矿井提升机变频调速控制系统设计

1、基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计摘 要矿井提升机是采矿等行业的重要设备，矿物的运输和人员的运输等都离不开提升机。我国传统的矿井提升机主要采用继电器接触器进行控制，并通过在电动机转子回路中串接附加电阻来实现启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、故障率高、操作复杂、电能浪费大、效率低等缺点。 针对传统提升机的问题，本设计采用可编程控制器控制系统，并且与变频器结合实现提升机速度控制。通过对提升机系统的深入研究，完成提升机控制系统设计，选择硬件设备型号，并且完成硬件系统设计，其中包括检测模块、控制模块、保护模块和抗干扰模块的设计，最后进行系统集成和调试。根据硬件系统要求画出外部接线图，并且编写控

2、制系统程序。通过可编程控制器控制变频器，实现提升机启动、加速、等速、减速、爬行和停车操作，并且对过载、超速、过卷等故障进行监控。可编程控制器采用PLC，硬件简洁、软件灵活性强、调试方便、维护量小，配合一些装用电子模块组成的提升机控制设备，为提升机的安全运行提空环境。同时能够时时检测矿井提升机的安全性能，反馈给控制设备。减少了传统继电器接触式控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线，提高了形同的稳定性和可靠性。变频调速是利用改变被控对象的电源频率，成功实现了交流电动机大范围的无级平滑调速。采用该控制系统，使提升机工作可靠，使用方便，同时具有动态显示的功能，节能效果明显。应用可编程控制器变频器对矿井

3、提升机的控制系统进行改造，将成为历史的必然趋势。 关键词：矿井提升机 可编程控制器 PLC 变频器 控制系统 Systematic Design on frequency control of Shaft Hoist on Basis of PLC ControlABSTRACT Shaft hoist is an important equipment in mining industries, which is inseparable in the transportation of mineral and personnel. Chinese traditional shaft hois

4、t use relay - contactor to control mainly, and achieve startup and speed governing by the motor rotor circuit in series with additional resistances. This control system has many disadvantages, such as lower reliability, higher failure rate, more complex operation, more power waste, and lower efficie

5、ncy. As for the problems of traditional shaft hoist, this design achieves hoist speed control by using programmable logic controller system, which combined with frequency converters. Through my intensive study in hoist system, I have completed hoist control system design, the size choice of the hard

6、ware device, and finish hardware system design, including the design of detection module, control module, protection module, and anti-jamming module. Finally, I carry on the system integration and debugging. Depending on the hardware system requirements, I draw external wiring diagram and write cont

7、rol system program. Through the programmable logic controller, mine hoist can realize its start, acceleration, constant speed, deceleration, crawling and parking operations, and monitor stoppages such as overload, overspeed, and volume. Programmable logic controller uses PLC, and it is hardware simp

8、licity, strong software flexibility, easy commissioning, little maintenance. It can provide the shaft hoist safe operation with favorable environment, combined with some control equipment equipped with electronic modules hoist. At the same time, it can test the safety performance of shaft hoist, and

9、 feedback to the control device. In this way, the intermediate links of traditional relay-contact control system are reduced, hardware and control lines are reduced, the stability and reliability of tantamount are improved. Frequency control successfully realizes that Ac motor is in a wide range of

10、stepless smooth speed regulation, by taking advantage of changing the power frequency of the controlled object. With this control system, the hoist is reliable, easy to use, and it has the function of dynamic display, as well as its energy-saving effect is obvious. It will become the inevitable tren

11、d of history to transform mine hoist control system by applying Programmable Controllers Drive.Keywords: shaft hoist; programmable logic controller; PLC; frequency converters;control system目 录1 引言11.1 国内外矿井提升机发展现状11.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状11.1.2 国外提升机电气控制系统的现状11.2 存在的问题及最新发展21.3 本文承担的任务32 矿井提升机系统的控制要求42

12、.1 矿井提升机结构介绍42.2 矿井提升机速度和受力分析42.2.1 提升机的速度分析42.2.2 提升机的受力情况52.3 矿井提升机的调速控制方案分析72.3.1 传统转子回路串电阻调速系统72.3.2 模糊控制调速系统72.3.3 直接转矩控制系统82.3.4 变频器调速控制系统82.3.5 矿井提升机调速系统的确定93 提升机调速控制系统硬件设计103.1 提升机变频控制部分设计113.1.1变频器简介113.1.2 变频调速基本原理123.1.3 提升机变频器的选择133.1.4变频器的调试143.2 提升机系统变频器外部电路设计163.2.1 提升机调速系统的声光报警回路173.

