基于三菱系列plc的煤矿皮带运输机控制系统毕业设计论文

基于三菱系列plc的煤矿皮带运输机控制系统毕业设计论文内容摘要：

在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。 一般的交－交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的 性质，也属于电压源型变频器。 ② 、 电流源型变频器 当交－直－交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。 有的交－交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波具有电流源的性质，它也是电流源型变频。 11 二 、 变频调速的特点 （一）变频调速可以实现软起动，降低机械冲击、降低起动电流对电网的影响、乘人时抑制加速度给人带来的不良反应。 软启动方式是在电源和电机之间串入软启动器的 一种电机启动方式，也可归入降压启动的范畴，但它不同于一般的降压启动，它采用的是逐步升压的方式，电流也是逐步增大的，其停止时电流和电压也是逐步减小的。 软启动装置以微电脑作为其控制单元，利用软件，通过建立输入电动机、电网和负载数学模型，根据选定控制策略作出离线模拟，采用三对反并联晶闸管串接于电动机的三相供电线上。 利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其触发导通角的大小来改变晶闸管的开通程度，以此来改变电动机启动时输入电压和输入电流的大小，达到控制电机的启动特性。 软启动控制器接收到启动指令后，便进行有关计算，确定晶 闸管的触发信号，通过控制晶闸管使软启动装置按所设定的方式输出相应的电压，以控制电机的启动过程。 电机完成启动过程后，软启动控制器便控制交流接触器吸合，短路所有晶闸管，使电机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。 实际应用中，软启动具有下列优点 无冲击电流。 软启动器在启动电机时，电机启动电流从零线性上升至设定值。 它对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳启动，减少对负载的冲击转矩，能延长机器使用寿命，而且启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动，可频繁启动。 软停车功能。 停止时平滑减速，逐渐停机，从而克服了 瞬间断点停机的弊病，减轻对负载设备的机械冲击，减少设备损坏。 启动参数可调。 根据负载情况及电网继电保护特性，可自由地无级调整至最佳启动电流。 软启动的主要目的是降低异步电机的启动电流，提高系统运行平稳性，延长电机及相关设备的使用寿命。 因其电机启动时的电压和电流均可在一定范围内由用户进行调整，且可提供多种智能的启动曲线，有完善的电机保护功能，有显著的节能效果，因此，其用途相当广泛，目前在世界上正处于大力发展阶段。 （二）能够实现运人、运煤及验绳检修多种速度。 12 （三）四矿钢缆皮带属于集中运输巷，担负着丁九、 戊九采区及联络巷分运皮带的煤炭运输任务，有长期运行要求，变频调速能够降低冲击、节约电能，设备初期投资大点，但从长远来看还是经济的。 三 、 调速方案的 确定 （一）驱动系统类型 为了与现场机械部分对接，采用一台变频器带一台电动机的单独拖动，整流与逆变一一对应组成变频器的常规方式。 （二）制动方式 钢缆皮带为上行皮带，上皮带运煤或下皮带运人时惯性很小，停车时采用回馈制动节能效果不明显，所以采用结构简单成本低廉的能耗制动。 （三）运行控制模式 三种运行控制模式 （ 1） u/f 控制方式思路简单，附加要求少，控制容易实 现，适合于多数二次方转矩负载以及对动态性能要求不高的反抗性转矩负载应用。 （ 2）矢量控制原理实际是对直流电机的模仿，通过矢量变换分离和合成励磁及转矩矢量，实现了磁链子系统和转速子系统的近似解耦，具备了控制转矩的手段。 （ 3）建立定子磁链和电磁转矩的数学观测模型，利用可测量的物理量，以软测量技术获得定子磁链和电磁转矩的反馈值，采用滞环式闭环控制方式，利用电压空间矢量的开关状态切换来实现对磁通和电磁转矩的分别控制，这就是基于磁链跟踪脉宽调制的直接转矩控制的基本原理。 矢量控制的稳态特性优于直接转矩控制，直接转矩 控制的动态特性优于矢量控制，但两者的差别并不大，都是高性能的控制模式，其动态、稳态性能都能满足绝大多数的应用需求。 根据市场各公司资料和价格，拟选用 ABB 公司提供的直接转矩控制方式产品。 