礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)研究 2

1、目錄第1章 緒論1.1國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀.31.1.1我國(guó)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀.31.1.2國(guó)外提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀. .31.2課題研究的目的和意義.41.3本論文承擔(dān)的任務(wù).51.4小結(jié).6第2章 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析2.1引言.62.2提升機(jī)工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu).62.3提升機(jī)調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析.72.3.1提升機(jī)直流調(diào)速性能分析.72.3.2提升機(jī)交流調(diào)速性能分析.82.4提升機(jī)調(diào)速控制方案分析.92.4.1傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng).102.4.2模糊控制調(diào)速系統(tǒng).112.4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng).122.4.4矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)2.5小結(jié).13第3章

2、提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)3.1引言.143.2提升機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).143.3提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇.153.4變頻控制部分設(shè)計(jì).163.4.1變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計(jì).163.4.2變頻器外部電路設(shè)計(jì).183.5 PLC控制部分設(shè)計(jì). 213.5.1基本控制功能.213.5.2位置檢測(cè)電路.233.6硬件調(diào)速控制系統(tǒng)保護(hù)措施.253.7小結(jié).28第4章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)4.1引言.284.2礦井提升機(jī)中S型速度曲線建模及實(shí)現(xiàn).284.2.1速度曲線的選擇及給定方法.284.2.2提升機(jī)理想S形速度曲線數(shù)學(xué)模型.304.2.3理想速度曲線的實(shí)現(xiàn).334.3調(diào)速控制系統(tǒng)軟件流程.354

3、.4小結(jié).37第5章 全文總結(jié)參考文獻(xiàn).39第1章 緒論1.1國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀礦井提升機(jī)對(duì)安全性、可靠性和調(diào)速性能的特殊要求，使得提升機(jī)電控系統(tǒng)的技術(shù)水平在一定程度上代表一個(gè)廠或國(guó)家的傳動(dòng)控制技術(shù)水平，因此世界各大公司紛紛將新的、成熟的技術(shù)應(yīng)用于提升機(jī)電控系統(tǒng)1。下面就國(guó)內(nèi)外礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)情況作一介紹。1.1.1我國(guó)礦井提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀在煤礦生產(chǎn)中，礦井提升機(jī)起著非常重要的作用，它是礦山生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。提升機(jī)電控裝置的技術(shù)性能，既直接影響礦山生產(chǎn)的效率及安全，又代表著礦井提升機(jī)發(fā)展的整體水平。目前，礦井提升我國(guó)機(jī)90%以上是采用單機(jī)容量在1000KW以下傳統(tǒng)的交流異步電機(jī)拖

4、動(dòng)，采用轉(zhuǎn)子串、切電阻調(diào)速，由繼電器接觸器構(gòu)成邏輯控制裝置。其中多半為電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)組(F-D機(jī)組)供電，采用晶閘管整流傳動(dòng)(SCR-D)的只占一部分。傳統(tǒng)交流拖動(dòng)系統(tǒng)的顯著缺點(diǎn)是：調(diào)速性能差，調(diào)速時(shí)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(hù)和監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)不完善，安全可靠性差，維護(hù)工作量大，而且運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。由于異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)特性曲線軟，在次同步狀態(tài)下無(wú)法產(chǎn)生有效的制動(dòng)力矩，因而難于準(zhǔn)確地控制提升機(jī)的停車(chē)位置。目前多采取動(dòng)力制動(dòng)或低頻拖動(dòng)加制動(dòng)的方式來(lái)完成減速、爬行和停車(chē)。目前在用的動(dòng)力制動(dòng)及低頻電源大多數(shù)為采用模擬技術(shù)控制的晶閘管裝置，仍存在調(diào)試?yán)щy、維護(hù)量大的問(wèn)題。傳統(tǒng)交流

5、電控系統(tǒng)可靠性差的另一原因是安全保護(hù)、閉鎖及監(jiān)測(cè)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(shù)共用一套線路，互相影響。1986年以來(lái)，針對(duì)制約提升安全的主要環(huán)節(jié)，陸續(xù)增設(shè)了深度指示器、自動(dòng)減速、限速等安全監(jiān)測(cè)及后備保護(hù)功能，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)提升容器的定點(diǎn)位置監(jiān)測(cè)及幾項(xiàng)重要安全保護(hù)的雙線制，使提升安全狀況有所改善。在實(shí)施提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)技術(shù)改造時(shí)，即要有超前一步的意識(shí)緊盯國(guó)際先進(jìn)水平，也要考慮我國(guó)國(guó)情，依靠自己的力量，加強(qiáng)與先進(jìn)國(guó)家的合作，采取引進(jìn)、消化吸收、合作生產(chǎn)、聯(lián)合改造等多種形式，實(shí)現(xiàn)符合中國(guó)國(guó)情的煤礦提升機(jī)電控系統(tǒng)現(xiàn)代化。1.1.2國(guó)外提升機(jī)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀國(guó)外從70年代開(kāi)始，隨著

