矿井主扇风机在线监测及延时保护系统的研究与设计

1、应用型硕士学位论文矿井主扇风机在线监测及延时保护系统的研究与设计设计Research and Design on Coalmine Mine Fan Online Monitoring and Delay Protection System 矿井主扇风机在线监测及延时保护系统的研究与设计Research and Design on Coalmine Mine Fan Online Monitoring and Delay Protection System摘 要在煤矿安全生产过程中，通风系统有着相当重要的地位。风机作为通风系统的主要组成设备，一般情况下，主通风机都会持续的运转，这就会潜藏着很多

2、隐患，这些危险源一旦显露，就会大大影响矿井的生产工作，甚至导致人员伤亡的结果。为了强化矿井的自动化生产水平，同时为了确保矿井能高效安全的作业，必须对煤矿主扇风机工作时的运行参数进行全方位多角度的监控。本文在对聚隆矿的现实作业情况进行调查后，分析了该矿在通风监测上暴露出的问题，确定了监控系统的待测参数以及参数的测量方法，本文的矿井主扇风机自动监控系统是基于型号西门子 S7300 PLC 进行研究的。为了对矿井通风机的性能和状态以及电机的电气参数进行实时监测，需要检测风机系的各种传感器和现场的矿井主通风机参数，利用互联网进行异地遥控。上位机通过工业控制计算机完成声光信号报警、处理数据、生成图表等功

3、能。在设计中使用 Siemens 公司的 STEP7 来实现 PLC 的编程、组态；使用 WinCC 编写上位机人机界面程序；依靠 MPI 通信协议实现上、下位机的通讯。本系统极大地改善了矿井通风机性能测定工作中的困难及复杂性，可以较早的发现故障并且预报，尽快地找到故障源，大大增强了矿井主扇风机在线监测监控的功能，提高了煤矿自动化管理水平，保证了通风机运行的稳定性和可靠性，为煤矿的安全生产提供保障。关键词：矿井主通风机；变频器；PLC；在线监测AbstractThe ventilation system of coal mine safety production in coal mine i

4、s to ensure that the important part, The fan is the main equipment of the ventilation system, however, due to long-term continuous working of the fan, kinds of hidden failures and risks will appear in the working course of coal mine fans, these failures and risks will lead to serious threat to safet

5、y of coal mine production. so it not only can greatly improve the level of automation in mining production, but also a mine safe production for real-time monitoring and controlling its running status.This paper is based on the actual situation of the coal mine production and aims at the existing pro

6、blems. It determines the measuring parameters and measurement methods of the monitoring and control system. This paper use models Siemens S7-300 PLC design mine main fan automatic monitoring and controlling system. The system through testing the fan department of various sensors and field of mine ma

7、in fan parameters measurement method, the paper realize mine ventilator performance and state and motor electric parameters monitor, and can through communication system to achieve remote control.PC acousto-optic alarm signal by polymerizing-kettle finish, data processing, generating chart etc. Func

8、tion. The design uses the Siemens STEP7 to program PLC, and uses WinCC to program human-machine interface. Realizing the communication rely on MPI communication protocol. This system improves difficult and complexity of the performance work mine ventilator, and can find fault and predict as soon as

9、possible, greatly enhance the mine main fan online monitoring function, improve the management level of coal mine automation. The monitoring and control system has realized the automated management of the ventilator, ensuring the ventilator to operate steadily and reliably, providing safeguard for c

10、oal mine safety production. Keywords: main mine fan; inverter; PLC; online monitoring目 录摘要I目录III图清单VII表清单VIII变量注释表IX1 引言11.1赵庄二号井现况与分析11.2 国内外防越级跳闸问题研究现状31.3 本文的主要工作52 赵庄二号井供电系统现状72.1 矿井供电电源72.2 用电负荷统计72.3 地面供配电72.4 井下供配电83 赵庄二号井煤矿供电系统继电保护分析103.1 煤矿电网继电保护概述103.2 赵庄二号井煤矿电网建模113.3 小结154 赵庄二号井煤矿电网短路越级跳