按照电动机额定电流 Ievf≥ K1Ied= = 选 355kw 变频器。 13 ZJT3— 355/1140(660) 水冷式矿用本质安全型交流变频调速控制装置 的 技术参数 如表二所示 ： 表二 ZJT3— 355/1140(660)的技术参数 名称 参数 名称 参数 额定交流电压 1140V(660) 控 制型式 转矩控制型 矢量控制型 额定最大输出电流 355A 额定工作制 不间断工作制 输入电源频率 50Hz 过载能力 150%额定电流 60S 180%额定电流 10S 输出频率范围 0～ 50Hz 在数字控制模式条件下的分辨率 注：每次过载的间隔时间应大于 20min。 四 、 变频系统组成 主要由输入输出电抗器 ， 变频器逆变部分（ IGBT） ,控制部分 ， 显示部分和电源部分组成。 输入输出电抗器用来有效的抑制变频器产生的谐波分量。 变频器逆变部分通常是指将交流供电电源整流后通过 IGBT逆 变模块调制成频率可调的一种电源输出，简称交 － 直 － 交变频器。 控制部分指变频器的主控制模块，主要功能是接受或输出各种指令（起停，急停，手动选择，自动选择，故障复位，变频器就绪，变频器运行，变频器故障），速度编码器的信号采集等。 显示部分指变频器自身的参数或各种状态在码盘上显示，同时码盘可作为本地控制盘使用。 电源部分指提供变频器内部使用的不同等级的电源。 有 AC 220V； DC 24V等。 五 、 变频系统的功能 系统可任意调整加、减速度。 钢缆皮带输送机要求起动和停止平稳，为减少机械冲击，加、减速度 要小于 178。 ，同时为防止起动时瞬时打滑，要求 14 等加速起动。 变频器的加减时间可在 1—— 9999 秒内任意调整。 所选变频器具有保护和自诊断功能，完善的保护功能以保障电气设备的正常运行，此变频器具有过压、欠压、过流、过热、短路、接地、三相不平衡、缺相等保护。 能够保存最近 10次的故障代码，还能保存相应的故障参数。 第三节 IGBT 结构及工作原理 IGBT 是变频器逆变部分，又叫做交 － 直 － 交变频器 ，它的功能是： 交流供电电源经整流后再 通过 IGBT 可 调制成频率可调的一种交流电源输出。 一 、 IGBT 的结构 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是 绝缘栅双极型功率管， 它 是由 BJT(双极型三极管 )和 MOS(绝缘栅型场效应管 )组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件 , 兼有 MOSFET 的高输入阻抗和 GTR 的低导通压降两方面的优点。 GTR 饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。 MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。 IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。 非常适合应用于直流电压为 600V 及以上的变流系统 ， 如交流电机、变频器、开关电源、照明电路 、牵引传动等领域。 IGBT 在结构上类似于 MOSFET ，其不同点在于 IGBT 是在 N 沟道功率 MOSFET 的 N+ 基板（漏极）上增加了一个 P+ 基板（ IGBT 的集电极），形成 PN 结 j1 ，并由此引出漏极、栅极和源极则完全与 MOSFET 相似。 IGBT 相当于一个由 MOSFET 驱动的厚基区 GTR ， Rdr 是厚基区 GTR 的扩展电阻。 IGBT 是以 GTR 为主导件、 MOSFET 为驱动件的复合结构。 由于 IGBT 是在 N 沟道 MOSFET 的 N+ 基板上加一 层 P+ 基板，形成了四层结构，由 PNP － NPN 晶体管构成 IGBT。 但是， NPN 晶体管和发射极由于铝电极短路，设计时尽可能使 NPN 不起作用。 所 以说， IGBT 的基本工作与 NPN 晶体管无关，可以认为是将 N 沟道 MOSFET 作为输入极， PNP 晶体管作为输出极的单向达林顿管。 采取这样的结构可在 N层作电导率调制，提高电流密度。 这是因 为从 P+ 15 基板经过 N+ 层向高电阻的 N 层注入少量载流子的结果。 IGBT 的设计是通过 PNP － NPN 晶体管的连接形成晶 闸管。 二、 IGBT 的工作原理 IGBT是强电流、高电压应用和快速终端设备用垂直功率 MOSFET的自然进化。 