6、微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)控制技術(shù)己逐步應(yīng)用于礦井提升機(jī)中。目前，國(guó)外己達(dá)到相當(dāng)成熟的階段，使整個(gè)拖動(dòng)控制產(chǎn)生一次變革。其應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面:（1）提升工藝過(guò)程微機(jī)控制在交流變頻裝置中，提升工藝過(guò)程大都采用微機(jī)控制。由于微機(jī)功能強(qiáng)，使用靈活，運(yùn)算速度快，監(jiān)視顯示易于實(shí)現(xiàn)，并具有診斷功能，這是采用模擬控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。（2）提升行程控制提升機(jī)的控制從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)位置控制，要保證提升容器在預(yù)定地點(diǎn)準(zhǔn)確停車(chē)，要求準(zhǔn)確度高，目前的控制誤差小于2cm。采用微機(jī)控制，可通過(guò)采集各種傳感信號(hào)，如轉(zhuǎn)角脈沖變換、鋼絲繩打滑、滾筒及鋼絲繩磨損等。將信號(hào)進(jìn)行處理，可計(jì)算出容器準(zhǔn)確的位置而施以控制和保護(hù)。在箕斗提升時(shí)

7、可實(shí)現(xiàn)無(wú)爬行提升，大大提高了提升能力。如SIEMENS,ABB,AEG等公司己采用32位微機(jī)來(lái)構(gòu)成行程給定器。除此之外還提供性能不盡相同的機(jī)械行程控制器。一般過(guò)程控制用微機(jī)作監(jiān)視，行程控制也采用單獨(dú)微機(jī)完成，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。（3）提升過(guò)程監(jiān)視由于近代提升機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特別強(qiáng)調(diào)安全可靠性，所以提升過(guò)程監(jiān)視與安全回路一樣，是現(xiàn)代提升機(jī)控制的重要環(huán)節(jié)。提升過(guò)程采用微機(jī)主要完成如下參數(shù)的監(jiān)視：a、提升過(guò)程中各工況參數(shù)(如速度、電流)監(jiān)視；b、各主要設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視；c、各傳感器(如井筒同步校正開(kāi)關(guān)、停車(chē)開(kāi)關(guān))信號(hào)的監(jiān)視。使各種故障在出現(xiàn)之前就得以處理，防止事故的發(fā)生，并對(duì)各被監(jiān)視參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)

8、、保留或打印輸出。甚至與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用于礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。(4)安全回路安全回路是指提升機(jī)在出現(xiàn)機(jī)械、電氣故障時(shí)控制提升機(jī)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)，此環(huán)節(jié)極為重要。為確保人員和設(shè)備的安全，對(duì)不同故障一般采用不同的處理方法。安全回路是保護(hù)的最后環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)在大多公司都采用兩臺(tái)PLC構(gòu)成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無(wú)論是提升機(jī)還是安全回路本身出現(xiàn)故障時(shí)都能準(zhǔn)確地實(shí)施安全制動(dòng)。（5）全數(shù)字化系統(tǒng)調(diào)速控制德國(guó)AEG公司的Logidyn D(32位機(jī))、西門(mén)子公司的Siemadyn D(16位機(jī))以及ABB公司的DCR(16位機(jī))系統(tǒng)都己應(yīng)用于提升機(jī)上。全數(shù)字化系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)單一、參數(shù)穩(wěn)定且調(diào)

9、整方便、可方便地與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然此類(lèi)系統(tǒng)要求維護(hù)人員有更高的技術(shù)水平和計(jì)算機(jī)知識(shí)。1.2課題研究的目的和意義礦井提升機(jī)是煤礦，有色金屬礦生產(chǎn)過(guò)程中的重要設(shè)備。提升機(jī)的安全、可靠、有效高速運(yùn)行，直接關(guān)系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟(jì)效益。礦井提升系統(tǒng)具有環(huán)節(jié)多、控制復(fù)雜、運(yùn)行速度快、慣性質(zhì)量大、運(yùn)行特性復(fù)雜的特點(diǎn)，且工作狀況經(jīng)常交替轉(zhuǎn)換。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護(hù)措施，但是由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機(jī)械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過(guò)失和對(duì)行程監(jiān)測(cè)研究的局限性，使得現(xiàn)有保護(hù)未能達(dá)到預(yù)期的效果，致使提升系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。一旦提升機(jī)的行程失去控制，沒(méi)有按照給定速

10、度曲線運(yùn)行，就會(huì)發(fā)生提升機(jī)超速、過(guò)卷事故，造成楔形罐道、箕斗的損壞，影響礦井正常生產(chǎn)，甚至造成重大人員傷亡，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。所以提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究一直是社會(huì)各屆人士共同關(guān)注的一個(gè)重大課題。電氣控制方式在很大程度上決定了提升機(jī)能否實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、安全、可靠地起制動(dòng)運(yùn)行，避免了嚴(yán)重的機(jī)械磨損，防止較大的機(jī)械沖擊，減少機(jī)械部分維修的工作量，延長(zhǎng)提升機(jī)械的使用壽命。隨著礦井提升系統(tǒng)自動(dòng)化，改善提統(tǒng)的性能，以及提高提升設(shè)備的提升能力等的要求，對(duì)電氣傳動(dòng)方式提出了更高的要求。對(duì)礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是：有良好的調(diào)速性能，調(diào)速精度高，四象限運(yùn)行，能快速進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)運(yùn)行，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，有

11、準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，可靠性要求高等。目前，我國(guó)地下礦山礦井提升機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有：對(duì)于大型礦井提升機(jī)，主要采用晶閘管變流器直流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)和同步電動(dòng)機(jī)矢量控制交一交變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的高自動(dòng)化運(yùn)行，效率高，有準(zhǔn)確的制動(dòng)和定位功能，運(yùn)行可靠性高，但造價(jià)昂貴，中小礦井難以承受。對(duì)于中、小型提升機(jī)，則多采用交流繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子切換電阻調(diào)速的交流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，即TKD電控系統(tǒng)。這種電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，但屬于有級(jí)調(diào)速，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，特別在負(fù)載變動(dòng)時(shí)很難實(shí)現(xiàn)恒加減速控制，經(jīng)常會(huì)造成過(guò)放或過(guò)卷事故。提升機(jī)頻繁的啟動(dòng)和制動(dòng)工作