11、闸分析164.1 赵庄二号井煤矿电网继电保护分析164.2 煤矿越级跳闸常见问题分析234.3 小结285煤矿防越级跳闸方案设计295.1防越级跳闸常用解决方案295.2基于智能变电站赵庄二号井矿防越级跳闸方案设计345.3 本章小结416 结论与展望42参考文献44作者简历48学位论文原创性声明49学位论文数据集50ContentsAbstractIIContentsVList of FiguresVIIList of TablesVIIIList Of VariablesIX1 Introduction11.1 Situation and Analysis about Zhaozhuang

12、 II Well11.2 Research Status at Home and Abroad31.3 Main Research Contents of This Paper52 Zhaozhuang II Well Power Supply System Present Situation72.1 The Coal Mine Power Supply72.2 The Electricity Load Statistics72.3 The Ground Power Supply And Distribution72.4 The Underground Power Supply And Dis

13、tribution83 Analysis Of The Power Supply System Aelay Protection In Zhaozhuang II WelI103.1 An Overview Of the relay protection In Coal Mine power grid103.2 The Modeling Of Coal Mine power grid In Zhaozhuang II Well113.3 Chapter Summary154 Analysis Of Mine Power Grid Short Circuit Grade Trip In Zhao

14、zhuang II Well164.1 Analysis Of Mine Power Grid Relay Protection In Zhaozhuang II Well164.2 Analysis Of Common Problems About Mine Grade Trip234.3 Chapter Summary285 Design Of Mine Anti-grade trip295.1 common solution to Mine Anti-grade trip295.2 Design Of Mine Anti-grade trip Based On The Intellige

15、nt Substation Zhaozhuang II Well345.3 Chapter Summary416 Conclusion And Outlook42References44Author Biography48Declaration of Thesis Originality49Thesis Data Collection50图清单图序号图名称页码图2.1供电系统图8Figure2.1Power Supply System Diagram8图2.2 中央变电所系统图9Figure2.2The Central Substation System Diagram9图3.1赵庄二号井煤矿

16、35kV供电系统仿真模型12Figure 3.1 Modeling Of 35kv Power Supply System In Zhaozhuang II Well12图4.1三段式电流保护示意图20Figure 4.1Three-current protection schematic20图4.2越级跳闸示意图23Figure4.2Override Grade Trip Schematic Diagram 23图4.3短线路导致越级跳闸示意图24Figure 4.3Override Grade Trip Attributed To Short Line Schematic Diagram

17、24图4.4 805线路的短路电流和距离关系图25Figure 4.4805 Relation Between Line Short-circuit Current And Distance Diagram25图4.5运行方式差异大导致越级跳闸示意图26Figure 4.5Override Grade Trip Attributed To Operating Mode Difference Diagram 26图5.1煤矿供电系统示意图31Figure 5.1Coal Mine Power Supply System Diagram31图5.2煤矿数字化供电系统31Figure5.2Coal

18、digital power supply system31图5.3 基于智能变电站的防越级跳闸实现33Figure 5.3 Anti-grade trip on the realization of smart substation 33图5.4 保护测控装置的保护逻辑34Figure 5.4 Protecting logic of protecting and controlling device34图5.5区域集控式智能供电系统35Figure 5.5Area Centralized Control Intelligent Power Supply System35图5.6区域集控中心功能

19、结构图36Figure 5.6Figure 6.2 Area Centralized Control Function Configuration Diagram36图5.7地面智能变电站的结构示意图37Figure 5.7 Ground Intelligent Substation Schematic diagram37图5.8 赵庄二号井地面智能变电站的结构示意图38Figure 5.8Ground Intelligent Substation Schematic diagram in Zhaozhuang II 38图5.9井下智能变电站的结构示意图38Figure 5.9Undergr

20、ound Intelligent Substation Schematic diagram38图5.10赵庄二号井井下智能变电站的结构示意图39Figure 5.10Underground Intelligent Substation Schematic diagram in Zhaozhuang II 39表清单表序号表名称页码表3-1变压器型号及参数12Table 3-1 Transformer Models And Parameters12表3-2各电压等级线路的参数13Table 3-2 Parameters Of The Line About Level Of The Voltage

21、13表3-3 最大运行方式下各点的三相短路电流14Table3-3Every Point of three-phase Short-circuit Current In Max Operating Mode14表3-4 最小运行方式下各点的三相短路电流14Table 3-4Every Point of three-phase Short-circuit Current In Min Operating Mode14表3-5 最小运行方式下各点的两相短路电流15Table 3-5 Every Point of two-phase Short-circuit Current In Min Oper

