基于plc的矿井提升机变频调速控制系统的设计

基于plc的矿井提升机变频调速控制系统的设计内容摘要：

力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软起动、变频调速、提高运转精度、改变功率因素、过流 /过压/过载保护等功能。 变频器系统结构 示意图， 如图 图 高压变频调速系统结构图 变频器 主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分， 变频器主要由 整流器、平波 电路、逆变器、 控制电路四大部分组成，整流器将工频 电 源河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于 PLC 的矿井提升机变频调速系统 7 变为直流电，平波 电路 吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动 ， 逆变器将直 流电变换为工作所需的交流电， 控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的 “ 运算电路 ”， 主电路的 “ 电压、电流检测电路 ” ，电动机的 “ 速度检测电路 ” ，将运算电路的控制信号进行放大的 “ 驱动电路 ” ，以及逆变器和电动机的 “ 保护电路 ” 组成。 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 ： ① U/F=C 的正弦脉宽调制 (SPWM)控制方式 其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。 但是，这种控制 方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。 另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。 ② 电压空间矢量 (SVPWM)控制方式 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。 经实践使用后又有所改进， 即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。 但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。 ③ 矢量控制 (VC)方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流aI 、 bI 、 cI 通过三相－二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 1aI 、1bI ，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流1mI 、 1tI ( 1mI 相当于直流电动机的励磁电流； 1tI 相当于与转矩成正比的电枢电流 )，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换，实现对异步电动机的控制。 其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。 通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。 矢量控制方法的提出具有划时代的意义。 然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于 PLC 的矿井提升机变频调速系统 8 ④ 直接转矩控制 (DTC)方式 1985年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新 颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。 目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。 它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。 ⑤ 矩阵式交 交控制方式 矩阵式交 交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。 它能实现功率因数为 1，输入电流为正弦且能四象限运行，系统 的功率密度大。 该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。 其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。 矿井提升机 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（包括拖动系统）、 井架（或井塔）、天轮、 导向轮 及装卸载设备等。 由于井筒条件（竖井或斜井）及选用的提升容器和提升机类型的不同，可组成各有 特点的矿井提升系统。 常见的提升系统有：竖井单绳缠绕式箕斗提升系统、竖井单绳缠绕式罐笼提升系统、 竖井多绳摩擦式箕斗提升 系统、竖井多绳摩擦式罐笼提升系统 、斜井箕斗提升系统、 斜井串车提升系统。 矿井提升机是一个完整的机械 电气系统 ，其主要由以下几部分组成。 ① 工作机构 主要是指主轴装置和主轴承等，主轴装置由主轴、卷筒、滚动轴承、支轮、制动轮、调绳离合器等组成。 ② 制动系统 液压制动系统装置包括制动器和液压传动装置，是提升机不可缺少的重要组成部分 之一，也是最后一道安全保障装置。 制动装置的可靠性直接关系到提升机的安全运行。 提升机制动器的功能就是刹住提升机卷筒，使提升机停止运行。 ③ 机械传动系统 机械传动系统，机械传动系统包括减速器和联轴器。 减速器的作用 是减速和传递动力，联轴器是用来联接提升机的旋转部分，并传递动力。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于 PLC 的矿井提升机变频调速系统 9 ④ 润滑系统 润滑系统是在提升运行过程中，不间断地向轴承及啮合齿面压送润滑油，以保证轴承和齿轮的正常 工作。 润滑系统必须与自动保护系统和电动机联锁，即润滑系统失灵时， 主电动机断电，确保机器的正常工作。 ⑤ 观测和操纵系统 观测和操纵系统包括斜面操纵台，深度指示器以及测速发电机。 深度指示器的作用是显示提升容器的运行位置，容器接近井口卸载位置和井底停车场时，发出减速 和制动 信号。 ⑥ 拖动控制和自动保护系统 拖动控制和自动保护系统包括拖动电动机 、 变频器、 PLC 电气控制系统和自动保护系统。 矿井提升机自动保护系统的作用是：在司机不参与的情况下，发生故障时能自动将主电动机断开并同时进行安全制动从而实现对系统的保护。 单绳缠绕式提升机箕斗提升系统如图 所示。 图 立井双箕斗提升机系统图 总体设计 提升机控制系统方案的选用应满足生产工艺的要求，即满足各种可能出现的运行速度图和力图。 所以需要先来分析提升机电控系统的静、动态特性。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于 PLC 的矿井提升机变频调速系统 10 提升机的电气传动系统的给定速度 )(tfv 如图 所示，根据动 力学方程式  375nled TTTT 式中 eT —— 电动机电动力矩； lT —— 传动系统的静阻力矩； nT —— 传动系统的飞轮惯量； dT —— 传动系统的动态转矩；  —— 加速度。 可以 按给定速度图 得出 所需转矩 )(tfTe  的特性，从而 得到拖动系统所需的力 )(tfF ， 如图。 图 、力图 提升机的负载静力 LF ，决定于提升机辊筒承受的静张力差，在双箕斗的平衡提升系统中，力 LF 也就是提升物体的净载重。 由于提升系统的负载为位势负载，河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于 PLC 的矿井提升机变频调速系统 11 所以静力 LF 的作用方向始终是提升重物的重力方向，而与系统的运动状态和方向无 关。 因此在电动机不带电时，为了使重的箕斗处于静止状态 （ 便于箕斗 的装卸载 ） ，对辊筒必须施加机械闸。 从图 可以看出，要使提升机 按照给定的速度图运行，电动力矩 eT 可能为正，也可能为负。 这意味着电动机不仅要工作在电动状态，还应能工作在制动状态。 由于不同的负载，不同的提升机运行阶段，电动机的运行状态也各不相同。 要使提升机按给定速度图运行，电气传动系统应能根据负载的变化而自动的工作在电动或制动状态，也就是说要求电气传动系统能满足四象限运行。 综合以上 矿井 提升机的运行 特点以及矿山生产固有的特点，提升机工艺对提升机电控系统的要求如下： ① 加 （ 减 ） 速度符合国家有关安全生产规程的规定。 提 升降物料时，加速度a 2/ sm。 另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。 ② 具有良好的调速性能。 要求速度平稳，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式及提升阶段 （ 如加速、减速、等速、爬行等 ）稳定运行的要求。 ③ 有较好 的起动性能。 必须能重载启动，有较高的过载能力。 ④ 特性 曲线要硬。 保证负载变化时，提升速度基本上不受影响（ 当然，当负载超过一定的限度时，还要求 系统能有效 的自我保护，迅速安全制动停车）。 ⑤ 工作方式转换容易。 能够方便的进行 半 自动、 手动、验绳、调绳等工 作方式的转换，操作方便，控制灵活。 ⑥ 尽量 采 用新技术和节能设备。 实现自动化控制和提高整个系统的工作效率，具备必要的连锁和安全保护环节，确保系统安全运行。 矿井提升机变频调速控制系统结构框图如图 所示。 图 提升机调速控制系统结构框 图 矿井提升机变频调速 控制 系统主要 有：操作台、 PLC、变频器、旋转编码器、传感器、减速器、液压站 等组成。 提升机工作时有操作台发出工作信号， PLC 根据PLC 操 作 台 M 变频器 编码器 主电源 减速器 卷筒 液压站 河南城建学院本科毕业设计（论文） 2 基于 PLC 的矿井提升机变频调速系统 12 预先设置好的程序 发出运行指令 控制变频器 ，电动机开始工作，并 拖动 矿井 提升机运行。 制动时由 PLC发 出制动信号，液压站工作 ，闸住提升机。 系统预计达到 可 较高的 安全 可靠性，控制柜之间、控制柜与操作台之间、提升机电控和信 号 及提升调度之间的信号连接采用快速电缆插头及总线通信方式，简化了设备之间的连接，提高了信号传输的可靠性。 在操作台设计上尽量采用原来的操作模式，使操作人员可以不需长时间适应即可熟练操作。 系统具有优良的动、静态特性，发挥矢量控制的良好性能，实现真正意义上的无级调速。 起动及加速换挡时冲击电流很小，减轻了对电网的冲击，简化 了操作，降低人的劳动强度。 设备的体积小、重量轻、占地面积小、安装维修方便，操作简单，维护工作量小，工作效率高，节电效果明显，噪音小。 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计 13 3 矿井提升机变频调速系统硬件 设计 矿井提升机及电机的选型 箕斗的选定 ①提升高度 mHHHH xz 4841618450s  ②经济提升速度 smHv m / 8  ③一 提升循环估算时间 svHavT mmx  初估加速度 2/ sma ④每小时提升次数  xs Tn ⑤每小时提升量 httbCCAA rn fns /19714300 4   取提升不平衡系数 C ,提升能力富裕系数 fC。 ⑥一次合理提升量 tnAQ sS  考虑为以后矿井生产能力的加大留有余地，选择名义装载重量为 kN60 的箕斗，其主要技术规格如下： 自 重 NQz 50000 ；全高 mmHr 9450 ；有效容积 mV ；容器间中心距mmS 1870 ；实际载重量 kNQ 。 根据《煤矿安全规程》规定，考虑到实际的提升速度低于 sm/8 ，取过卷高度mHg 8 ，天轮直径 mDt  ， 确定井架高度。 mDHHHH tgrxj  预选提升电机 河南城建学院本科毕业设计（论文） 3矿井提升机变频调速系统硬件设计 14 ① 确定电机额定转数 m i n/ rDivn tme    考虑到箕斗容积选用较大，故预定同步转数 min/500rnt 。 ②预选电机功率 由 tn 可估定电机额定转数 492 / minenr ，则实际最大提升速度 3 . 1 4 3 . 5 4 9 2 7 . 8 4 /6 0 6 0 1 1 . 5em Dnv m si    则电动机功率 1 . 1 5 6 0 0 0 0 7 . 8 4 1 . 2 7 6 41 0 0 0 1 0 0 0 0 . 8 5mejK Q vP k W     取矿井阻力系数  ，减速器传动效率   ，动力系数 。 根据以上计算，选择 YR80012/1430 绕线型异步电动机，其主要技术规格如下：额定功率 800eP kW ，额定电压 6NU kW ，额定转数 492。