多样但从转矩的响应性和过渡特性来看变频调速的控制方式分为以下几种 1VF 控制 VF 控制是交流电机最简单的一种控制方法通过控制过程中始终保持 VF 为常数来保证转子磁通的恒定然而 VF 控 制是一种开环的控制方式速度动态特性较差电机转矩利用率低控制参数 如加减速度等 还需要根据负载的不同来进行相应的调整特别是低速时由于定子电阻和逆变器等器件开关延时的存在系统可能会发生不稳定现象这种控制方式多用于调速精度不高的场所 2 转差频率控制 转差频率控制是检测异步电动机的转速对转差频率采取闭环控制与 VF 控制相比调速精度要求较高且系统容易稳定即能在宽广的调速范围内将电动机的转矩功率因数及效率控制在最佳状态但是采用此法的电动机调速系统只能是单机运行同时转差频率控制未能实施对电机瞬时转矩的闭环控制尽管这种系统的 静态精度较高但由于快速性较差故适用于对响应的快速性要求不高的系统 3 矢量控制 矢量控制是一种建立在转子磁链定向的基础上通过一系列的坐标变换实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解耦的控制方法可以将作为控制对象的感应电机当作直流电机来进行控制实现对瞬时转矩的控制目前实用中多采用转差频率矢量控制由于其没有实现直接磁通的闭环控制无需检测出磁通因而容易实现但是其控制器的设计在某种程度上依赖于电机的参数为了减少控制上对电机参数的敏感性已经提出了许多参数辨识参数补偿和参数自适应方案收到了较好的效果 4 直接转矩控制 直接转矩控制 DTC 也是一种转矩闭环控制方法其克服了坐标变换和解耦运算的复杂性直接对转矩进行控制通过转矩误差磁通控制误差按一定的原则选择逆变器开关状态控制施加在定子端的三相电压调节电机的转速和输出功率达到控制电机转速的目的由于 DTC 直接着眼于转矩控制对转子参数变化表现为状态干扰而非参数干扰 DTC方法比矢量控制方法具有较高的鲁棒性但是 DTC也存在不足之处其最大的困难就在于低速性能不理想 33 变频器的选择 选择变频器时应以负载特性为基本依据分析提升机的负载属于重力其负载特性属于恒转矩负载特性由于恒转矩负载类 设备都存在一定静摩擦力负载的惯量很大在启动时要求有足够的启动转矩这就要求通用变频器有足够的低频转矩提升能力和短时过流能力但当低速时负载较重的情况下为提高转矩提升能力而使电压补偿提的过高往往容易引起过电流保护动作选型时应充分考虑这些情况必要时应将通用变频器的容量提高一档或者采用具有矢量控制或直接转矩控制的通用变频器采用矢量控制或直接转矩控制通用变频可以在不过电流的情况下提供较大的起动转矩对于升降类恒转矩负载如提升机电梯等这类负载的特点是启动时冲击电流大在其下降过程中需要一定制动转矩同时会有能量回馈因此要求变频 器有一定余量 系统设计时应注意适当增大异步电动机的容量或增大通用变频器的容量通用变频器的容量一般取 11～ 15 倍异步电动机的容量 的选型 提升机普遍选用带低速转矩提升功能的电压型变频器如日本的安川三菱富士德国的西门子及丹麦的丹佛斯等本系统选用西门子 6SE70 变频器西门子变频器具有较合理的价格完整的理论计算书及辅件推荐值有利于用户合理选用 6SE07 系列变频器是具有多种可供选择接线方式的设备有将整流部分与逆变部分装于一体的变频器用于变频器的制动电阻和制动单元单独的整流单元整流回馈单元和单独的逆变器制动运 行的方式对于不经常制动的设备可以选择变频器制动单元制动电阻的方式对于经常制动的设备采用整流回馈单元向公共直流母线供电再由直流母线向多台逆变器供电对于不同时制动的逆变器可以在直流母线上交换能量当制动功率大时从回馈单元向电网回馈能量还可以将多台变频器的直流母线直接连接形成公共直流母线再接入制动单元与制动电阻当制动功率大时由制动电阻消耗能量 6SE7O 系列变频器具有多种控制方式可以设定为 VVVF 控制开环矢量控制闭环矢量控制中的一种闭环矢量控制的性能最好必须接入测速装置 6SE70 系列变频器的所有设备。