22、ating Mode15表4-1赵庄二号井矿电网保护定值单16Table 4-1Relay Protection Setting Value Table About Zhaozhuang II well16表4-2 基准侧的选择17Table 4-2Selection About Reference Side17表4-3过流保护灵敏度校验22Table 4-3Sensitivity Check About Overcurrent Protection 22表4-4 赵庄二号井煤矿线路的短路电流值25Table 4-4Short-circuit Current Value On Mine Lin

23、e In Zhaozhuang II Well25表4-5赵庄二号井矿各CT变比、保护级和线路最大短路电流27Table 4-5Each CT Ratio And Protection Level And Max Short-circuit Current In Zhaozhuang II Well 27表5-1 主要设备组成明细表39Table 5-1 Main Equipment composition list39变量注释表电机定子电源频率；异步电机磁极对数；相应角频率电动机转差率；异步电机固有角频率异步电机同步转速线路零序电容电机各极磁通电机定子绕组匝数常数定子绕组各组的阻抗；定子绕组

24、的相电流转子电流折算到定子侧的有效值电动机的转矩常数转子电路各相功率因数流量流量测量截面积流量测量截面积的平均流速风机全压风机出口静压风机出口动压风机入口静压风机入口动压风机静压风机辅助功率电机有功功率 电机效率 传动效率 风机全压效率 风机静压效率711 引言1 引言1 Introduction1.1聚隆矿现况与分析（Situation and Analysis about JuLong Mine）聚隆矿业有限公司是冀中能源邯郸矿业集团有限公司整合重组的一家地方煤矿,为股份制企业。聚隆矿设计能力45万吨,井田面积2.6平方公里,矿井可采存量960万吨。产品为低灰、低硫、高发热量的优质无烟煤,

25、深受煤化工、冶炼、电厂等企业的青睐。企业位于河北省邯郸武安市境内,晋、冀、鲁、豫四省交界处,东距历史文化名城邯郸市25公里,地理位置优越,京广、邯长铁路和309国道、京深、青兰高速在这里交汇,交通便利。聚隆矿井田的煤层瓦斯聚集比较集中，这是由于该井田的煤层地质通气性差，同时煤层产状坡度较小，使得瓦斯流通路径长，阻力大，气体很难排除，这有利于瓦斯的聚集和存储。并且煤层以较为宽缓的背、向斜为主，断裂构造是瓦斯流通和存储的通道，瓦斯在断层附近容易逸出，然后远离断层，瓦使得斯得于聚集。另外煤层埋藏深度、褶曲构造也是导致本井田瓦斯含量高的主要成因。同时， 根据煤层煤尘爆炸性试验结果，其火焰长度10mm，

26、扑灭火焰的岩粉量为4045%，可知煤层之煤尘具有爆炸危险性。综合分析，本井田瓦斯、煤尘是聚隆矿煤层开采过程中安全生产的主要自然灾害，作为矿井重大危险源。在我国煤炭安全生产条例中，对煤矿井下风速以及通风量都有严格规定。一般情况下，通风机的容量是参照煤矿生产后期所需的用风量进行设计的。在这种情况下，矿井的风机几乎是全功率状态下工作，从而满足煤炭安全设计规程对矿井通风的要求，过程中通常采用调节导叶角方式控制风量及风压，因而使得大部分电能被浪费。相关资料显示，正是由于通风设备故障以及通风管理不善等因素，每年有大约70%以上煤矿事故是由于以上原因造成的1。除此之外，危害极大的瓦斯煤尘爆炸占重大安全事故的

27、一半，而深究其原因，主要还是矿井风机不能很好地通风排气，造成瓦斯堆积。在实际生产中，除了电能浪费现象和瓦斯聚集之外，从环境方面考虑，由于一般煤矿多采用抽出式通风方式，通风机将地下巷道中的包含大量的粉尘及甲烷一氧化碳等可燃有害气体被通风机抽到大气中，造成空气污染，甚至对人体健康造成不良影响。为了适应煤矿规模日益扩大，同时为了提高生产效率，井下通风系统对设备的检测控制要求更为严格。利用设备在线实时监测控制等技术，实时调节风机的运行状态，并及时发现故障隐患是十分必要的。鉴于主扇风机在在整个煤矿生产中的重要地位，它越来越受到煤矿安全管理人员的重视，国内各高校和科研院所也都纷纷研制通风机的监测监控系统，