12、過(guò)程會(huì)使轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的能耗，另外轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制電路復(fù)雜，接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞，影響生產(chǎn)效益。將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是礦井提升機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。對(duì)于現(xiàn)采用TKD電控系統(tǒng)的中小型礦井，隨著變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交一直一交電壓型變頻調(diào)速技術(shù)已開(kāi)始在礦井提升機(jī)改造中應(yīng)用。變頻器的調(diào)速控制可以實(shí)現(xiàn)提升機(jī)的恒加速和恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果10。變頻器調(diào)速控制電路簡(jiǎn)單，克服了接觸器、電阻器、繞線電機(jī)電刷等容易損壞的缺點(diǎn)，降低了故障和事故的發(fā)生。因此，變頻器在提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用具有十分廣闊的前景。本文介紹變頻器在提升機(jī)

13、調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.3本論文承擔(dān)的任務(wù)本課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題是控制策略研究，提升機(jī)是礦山生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備，它屬于大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)-電-液系統(tǒng)，提升機(jī)要按所要求的速度圖運(yùn)行，否則在系統(tǒng)中容易產(chǎn)生大的慣性力，降低機(jī)器的壽命，甚至產(chǎn)生脫軌等惡性事故?？刂撇呗匝芯烤褪且ㄟ^(guò)電液控實(shí)時(shí)地、準(zhǔn)確地使提升機(jī)按給定的速度圖運(yùn)行，使控制系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性滿足提升機(jī)運(yùn)行的要求。本論文的研究目標(biāo)是將可編程控制器（PLC）與變頻器相結(jié)合并應(yīng)用于礦山實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)現(xiàn)有的提升機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，提高精度，在更安全的范圍內(nèi)保證礦山生產(chǎn)的順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中充分考慮到保護(hù)系統(tǒng)惡劣的使用環(huán)境，采用控制功能強(qiáng)大的PLC來(lái)代替?zhèn)?/p>

14、統(tǒng)的大型交流接觸器，簡(jiǎn)化了控制線路，并應(yīng)用各種現(xiàn)場(chǎng)抗干擾措施，包括采用電抗器、空氣開(kāi)關(guān)、及RC防浪涌震蕩電路等。尤其在軟件中采用提升機(jī)電控系統(tǒng)中斷模塊及故障處理模塊，使超速報(bào)警更加科學(xué)合理。為了更直觀的顯示提升機(jī)的工作狀態(tài)及故障來(lái)源，增加了提升機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)，通過(guò)顯示器對(duì)整個(gè)提升系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。本論文承擔(dān)的主要任務(wù)如下：1提升機(jī)電控系統(tǒng)主電路部分結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析提升機(jī)工作過(guò)程及工作特點(diǎn)。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(jī)變頻調(diào)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(shí)現(xiàn)。并采取一些提高系統(tǒng)安全運(yùn)行和抗干擾能力的措

15、施。2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分可編程控制器PLC有強(qiáng)大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP7來(lái)完成的。對(duì)于復(fù)雜的礦山提升機(jī)變頻調(diào)速電控系統(tǒng)采用PLC控制，在本文中設(shè)計(jì)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及控制程序編程語(yǔ)言。提升機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設(shè)計(jì)部分應(yīng)有對(duì)其系統(tǒng)的故障診斷處理內(nèi)容，在出現(xiàn)故障時(shí)應(yīng)能及時(shí)報(bào)警或停車(chē)。3提升機(jī)速度給定方式分析由于礦山生產(chǎn)過(guò)程中，提升機(jī)所承受的載荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升機(jī)的牽引力也就不同，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，提升速度也應(yīng)能及時(shí)進(jìn)行控制；如不做相應(yīng)的處理和調(diào)整，系統(tǒng)將在較小的范圍內(nèi)產(chǎn)生極大的累計(jì)誤差，導(dǎo)致系統(tǒng)

16、的巨大波動(dòng)，造成過(guò)載或松繩等，甚至導(dǎo)致礦車(chē)脫軌或過(guò)卷等重大事故，而造成巨大的損失。所以要尋求一種控制方法來(lái)提高控制精度。在實(shí)際中經(jīng)常采用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速因其為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速不連續(xù)，且對(duì)電網(wǎng)沖擊大。所以尋求一種理想的速度給定方式極為重要，以求能夠提高電控系統(tǒng)控制性能，改善控制品質(zhì)。4保護(hù)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(hù)、閉鎖及監(jiān)測(cè)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(shù)共用一套線路，互相影響。本文針對(duì)制約提升安全的主要環(huán)節(jié)設(shè)置減速、超速報(bào)警及過(guò)載、松繩、過(guò)卷等安全保護(hù)措施，增加監(jiān)視系統(tǒng)，對(duì)提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障來(lái)源進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)視，使提升安全狀況有所改善。為了保證其安全生產(chǎn)