13、2.2 提升机调速系统的制动控制回路173.2.3 编码器反馈回路193.3 提升机调速系统的PLC 控制部分设计203.3.1 PLC简介203.3.2 PLC的选型203.3.3 提升机调速系统的PLC的I/O端口213.3.4 提升机调速系统的PLC外部电路设计223.3.5 提升机调速系统各部分的PLC控制234 系统抗干扰措施254.1 PLC的抗干扰254.1.1 PLC的干扰来源254.1.2抗干扰的主要措施254.2 变频器的抗干扰及其防止264.2.1变频器干扰来源264.2.2 干扰信号的传播方式274.2.3抗干扰措施275 提升机调速控制系统软件设计和调试285.1 提

14、升机调速系统的控制程序流程285.1.1 提升机调速系统的中断子程序功能285.1.2 提升机调速系统的故障处理子程序功能285.2 提升机调速系统的程序调试306 结论32谢 辞34参考文献35唐 山 学 院 毕 业 设 计1 引言1.1 国内外矿井提升机发展现状 矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统。1.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状 在矿业生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。提升机电控装置的技术性能，既直接影响

15、矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。目前，我国的矿井提升机90%以上是采用单机容量在1000kW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器接触器构成逻辑控制装置。其中多半为电动机发电机组（F-D机组）供电，采用晶闸管整流传动（SCR-D）的只占一部分。 传统交流拖动系统的显著缺点是：调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。 由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩 ，因而难于准确地控制提升机的停车位置。目前多采取动力制动或低频

16、拖动加制动的方式完成减速、爬行和停车。目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调速困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一个原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统想混联，多数共用一套线路，互相影响。 在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步的意识紧盯国际先进水平，也要考虑我国的现状，实现符合我国国情的提升机电控系统现代化 卢燕,顾善发,卢光华 矿井提升机的电控系统J黄金; 2001年02期; 26-29。 1.1.2 国外提升机电气控制系统的现状 国外从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术已逐步应用于矿井

17、提升机中。目前，国外已达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次变革。其应用主要体现在以下几个方面： 1 提升工艺过程微机控制 在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实施，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。 2 提升行程控制 提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容量在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2厘米。采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒及钢丝绳磨损等。将信号进行处理，可计算出容量准确的位置而实施控制和保护。3 提升过程监视 由于近代提升机控制系统的设计特别

18、强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视： 1) 提升过程中各工况参数监视；2) 各主要设备运行状态监视；3) 各传感器信号的监视。使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留和打印输出。 4 安全回路 安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，此环节极为重要。为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。安全回路是保护的最后环节之一，现在大多数企业都采用两台PLC构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能

19、准确地实施安全制动。 1.2 存在的问题及最新发展 矿井提升机是金属和非金属矿生产过程中的重要设备。提升机安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性量大、运行特性复杂的特点、且工作状况经常交替转换。虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升机系统的事故至今仍未能消除。一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成箕斗的损坏，影响矿井正

20、常生产，甚至造成重大人员伤亡。 所以提升机调速控制系统的研究一直是社会中关注的一个重大课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机机械的使用寿命。随着矿井提升系统的自动化，改善提高的性能，以及提高提升机设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电气传动系统的要求是：有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等 刘瑞国，孙玉霞，刘芒果矿井提升机TKD-A斜井电控系统的变频调速节能技术

21、改造M煤矿机械,2004，(12)。 目前，我国地下矿井提升机的电气传动系统主要有：对于大型提升机，主要采用晶闸管变流器直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交交变频传动控制系统，这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。 将交流调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。对于现采用TKD电控系统的中小型矿井，随着变频调速技术的发展，交直交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。变频