由于实现一个较高的击穿电压 BVDSS 需要一个源漏通道，而这个通道却具有很高的电阻率，因而造成功率 MOSFET 具有 RDS(on)数值高的特征，而 IGBT 消除了现有功率 MOSFET 的这些主要缺点。 虽然最新一代功率 MOSFET 器件大幅度改进了RDS(on)特性，但是在高电平时，功率导通损耗仍然要比 IGBT 技术高出很多。 较低的压降，转换成一个低 VCE(sat)的能力，以及 IGBT 的结构，同一个标准双极器件 相比，可支持更高电流密度。 GBT 硅片的结构与功率 MOSFET 的结构十分相似，主要差异是 IGBT 增加了 P+ 基片和一个 N+ 缓冲层（ NPT非穿通 IGBT 技术没有增加这个部分）。 其中一个 MOSFET 驱动两个双极器件。 基片的应用在管体的 P+和 N+ 区之间创建了一个 J1结。 当正栅偏压使栅极下面反演 P基区时，一个 N 沟道形成，同时出现一个电子流，并完全按照功率 MOSFET 的方式产生一股电流。 如果这个电子流产生的电压在 范围内，那么， J1 将处于正向偏压，一些空穴注入 N区内，并调整阴阳极之间的电阻率，这种方式 降低了功率导通的总损耗，并启动了第二个电荷流。 最后的结果是，在半导体层次内临时出现两种不同的电流拓扑：一个电子流 (MOSFET 电流 )； 一个是空穴电流（双极）。 （一 ） 关断 当在栅极施加一个负偏压或栅压低于门限值时，沟道被禁止，没有空穴注入N区内。 在任何情况下，如果 MOSFET 电流在开关阶段迅速下降，集电极电流则逐渐降低，这是因为换向开始后，在 N 层内还存在少数的载流子（少子）。 这种残余电流值（尾流）的降低，完全取决于关断时电荷的密度，而密度又与几种因素有关，如掺杂质的数量和拓扑，层次厚度和温度。 少子的衰 减使集电极电流具有特征尾流波形，集电极电流引起以下问题：功耗升高；交叉导通问题，特别是在使用续流二极管的设备上，问题更加明显。 鉴于尾流与少子的重组有关，尾流的电流值应与芯片的温度、 IC 和 VCE 密切相关的空穴移动性有密切的关系。 因此，根据所达到的温度，降低这种作用在终端设备设计上的电流的不理想效应是 16 可行的，尾流特性与 VCE、 IC和 TC 之间的关系。 （二 ） 反向阻断 当集电极被施加一个反向电压时， J1 就会受到反向偏压控制，耗尽层则会向 N区扩展。 因过多地降低这个层面的厚度，将无法取得一个有效的阻断能力，所以，这个机制十分重要。 另一方面，如果过大地增加这个区域尺寸，就会连续地提高压降。 第二点清楚地说明了 NPT 器件的压降比等效（ IC 和速度相同） PT 器件的压降高的原因。 （三 ） 正向阻断 当栅极和发射极短接并在集电极端子施加一个正电压时， P/N J3 结受反向电压控制。 此时，仍然是由 N漂移区中的耗尽层承受外部施加的电压。 （四 ） 正向导通特性 在通态中， IGBT 可以按照“第一近似”和功率 MOSFET 驱动的 PNP 晶体管建模。 理解器件在工作时的物理特性所需的结构元件（寄生元件不考虑在内）。 IC是 VCE 的一个函数（静 态特性），假如阴极和阳极之间的压降不超过 ，即使栅信号让 MOSFET 沟道形成，集电极电流 IC 也无法流通。 当沟道上的电压大于VGE Vth 时，电流处于饱和状态，输出电阻无限大。 由于 IGBT 结构中含有一个双极 MOSFET 和一个功率 MOSFET，因此，它的温度特性取决于在属性上具有对比性的两个器件的净效率。 功率 MOSFET 的温度系数是正的，而双极的温度系数则是负的。 描述了 VCE(sat) 作为一个集电极电流的函数在不同结温时的变化情况。 当必须并联两个以上的设备时，这个问题变得十分重要，而且只能按照对应某 一电流率的 VCE(sat)选择一个并联设备来解决问题。 有时候，用一个 NPT 进行简易并联的效果是很好的，但是与一个电平和速度相同的 PT 器件相比，使用 NPT会造成压降增加。 （五 ） 动态特性 动态特性是指 IGBT 在开关期间的特性。 鉴于 IGBT 的等效电路，要控制这个器件，必须驱动 MOSFET 元件。 这就是说， IGBT 的驱动系统实际上应与 MOSFET的相同，而且复杂程度低于双极驱动系统。 如前文所述，当通过栅极提供栅正偏压时，在 MOSFET 部分形成一个 N 沟道。 如果这一电子流产生的电压处于 范围内， P+ / N 则处于正向偏压控制，少数载流子注入 N 区，形成一个空穴双 17 极流。 导通时间是驱动电路的输出阴抗和施加的栅极电压的一个函数。 通过改变栅电阻 Rg 的值来控制器件的速度是可行的，通过这种方式，。