17、，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上應(yīng)采用隔離、濾波、屏蔽、接地等抗干擾措施。安全回路應(yīng)具有雙重冗余功能。1.4小結(jié)本章詳細(xì)介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用情況，闡述了本課題研究的目的意義。在此基礎(chǔ)上提出了本文所承擔(dān)主要任務(wù)和研究的主要內(nèi)容為：提升機(jī)電控系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)部分、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分、提升機(jī)速度給定方式分析、保護(hù)及抗干擾措施。在完成以上設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)，此調(diào)速控制系統(tǒng)才能成為一個(gè)有機(jī)的整體，才能安全可靠的工作，并達(dá)到預(yù)期的控制效果。第2章 礦井提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)分析2.1引言目前，大多數(shù)中、小型礦井采用斜井絞車(chē)提升，傳統(tǒng)斜井提升機(jī)普遍采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)，電阻的投切用繼電器交流接觸

18、器控制。這種控制系統(tǒng)由于調(diào)速過(guò)程中交流接觸器動(dòng)作頻繁，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，交流接觸器主觸頭易氧化，引發(fā)設(shè)備故障。另外，提升機(jī)在減速和爬行階段的速度控制性能較差，經(jīng)常會(huì)造成停車(chē)位置不準(zhǔn)確；提升機(jī)頻繁的起動(dòng)調(diào)速和制動(dòng)，在轉(zhuǎn)子外電路所串電阻上產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗，節(jié)能較差；這種交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)屬于有級(jí)調(diào)速，調(diào)速的平滑性差；低速時(shí)機(jī)械特性較軟，靜差率較大；起動(dòng)過(guò)程和調(diào)速換擋過(guò)程中電流沖擊大；中高速運(yùn)行震動(dòng)大，安全性較差。鑒于此有必要對(duì)提升機(jī)的控制方式及調(diào)速性能做進(jìn)一步的分析。2.2提升機(jī)工作原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)(1)提升機(jī)工作原理: 煤車(chē)廂與火車(chē)的運(yùn)貨車(chē)廂類(lèi)似，只不過(guò)高度和體積小一些。在井口有一絞車(chē)

19、提升機(jī)，由電機(jī)經(jīng)減速器帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，鋼絲繩在卷筒上纏繞數(shù)周后掛上一列煤車(chē)車(chē)廂（單提升，多數(shù)煤礦都采用單提升），在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將裝滿煤的列車(chē)從斜井拖上來(lái)；卸載完成后，再將空車(chē)在電機(jī)的拖動(dòng)下沿斜井放下去。當(dāng)提升機(jī)需要停車(chē)時(shí)，從操作臺(tái)發(fā)出停車(chē)指令，從而對(duì)卷筒進(jìn)行抱閘制動(dòng)。礦井提升的整個(gè)過(guò)程可以分為五個(gè)階段加速階段、等速階段、減速階段、爬行階段、停車(chē)抱閘階段。加速階段是提升機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)加速到最高速度；等速階段是提升機(jī)的主要運(yùn)行階段，提升機(jī)以最高速度穩(wěn)速運(yùn)行；減速階段是提升機(jī)從最高速度減速到爬行速度；爬行階段是箕斗定位和準(zhǔn)備安全停車(chē)階段。(2) 礦井提升的工作特點(diǎn):箕斗在一定的距離（井深）內(nèi)，以較高

20、的速度往復(fù)運(yùn)行，完成上升與下降的任務(wù)。鑒于在礦井提升機(jī)的工作特點(diǎn)，為確保提升機(jī)能夠達(dá)到高效、安全、可靠地連續(xù)工作，其必須具備良好的機(jī)械性能，良好的電氣控制設(shè)備和完善的保護(hù)裝置。礦井提升機(jī)的基本參數(shù)是：電機(jī)功率75kW，卷筒直徑1200mm，減速器減速比24：1，最高運(yùn)行速度2.5m/s，鋼絲繩長(zhǎng)度為400m。斜井提升機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖21所示：2.3提升機(jī)調(diào)速控制方式及調(diào)速性能分析礦井提升機(jī)電力拖動(dòng)部分有兩種調(diào)速控制方式：直流調(diào)速和交流調(diào)速。其各有優(yōu)缺點(diǎn)，下面分別敘述。2.3.1提升機(jī)直流調(diào)速性能分析礦井提升機(jī)采用直流拖動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有：G-M系統(tǒng)、V-M系統(tǒng)及直流脈寬調(diào)制（PW

21、M）系統(tǒng)。1、G-M系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)）此系統(tǒng)中，電源是旋轉(zhuǎn)裝置，由旋轉(zhuǎn)電機(jī)即直流發(fā)電機(jī)供電。通常，直流發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，以某一不可調(diào)的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流fi的方向和大小來(lái)改變發(fā)電機(jī)輸出電壓的極性和大小。原動(dòng)機(jī)一般采用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)或交流同步電動(dòng)機(jī)，使直流電源以電機(jī)機(jī)組的形式構(gòu)成。這種直流調(diào)速系統(tǒng)稱“發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“G-M系統(tǒng)”（Ggenerator,發(fā)電機(jī)；Mmotor電動(dòng)機(jī)）。這種調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。2、V-M系統(tǒng)（晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)）此系統(tǒng)中，電源是靜止裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)器GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)

22、觸發(fā)脈沖的相位，而改變晶閘管可控整流器的控制角，從而改變可控整流器輸出電壓的極性和大小，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)M的平滑調(diào)速。這種直流調(diào)速系統(tǒng)稱“晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“V-M系統(tǒng)”（V晶閘管整流裝置）。與G-M系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性、可靠性及技術(shù)性能上也有較大的優(yōu)勢(shì)。其設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)速更快。但此系統(tǒng)只允許電機(jī)在I、IV象限運(yùn)行，不能滿足提升機(jī)四象限運(yùn)行的要求；且低速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓小型畸變，形成污染。3、直流脈寬調(diào)制（PWM）系統(tǒng)此系統(tǒng)中，電源是靜止裝置，能過(guò)改變晶體管VT的導(dǎo)通及關(guān)斷及通斷比（即脈沖寬度調(diào)制，PWM）來(lái)改變輸出電壓的極性和大小。與V-M系統(tǒng)相比，直流PWM