22、器的调速控制可以实现提升机的恒加速或恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果。变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。因此，变频器在提升机调速系统中的应用具有十分广阔的前景 史德嘉矿井提升机电控系统的改造J 矿业研究与开发; 2005年03期，61-62。 1.3 本文承担的任务 在本文中，以煤矿矿井提升机速度控制系统为背景，速度控制方法已经非常成熟，但技术相对落后，基于PLC变频调速在矿山通过拖议案提出的行程，速度和控制系统的应用，介绍了一种新的矿井提升机速度控制系统的设计和实施。本设计的主要工作有：1、提升机

23、电控系统主电路部分 结合非金属矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点。给出提升系统的整体控制方案；确定基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统组成。确定各部分所要完成的控制功能，并给出控制电路连接电路图，分析其功能的实现。 2、控制系统软件设计部分 可编程控制器PLC有强大的可编程控制功能，它是编程软件STEP7来完成的。对于复杂的矿山提升机变频调速电控系统采用PLC控制，在本文中设计出程序控制功能流程图，并给出其它基本控制功能的梯形图。提升机系统是一个队安全性要求极高的控制单元，所以在软件设计部分应有对其系统故障诊断处理内容。 3、 提升机速度给定方式分析 由于矿山生产过程中，

24、提升机所承受的载荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升机的牵引力也就不同，应对其进行适当调节，提升速度也应能即使进行控制。 4、 保护及抗干扰措施 传统交流电控系统可靠性差，其安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。本文针对制约提升机安全的主要环节设置减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护措施，增加监视系统，对提升机的运行状态及故障来源进行时时刻刻地监视。矿井提升机的设计能够解决实际生产问题，其控制单元采用了目前适用的工业PLC控制单元来控制电动驱动系统，其电力拖动单元采用先进的变频驱动器，优化了矿井提升机速度控制性能。摆脱原来控制系统

25、中的交流接触器和调速电阻，提高了系统的可靠性，改善了操作人员的工作环境，降低了噪音和温度；分段预设频率，按根据负载情况实现连续平稳调速，无机械冲击现象，达到了低压低频启动和停止，停车操作更稳定;启动和加速时的冲击电流小，可使得矿井提升机在重载下从低速无级调速至最大速度。目前，这种方法是现代交流传动控制中比较先进的速度控制方式。安全，可靠，高效和经济的矿井提升机速度控制系统的设计是本设计的追求目标。2 矿井提升机系统的控制要求2.1 矿井提升机结构介绍 矿井提升机可分为竖井提升机和斜井提升机两种。矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组

26、成，采用交流或直流电机驱动。提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房

27、直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。目前，我国单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动机拖动，提升过程一般包括：起动、加速、匀速、减速、爬行和停车几个主要环节。2.2 矿井提升机速度和受力分析 2.2.1 提升机的速度分析 提升设备在一个提升循环内的运行规律是用提升速度图来表示的，如图2.1表示提升速度与提升时间变化的关系。 图2.1 提升机速度图分为五个阶段：阶段：为主加速

28、阶段运行时间，此时加速度 较大，速度一直从0加速到最大的。重车从井底开始上行，重车起动后，开始持续加速到变频器的设定频率为，在此期间提升机的速度逐渐加快。阶段：为匀速阶段运动时间，即容器以最大提升速度 等速运行的时间。上升时，电动机保持电动状态，重车提升机以额定运行速度稳定运行。下放时， 由测速发电机反应转子下放速度，当速度高于时，增大励磁电流，提高制动力矩，使箕斗匀速运行。一般这段过程最长。阶段：为主减速阶段运行时间，即容器以最大提升速度减速运行的时间。重车快到井口时减速阶段，重车减速到低速，进入爬行阶段。如减速时间设置较短的时，变频器制动单位和制动电阻起作用，以防因减速过快而跳闸。阶段：为