23、調(diào)速系統(tǒng)性能更優(yōu)越：a、低速運(yùn)行平穩(wěn)，電機(jī)損耗及發(fā)熱小b、快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。2.3.2提升機(jī)交流調(diào)速性能分析礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用交流異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，其交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式為：n=60f/p(1-s)從上式可見(jiàn)，改變供電頻率f、電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p及轉(zhuǎn)差率s均可達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的。從調(diào)速的本質(zhì)來(lái)看，不同的調(diào)速方式無(wú)非是改變交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速或不改變同步轉(zhuǎn)速兩種。在生產(chǎn)機(jī)械上廣泛使用的調(diào)速方法中，不改變同步轉(zhuǎn)速的有：繞線式電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、斬波調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等。改變同步轉(zhuǎn)速的有：變極對(duì)數(shù)調(diào)速，改變定子電壓、頻率的變頻調(diào)速，無(wú)換向電動(dòng)機(jī)調(diào)速等。一、變極對(duì)數(shù)調(diào)速方法這種調(diào)速方法

24、是用改變定子繞組的接線方式來(lái)改變籠型電動(dòng)機(jī)定子極對(duì)數(shù)達(dá)到調(diào)速目的，特點(diǎn)如下：1、具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好；2、無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高；3、接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低；4、有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，不能獲得平滑調(diào)速；此調(diào)速方法可以與調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器配合使用，獲得較高效率的平滑調(diào)速特性。二、變頻調(diào)速方法變頻調(diào)速是改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類(lèi)，目前國(guó)內(nèi)大都使用交直交變頻器。其特點(diǎn)：1、效率高，調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有附加損耗；2、應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；3、調(diào)速范圍大，特性

25、硬，精度高；4、技術(shù)復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。三、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速改變轉(zhuǎn)差率的方法主要有三種：定子調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。下面分別介紹。a、定子調(diào)壓調(diào)速方法當(dāng)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降很多，其調(diào)速范圍較小，使一般籠型電動(dòng)機(jī)難以應(yīng)用。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速應(yīng)采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專(zhuān)供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。調(diào)壓調(diào)速的主要裝置是一個(gè)能提供電壓變化的電源，目前常用的調(diào)壓方式有串聯(lián)飽和電抗器、自耦變壓器以及晶閘管調(diào)壓等幾種。晶閘管調(diào)壓方式為最

26、佳。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：1、調(diào)壓調(diào)速線路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；2、調(diào)壓過(guò)程中轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低。3、調(diào)壓調(diào)速一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。b、轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速方法繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動(dòng)機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串入的電阻越大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。c、串級(jí)調(diào)速串級(jí)調(diào)速是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換為其它能量加以利用。根

27、據(jù)轉(zhuǎn)差功率吸收利用方式，串級(jí)調(diào)速可分為電機(jī)串級(jí)調(diào)速、機(jī)械串級(jí)調(diào)速及晶閘管串級(jí)調(diào)速形式。應(yīng)用中多采用晶閘管串級(jí)調(diào)速，其特點(diǎn)為：1、可將調(diào)速過(guò)程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高；2、裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資小，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速7090的生產(chǎn)機(jī)械上；3、調(diào)速裝置故障時(shí)可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)；4、晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大。綜上所述，直流調(diào)速的電樞和勵(lì)磁是分開(kāi)的，能夠精確控制；且直流調(diào)速轉(zhuǎn)矩速率特性好并能在大范圍內(nèi)平滑地調(diào)速，因此在礦井提升系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。電刷是直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要部件，但在實(shí)際應(yīng)用中，電刷磨損嚴(yán)重，且在負(fù)載工作條件下，出現(xiàn)打火現(xiàn)象，甚

28、至形成環(huán)火，極易造成電樞兩極短路，危及整個(gè)系統(tǒng)的安全。但交流電機(jī)不存在電刷損壞的問(wèn)題，因此也得到廣泛應(yīng)用，但交流調(diào)速性能離直流電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能還有差距。隨著電子科技技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用現(xiàn)代控制理論，將直流調(diào)速原理應(yīng)用于交流調(diào)速控制系統(tǒng)中，使交流調(diào)速在很大程度上得到發(fā)展。2.4提升機(jī)調(diào)速控制方案分析為了使提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)能取得良好的控制性能，不同類(lèi)型的負(fù)載應(yīng)根據(jù)具體要求選擇不同的控制方案，控制方式是決定提升機(jī)使用性能的關(guān)鍵所在。目前在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用的很多，其中有高精度的還有一般性能的，種類(lèi)五花八門(mén)，價(jià)格也高低相差懸殊。所以在選用調(diào)速控制系統(tǒng)時(shí)要按負(fù)載的特性要求，并結(jié)合礦井的生產(chǎn)規(guī)模，以達(dá)到經(jīng)

29、濟(jì)、實(shí)用為準(zhǔn)。常用的控制方式主要有：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩等。2.4.1傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速的主電路結(jié)構(gòu)如圖22所示圖22轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速圖在加速過(guò)程中，交流接觸器KM1,KM2,KM3,KM4逐級(jí)吸合，轉(zhuǎn)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(jī)低速運(yùn)行，則需在轉(zhuǎn)子回路串較大電阻。為了解決減速段的負(fù)力要求，通常采用動(dòng)力制動(dòng)方案，即將定子側(cè)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(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。這種拖動(dòng)方案存在的問(wèn)題是：1）開(kāi)環(huán)有級(jí)調(diào)速，加速度難以準(zhǔn)確控制，調(diào)速精度差；2)觸點(diǎn)控制，大量使用大容量開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)