29、爬行阶段运行时间。重车以变频器频率为速度低速爬行，便于在规定的位置停车。 阶段：为抱闸停车阶段时间。到达停车位置时，变频器立即停车，重车减速到零，制动系统闸制动。操作人员发一个联络信号到井底，整个提升过程结束。 2.2.2 提升机的受力情况 根据动力学方程式 (2.1)式中 -电动机电动力矩；-传动系统的静阻转矩；-传动系统的飞轮力矩，其中J为转动惯量()，为重力加速度；-传动系统的动态转矩；-加速度。可以得出按给定速度图所需转矩的特性，从而可以得到拖动系统所需的力，提升机传动系统给定速度图、力图如图2.2所示。 (a)(b)（c）图2.2 提升机给定力图图中（a），（b），（c）为提升机的给

30、定力图。其中（a）为静负载力矩比较大的情况；（b）为静负载力矩比较小的情况；（c）为下放重物的情况。 显然，随着提升物料的重量不同，要求电动机的拖动力矩不同，且在一个提升循环中，在不同阶段电动机的拖动力矩的极性也在变化，矿井提升机要求电力拖动系统能满足四象限运行的条件。 综合以上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。升降物料时，加速度a1.2m/s2,另外不得超过提升机的减速器所允许的动力矩。2. 最大速度符合归家有关安全生产规程的规定。立井升降物料时，提升容器的最大速度，不得超过用下列公式所求得的数值：

31、 （2.2） v-最大提升速度，m/s； H-提升高度，m。3. 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(加速、减速、等速、爬行等)。4. 有较好的起动性能。提升机不同于其他机械，稳定运行的要求。不可能待系统运转后再装加物料，因此，必须能重载启动，有较高的过载能力。5. 特性曲线要硬。要保证负载变化时，提升速度基本上不受影响，防止负载不同时速降过大，影响系统正常工作(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，即所谓要具备挖土机机械特性)。6. 工作方式转换容易。要能够方便的进行自动、半自动、手动、验绳、调绳等工作方

32、式的转换，操作方便，控制灵活，不至于因工作方式的转换影响正常生产。7. 采用新技术和节能设备，易于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.尽量节约能源和降低运转费用。2.3 矿井提升机的调速控制方案分析为了使提升机调速控制系统能取得良好的控制性能，不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方案，控制方式是决定提升机使用性能的关键所在。目前在实际生产中得到应用的很多，其中有高精度的还有一般性能的，种类五花八门，价格也高低相差悬殊。所以在选用调速控制系统时要按负载的特性要求，并结合矿井的生产规模，以达到经济、实用为准。常用的控制方式主要有：转子回路串

33、电阻调速、模糊控制、直接转矩等。2.3.1 传统转子回路串电阻调速系统在加速过程中，交流接触器KM1，KM2，KM3，KM4逐级吸合，转子回路电阻依次减小，以保证加速力矩的平均值不变。如果要求提升机低速运行，则需在转子回路中串较大电阻。为了解决减速段的负力要求，通常采用动力制动方案，即将定子侧的高压电源切除，施加直流电压，或在定子绕组上施加低频电源，让电动机工作在发电状态。转子回路串电阻调速的主电路结构如图2.3所示：图2.3 转子回路串电阻调速图2.3.2 模糊控制调速系统在对提升机的转速控制中，采用二维的输入变量即使用误差和误差变化率。PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值进

34、行比较得到误差信号e、误差变化率，把误差信号和误差变化率的精确值模糊化变成模糊量E、EC再进过模糊推理得到模糊控制量U，进行解模糊处理得到控制信号u，送入控制电路。与传统控制方式相比，模糊控制是一种非线性的控制方法，工作范围宽，适用范围广，特别适合非线性系统的控制。但信息简单的模糊处理导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度，则必然增加量化级数，从而导致规则搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。实现模糊控制的原理框图如下图所示： 图2.4 模糊控制原理框图 2.3.3 直接转矩控制系统直接转矩控制系统采用空间矢量分析的方法，直接在定子坐标系下计算并控制交流电动机的转矩和磁链，

35、采用定子磁场定向，借助于离散的两点式控制产生脉宽信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动能性态。其控制效果取决于转矩的实际情况，所以它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直接转矩控制系统结构图如下图所示：图2.5 直接转矩控制系统结构图 2.3.4 变频器调速控制系统变频器是利用电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。我们现在使用的变频器主要采用交直交方式，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路

36、一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 陈立香 变频和调压相结合的调速方法在煤矿提升机的应用M煤矿机电，2005，(02)。结构图如下图所示：图2.6 变频器的基本结构2.3.5 矿井提升机调速系统的确定转子回路串接电阻调速方法调速范围小，串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低。信息简单的模糊控制调速处理会导致系统的控制精度降低和动态品质变差，若要提高精度，则必然增加量化级数，从而导致规则

37、搜索范围扩大，降低决策速度，甚至不能实时控制。直接转矩控制系统的转矩和磁链调节器采用滞环比较器，会造成转矩脉动，在电动机运行一段时间之后,电机的温度升高,定子电阻的阻值发生变化,使定子磁链的估计精度降低，也会导致电磁转矩出现较大的脉动，同时逆变器开关频率低也会造成转矩脉动。变频调速控制系统电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能控制系统。同时还可以实现大范围的高效连续调速控制，并且能够达到节能的效果。本设计结合煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点，对各种调速系统进行分析和比较，最终确定了提升机系统的整体控方案：变频调速控制系统。采用PLC与变频器相结合的控制方案对传统电控系统进

38、行改造，变频调速是通过改变定子供电频率，成功实现了提升电动机大范围的无级平滑调速，在运行过程中能随时根据电动机的负载情况，使电机始终处于最佳运行状态，能够满足提升机特殊工作环境的要求且有着明显的节电效果。采用PLC对提升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。因此本次设计选用交流电动机交交变频调速系统。 交-直-交变频器的工作原理是借助微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源经过二极管整流成直流电，再由电力电子器件把直流电逆变为频率可调的交流电源 闫广，王公华，李兆峰PLC在副井提升机信号及综合保护系统中的应用J工矿自动化，2002,(03)。3 提升机调速控制系统硬件设计矿井提升机也

39、称矿井卷扬机。作为井上与井下的唯一输送通道，使得矿井提升机成为矿山的关键设备之一，也是矿山的咽喉部位。矿井提升机运行性能的优劣，不仅直接影响到矿山的正常生产与产品质量，而且还与设备及人身安全密切相关。矿井提升机工艺工况图如图3.1所示：图3.1 工艺工况图 根据矿山实际情况矿井提升机提升最大高度大约在480m，根据公式2.2得出最大提升速度为7.9m/s，为安全起见，最大提升速度取7m/s。矿井提升机系统框图主要包括主电动机、动力制动电源、PLC、旋转编码器、换向器和操作台等。系统框图如下图：图3.2 系统框图主电动机：为箕斗的提升和下降提供机械力，根据实际需要这里选择使用额定电压，额定电流输

40、出功率为，电动机效率,功率因数，额定转速的三相鼠笼式异步交流电动机。 变频器：是动力站的能量供给单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调的电能提供给交流电动机，以达到控制交流电动机转速的目的。 操作台：操作台设置五个按钮，分别用于变频器的启动、停止、复位，箕斗的上升和下降控制。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。 旋转编码器：旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给变频器。变频器通过该信号可以计算出提升机的速度是否达到要求，做出知否补偿的判

41、断。换向器：在变频器的输出频率达到工频时，换向器切入，主电动机直接接工频电，达到节能目的。3.1 提升机变频控制部分设计3.1.1变频器简介变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器。变频器就是利用电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

42、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

43、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(V

44、C)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、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流、，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、(相当于直流电动机的励磁电流；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，

45、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。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

46、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。3.1.2 变频调速基本原理由电机学的基本公式： （3.1）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

47、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：1 V/F控制V/F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V/F 为常数，来保证转子磁通的恒定。然而V/F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

48、异步电动机的转速，对转差频率采取闭环控制.与V/F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