30、維護(hù)工作量大，可靠性差；3)運(yùn)行效率低，在低速時(shí)大部分功率都消耗在電阻上；4)電機(jī)的機(jī)械特性偏軟，一般電阻上消耗的功率約為電動(dòng)機(jī)輸出功率的2030%。雖然這種調(diào)速方案技術(shù)性能差，且運(yùn)行效率低，但控制方式簡(jiǎn)單、初期設(shè)備投資小，許多中小礦井的提升機(jī)仍采用這種調(diào)速方案。2.4.2模糊控制調(diào)速系統(tǒng)一、模糊控制的基本思想模糊控制（Fuxxy Control）的基本思想是把人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)特定的被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列以“IF（條件）THEN（作用）”表達(dá)式形式表示的控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理處理得到控制作用集，作用于被控對(duì)象或過(guò)程控制，作用集為一組條件語(yǔ)句，狀態(tài)條件和控制作用均為一組被量化了的模糊語(yǔ)言

31、集，如“正大”、“負(fù)大”、“高”、“低”、“正?！钡取Ｒ话愕哪：惴òㄒ韵挛鍌€(gè)步驟：A、定義模糊子集，建立模糊控制規(guī)則；B、由基本論域轉(zhuǎn)化為模糊集合論域；C、模糊關(guān)系矩陣運(yùn)算；D、模糊推理合成，求出控制輸出模糊子集；E、進(jìn)行逆模糊運(yùn)算、模糊判決，得到精確控制量；二、提升機(jī)模糊控制系統(tǒng)原理圖在對(duì)提升機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差的變化率。實(shí)現(xiàn)模糊控制的原理框圖如圖23所示：PLC通過(guò)采樣獲取被控量的精確值，然后將此量與給定值進(jìn)行比較得到誤差信號(hào)e、誤差變化率de/dt，把誤差信號(hào)和誤差變化率的精確量模糊化變成模糊量E、Ec再經(jīng)過(guò)模糊推理得到模糊控制量U，進(jìn)行解模糊處理得到控

32、制信號(hào)u，送入變頻器從而對(duì)被控對(duì)象實(shí)施控制。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，特別適合于非線性系統(tǒng)的控制。但信息簡(jiǎn)單的模糊處理導(dǎo)致系統(tǒng)的控制精度降低和動(dòng)態(tài)品質(zhì)變差，若要提高精度，則必然增加量化級(jí)數(shù)，從而導(dǎo)致規(guī)則搜索范圍擴(kuò)大，降低決策速度，甚至不能實(shí)時(shí)控制。2.4.3直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control，簡(jiǎn)稱DTC)變頻技術(shù)。直接轉(zhuǎn)矩控制也稱之為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉(zhuǎn)矩為中心來(lái)進(jìn)行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制。直接轉(zhuǎn)矩控制通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和

33、電流，借助瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實(shí)現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖24所示直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實(shí)際狀況，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制信號(hào)處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無(wú)超調(diào)，是一種具有高靜、動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。但是目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在理論上尚不成熟、不夠完善，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的固有缺陷，一直阻礙著DTC系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。所面臨的主要問(wèn)題是：低速性能不盡人意，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較嚴(yán)重。目前關(guān)于DTC系統(tǒng)無(wú)速度傳感器技術(shù)的研究尚不多見(jiàn)，還需要開(kāi)展大量的工作。在實(shí)際應(yīng)用中還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得

34、以實(shí)現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、最優(yōu)控制、專(zhuān)家系統(tǒng)、學(xué)習(xí)控制等。由于調(diào)速系統(tǒng)是在公眾場(chǎng)合下應(yīng)用的一種需要高質(zhì)量、高精度和高可靠性的系統(tǒng)，尤其用在礦井提升機(jī)這樣要求安全系數(shù)高的場(chǎng)所，更要保證其系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。2.4.4矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)矢量控制的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)為準(zhǔn)則，將異步電動(dòng)機(jī)在靜止三相坐標(biāo)系上的定子交流電流通過(guò)坐標(biāo)變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的直流電流并分別加以控制，從而實(shí)現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。三相異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組嵌在定子鐵芯槽中，在空間上互差120o電角度，當(dāng)在定子三相

35、繞組上加三相交流電時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)在空間上產(chǎn)生的是旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流與磁場(chǎng)垂直，將異步電動(dòng)機(jī)物理模型等效變換為M、T坐標(biāo)下的兩相繞組模型，如圖2-5所示。該模型有兩個(gè)垂直的繞組：M繞組和T繞組，且以角速度1在空間上旋轉(zhuǎn)。M、T繞組分別通以直流電流mi、ti。mi沿M繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢(shì)，ti沿T繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢(shì)。mi與ti相互垂直，而且分別可調(diào)、可控，當(dāng)mi保持恒定不變，控制ti即可很方便地控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。由異步電動(dòng)機(jī)兩相繞組模型可得出矢量變換控制的思路是：把異步電動(dòng)機(jī)的三相繞組等效為在空間上互相垂直的兩個(gè)靜止的、繞組，三相繞組的電流和兩相、繞組電流有固有的變換關(guān)系。再經(jīng)過(guò)

36、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，將兩相靜止、繞組電流，等效變換為磁場(chǎng)方向與M軸、T軸方向一致的同步旋轉(zhuǎn)兩相M、T繞組電流。這樣，通過(guò)控制M軸，T軸兩個(gè)方向的電流大小來(lái)等效地控制三相電流Ai、Bi、Ci的瞬時(shí)值，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)矩以達(dá)到調(diào)速的目的。矢量控制，具體是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量Mi（勵(lì)磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量Ti（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，同時(shí)控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制又分為無(wú)速度傳感器的矢量控制和有速度傳感器的矢量控制。無(wú)速度傳感器的矢量控制如圖26所示：如果在生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用無(wú)速度傳感器的

37、矢量控制變頻調(diào)速是非常合適的，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。帶速度傳感器的矢量控制如圖27所示：帶速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速是一種比較理想的變頻調(diào)速控制方式。主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）可以從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制，即在低轉(zhuǎn)速下亦能可靠運(yùn)行，調(diào)速范圍很寬廣，可達(dá)100:1或1000:1；(2)可以對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制；(3)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快；(4)電動(dòng)機(jī)的加速度特性好。2.5小結(jié)本章結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析提升機(jī)工作過(guò)程及工作特點(diǎn)；并給出提升機(jī)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖，使提升機(jī)的工作原理更加清晰。傳統(tǒng)提升機(jī)電控系統(tǒng)是古老的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，存在很多的安全隱患，急需改進(jìn)。改進(jìn)后的電控系統(tǒng)采用什么控制方案更加合理，采

38、用交流還是直流調(diào)速，到底哪種調(diào)速方法調(diào)速性能更好。針對(duì)這種種疑問(wèn)，文中分別對(duì)提升機(jī)直流調(diào)速和交流調(diào)速的調(diào)速性能進(jìn)行分析，并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并與目前技術(shù)已經(jīng)成熟的提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)做比較，這些工作對(duì)確定提升機(jī)控制方案提供了很大幫助。設(shè)計(jì)中同時(shí)考慮到串電阻調(diào)速系統(tǒng)控制器件多、電路復(fù)雜的缺點(diǎn)，所以將可編程控制器應(yīng)用于控制系統(tǒng)。最后確定提升系統(tǒng)的整體控制方案為：基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。第3章 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)3.1引言經(jīng)過(guò)分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，最終選擇PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變

39、頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制。此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，其機(jī)械特性基本上與自然機(jī)械特性平行，能夠滿足提升機(jī)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(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。變頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展方向。3.2提升機(jī)電控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)基于PLC控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖31所示。各部分功能如下：動(dòng)力裝置：包括主電機(jī)、減速器、卷筒、制動(dòng)器和底座，完成人、物、料的運(yùn)輸任務(wù)。主電機(jī)通過(guò)減

40、速器向卷筒提供牽引所需的動(dòng)力；液壓站：為提升機(jī)提供制動(dòng)力，停車(chē)時(shí)先通過(guò)液壓站給卷筒施加機(jī)械制動(dòng)力，再取消直流制動(dòng)力；提升機(jī)起動(dòng)時(shí)，先對(duì)電機(jī)施加直流制動(dòng)，再松開(kāi)機(jī)械抱閘，防止溜車(chē)，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。變頻調(diào)速器：是動(dòng)力裝置的能量供給單元，通過(guò)它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。操作臺(tái)：操作臺(tái)設(shè)置兩個(gè)手柄，分別用于速度輔助給定及制動(dòng)力給定。它是整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)它可以設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車(chē)以及緊急制動(dòng)等各種控制功能。控制監(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員

41、和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理：如圖31，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動(dòng)力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個(gè)接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過(guò)交直變換之后經(jīng)過(guò)逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。在提升過(guò)程中，控制提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)A

42、/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動(dòng)變頻器工作；對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況需要，由操作臺(tái)速度控制手柄以輔助給定的方式進(jìn)行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給可編程控制器，PLC通過(guò)該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的行走距離。操作人員通過(guò)操作臺(tái)向PLC發(fā)送控制提升機(jī)運(yùn)行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)與PLC的通信，將電動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來(lái)，并對(duì)礦車(chē)的位置及速度進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。3.3提升機(jī)電控系統(tǒng)變頻器選擇本調(diào)速控制系統(tǒng)包括：德國(guó)的西門(mén)子(Siemens)公司生產(chǎn)的模塊式PLC S7-300和變頻器各一臺(tái)。變

43、頻器選用森蘭公司的通用變頻器系列SB61G110KW通用變頻器，功率為110kW。根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度控制。本系統(tǒng)中調(diào)速采用PLC+D/A模塊配合變頻器進(jìn)行，通過(guò)PLC輸出電壓信號(hào)(010V)來(lái)控制變頻器的頻率。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入成正比。為了便于監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號(hào)送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報(bào)警信號(hào)及安全制動(dòng)。為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動(dòng)力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過(guò)載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用冶金起重專(zhuān)用變頻電動(dòng)機(jī)

44、。變頻電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)既考慮了對(duì)變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重專(zhuān)用三相異步電動(dòng)機(jī)過(guò)載能力大、機(jī)械強(qiáng)度高的特點(diǎn)。與變頻調(diào)速良好的起、制動(dòng)功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速，短時(shí)間或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)的場(chǎng)合，既能保證電動(dòng)機(jī)在高頻時(shí)的過(guò)載能力，又能在低頻時(shí)保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。3.4變頻控制部分設(shè)計(jì)3.4.1變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計(jì)變頻調(diào)速單元采用森蘭SB61系列SB61G110KW通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖32所示。與標(biāo)準(zhǔn)的電壓頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下，VVCPLus的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)全數(shù)字化