49、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

50、困难就在于低速性能不理想。矿井提升机需要具有良好的调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速范围大。所以变频器控制方式的选择上选择V/F控制。变频器采用V/F控制方式时，结构非常简单，对电机参数依赖不大，能够满足提升机各运行阶段。3.1.3 提升机变频器的选择在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器必须同时满足下列三项要求。满足负载输出要求，按下式确定： （3.2）满足电动机容量要求，按下式确定： (3.3) 满足电动机电流要求，另外矿用提升机属于频繁启动、加减速运转，其变频器容量的选择应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定： （3.4）式中：:变频器容量（kVA）；:负载要求

51、的电动机轴输出功率（kW）；：电动机额定电压（V）；:电动机额定电流（A）；:电动机效率（通常约为0.85）；：电动机功率因数（通常约为0.75）；：电流波形补偿系数（PWM控制方式时，取1.05-1.1）； ：变频器额定输出电流（A）；：各运行状态的平均电流（A）； ：各运行状态下的时间；：安全系数（运行频繁时取1.2，其它条件下为1.1）。考虑到矿用电机性能上的差异及机械负载的波动，变频器容量取电动机容量的1.4 倍，按照本系统电动机功率，选用150kW 以上的变频器。本调速控制系统变频器选用德国的西门子公司生产的MM440（MICROMASTER MM440)通用变频器，可以对0.129

52、0kW 或90250kW 的电机进行控制。3.1.4变频器的调试参数的复位，将变频器参数恢复到出厂状态下的默认值的操作。一般在变频器出厂和参数出现混乱的时候进行此操恢复出厂设置值：表3.1 恢复出厂设置参数设置参数名称参数号设置参数 用户的参数访问级P00031调试用的参数过滤器P001030复位为工厂设定值P09701在本控制系统中，变频器采用本次操作板（BOP）进行调试。BOP具有5位数字的七段显示，用于显示参数的序号和数值、报警和故障信息，以及参数的设定值和实际值。BOP不能储存参数的信息 MICROMASTER 440 变频器0.12 kW - 200 kW使用手册 。参数设置如下表所

53、示：表3.2 BOP参数设置参数名称参数号设置参数 选择命令源P07001在变频调速系统中，通过逐渐升高（降低）频率来实现升速（降速）过程。如希望升速（降速）过程保持平稳而且不会电流过大，必须控制同步转速和转子转速间的转差，使其在一定范围内。如果频率上升（下降）过快，由于惯性，电动机转子转速跟不上同步转速的上升，使转差太大，导致升速电流超过允许值，可能产生过电流。通常可供选择的升速（降速）功能从两方面考虑：升速（降速）时间和升速（降速）方式。升速（降速）时间。升速（降速）时间是从0HZ到基本频率之间变化的时间。时间越短，频率变化越快，越容易过电流。升速（降速）方式。升速（降速）有三种方式：线性

54、方式、S形方式和半S形方式。如图3.3所示：图3.3 升速（降速）方式线性方式：在升速（降速）过程中，频率时间呈线性关系，如图3.3中曲线1。S形方式：在开始和结束阶段升速（降速）过程较缓慢，中间阶段按线性方式升速（降速），升速（降速）呈S形，如图3.3中曲线2。半S形方式：在开始阶段升速（降速）过程较缓慢，中间和结束阶段按线性方式升速（降速），升速（降速）过程呈半S形，如图3.3中曲线3所示。由于提升机是大惯性负载，在启动时负载转矩较大，所需要的电动机输出转矩较大，所以选择半S形方式。依据变频器各项参数设定。取加速度，则达到最大速度需要7s，既；根据矿井提升机安全规范提升机的爬行速度设定为0.2m/s,加速度大小不变方向取反，则从最大速度减速到爬行速度，需要时间6.8s，既；设定爬行时间，停车时间；最后根据计算得出以上升的时间。快速调试参数设置如下表所示：表3.3 快速调试参数设置参数名称参数号设置参数 用户的参数访问级P00033调试用的参数过滤器P00101参数过滤器P00040适用于欧洲/北美地区P01000变频器的应用领域P02051电动机类型P03001电动机额定电压P0304380电动机额定电流P0305380电动机额定功率P030790电动机额定功率因数P03080.75电动机额定效率P03090.85电动机额定频率P031050电动机额定转速P031