45、的保護(hù)，即使在最?lèi)毫拥牟僮鳁l件下，也可確?？煽窟\(yùn)行。SB61G110KW具有國(guó)際領(lǐng)先的無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)和擬超導(dǎo)技術(shù)，使電機(jī)低速時(shí)機(jī)械特性變硬。同時(shí)具有短路、接地和過(guò)載保護(hù)功能。調(diào)速控制系統(tǒng)主電路主要部件的功能和原理：空氣斷路器：過(guò)流過(guò)載保護(hù)；交流接觸器：切斷電源和啟動(dòng)；交流電抗器La：降低諧波，抑制浪涌電壓，改善功率因數(shù)；噪聲濾波LB：減小無(wú)線電干擾；電抗器LA：減小干擾和振動(dòng)；熱繼電器FR：斷相保護(hù)，過(guò)載保護(hù)；1提升電動(dòng)機(jī)選擇一般電動(dòng)機(jī)的額定電流可以用如下公式計(jì)算，即： 根據(jù)上述公式對(duì)一般三相交流異步電功機(jī)的額定電流計(jì)算得出：異步電動(dòng)機(jī)的額定電流與電動(dòng)機(jī)額定功率的關(guān)系為：如果U380

46、V，電流大約為1kW是2A。因此在選擇電動(dòng)機(jī)的保護(hù)元件時(shí)可以用1kw2A來(lái)估算電動(dòng)機(jī)的額定電流值，從而達(dá)到快速選擇保護(hù)元件的目的。本調(diào)速系統(tǒng)所選電動(dòng)機(jī)為：QABP系列三相異步變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表31所示：2變頻器的容量選擇在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。另外礦用提升機(jī)屬于頻繁起動(dòng)、加減速運(yùn)轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運(yùn)行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：式中 ：變頻器額定輸出電流(A)； ：各運(yùn)行狀態(tài)平均電流(A)；：各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間；K0：安全系數(shù)

47、(運(yùn)行頻繁時(shí)取1.2，其它條件下為1.1)?？紤]到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)，變頻器容量取電動(dòng)機(jī)容量的1.4倍，本系統(tǒng)中所需電動(dòng)機(jī)的軸上功率為75KW，按1.4倍容量就選擇105KW以上變頻器。3變頻器的選擇絞車(chē)升降的運(yùn)轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運(yùn)行的特點(diǎn)，與其他傳動(dòng)機(jī)械相比對(duì)變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用變頻器是專(zhuān)為起重類(lèi)負(fù)載而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用變頻器，該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機(jī)控制方法矢量控制技術(shù)，它可以對(duì)所有交流電動(dòng)機(jī)的核心變量進(jìn)行控制，并把定子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對(duì)負(fù)載的變化和瞬時(shí)掉電，能做出迅速響應(yīng)；開(kāi)環(huán)控制精度可以達(dá)到閉環(huán)矢量控制的精度（誤差0.

48、1%0.5%），開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間小于5 ms，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%，并具有有效的磁通制動(dòng)來(lái)提供最大可能的制動(dòng)力矩。尤其它還提供了絞車(chē)應(yīng)用宏程序，可以實(shí)現(xiàn)絞車(chē)過(guò)載保護(hù)、過(guò)卷保護(hù)、超速保護(hù)和各種故障監(jiān)控及報(bào)警，模塊化功能可方便實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)絞車(chē)同步控制，確保使用時(shí)安全快速運(yùn)行、故障處理容易、維護(hù)簡(jiǎn)單。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號(hào)規(guī)格：選擇森蘭SB61G110KW通用型變頻器。其標(biāo)稱參數(shù)如表32所示：表32森蘭SB61G110KW通用型變頻器的參數(shù)3.4.2變頻器外部電路設(shè)計(jì) 變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報(bào)警輸出口及制動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警器和安全

49、制動(dòng)，更有效的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，外部電路連接如圖33所示。1 聲光報(bào)警回路(1)、變頻器報(bào)警輸出的動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn)“30B-30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時(shí)，發(fā)出報(bào)警；同是報(bào)警輸出的常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開(kāi)，進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報(bào)警輸出的觸點(diǎn)，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。(2)、聲光報(bào)警電路由報(bào)警輸出的動(dòng)合（常開(kāi)）觸點(diǎn)“30B-30A”控制，當(dāng)變頻器跳閘時(shí)，觸點(diǎn)“30B-30A”閉合，將報(bào)警指示燈HL和電笛HA接通，進(jìn)行聲光報(bào)警。與此同時(shí)，斷電器KA1得電，其觸點(diǎn)將聲光報(bào)警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報(bào)警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報(bào)警才能解除。另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護(hù)變頻器內(nèi)部報(bào)警繼電器觸點(diǎn)。2 制動(dòng)控制回路提升機(jī)負(fù)載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至0 Hz時(shí)，常常停不住，而有“蠕動(dòng)”(也稱爬行)現(xiàn)象，在礦山提升機(jī)這種大負(fù)載機(jī)械中，蠕動(dòng)現(xiàn)象有可能造成十分危險(xiǎn)的后果。為此，變頻器調(diào)速時(shí)應(yīng)設(shè)置能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)功能。一、能耗制動(dòng)電路的作用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)，是通過(guò)逐漸減小頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)：1、電動(dòng)機(jī)