28、并且得到了广泛的认可和推广1.2 国内外矿井通风监测研究现状（Research Status about Mine Ventilation Monitoring at Home and Abroad）由于国外（法国、美国、俄罗斯、德国等）对矿井通风设备监测研究起步早，因而有许多较为先进的监控产品被用于煤矿生产中，采用现代化的通风技术，保证了矿井的合理通风及供风，不仅大大降低了重大安全事故的发生几率，同时也提高了生产效率，效果显著。随着国外科学技术的突飞猛进，电子技术和计算机技术的发展，计算机智能化、自动化的监控技术也进一歩得到了提高。20世纪90年代，在一些发达国家中，计算机监控技术作为自动控

29、制技术的一个重要分支己经进入了快速发展的阶段。在波兰，他们将各种参数汇集到井上微机，通过微机对各种数据进行处理，同时还能根据井下风量的需求对通风机进行调速和风量控制，最终绘制出井下通风系统的立体通风网络图，达到了矿井通风的先进水平。在监测预警方面，美国西屋公司最为著名，至1990年已经发展为适用于网络监测预警专家系统，另外还有丹麦的 B&K公司的机械状态监测系统，日本三菱公司的 MM 系统都是相对成熟的风机监测系统。这些系统都在各国煤矿上应用的非常广泛，比如淮南矿务局在引进德国通用电气（AEG）公司设计的通风机控制系统后，安全运行七年无故障发生。在煤矿主通风机风量智能调节及在线监控系统

30、方面，我国也取得了一些成就。谷善茂等人设计了无人值守的通风机监控系统，攻克了系统的某些控制难题4；陈燎原等人利用西门子 PLC、变频器和组态王等开发出矿井风机监控系统5；煤炭总院重庆分院李祥和等人开发研制了可以实现监测和机械故障预报警功能的仪器“FJZ型矿井主要通风机在线监测与故障'诊断仪”；胡亚非教授等人研发设计了可以实现计算机采集、控制一体化的“K.1Z-型矿井主通风机在线监测与通讯系统”，之后又推出“KJZ-2型矿井主通风机在线监测与通讯系统”，即使在恶劣的地下工作环境中，该系统也能够准确、可靠的运行，通过对通风机性能参数的在线监测，从而实现控制、监测一体化的功能。虽然许多大型煤

31、矿已配备了这些研究成果,并且取的了显著的成效.但在实际使用中也暴露出一些问题，这些问题亟待解决4:(1)煤矿主通风机在线监测监控功能中，对风机的控制功能不强。不能实时控制调节风机风量，同时控制方法简单，模糊性强，从而控制不准确。另外风机全功率运行，使得大部分电能流失掉，同时不能做到提前预测风机故障等。(2)煤矿风机在线监测监控系统相对较独立，不能很好地与整个煤矿通风系统或者煤矿管理系统相互协同工作，信息不能及时反馈，管理较为松散。(3)在可靠性方面，煤矿风机在线监测监控还有不足之处。早期的计算机控制系统的软件功能是由若干工作人员通过编程实现的，没有严格的规范，致使一旦存在漏洞，工作量颇大。以上

32、问题暴露出我们国家与国外先进水平相比还有很大的差距，尤其是在对风机的实时控制方面。另外我国研发的系统所具备的功能不很完善，智能化程度不高，综合性能较低。同时监控系统开发版本低，缺乏一定的灵活性和兼容性，不能很好地扩展和移植性到其他地方。随着工业控制对自动化要求的提高，为了能研发出性能更强的系统，这就需要把计算机和工业设备结合在一起，来设计和研究可以实现矿井主通风机监控系统的功能技术。1.3本文研究的目的与意义( Purpose and Significance of This Paper)作为我国最重要的能源之一，煤炭每年产量居高不下，其在一次商品能源消费构成中占很大比例。当前新能源受到关注，

33、许多科研机构都投入了人力与物力进行相关设计，但从中国的能源结构以及经济技术发展水平来分析，中国在今后相当长的一段时期内，仍将把煤炭作为最主要的能源。我国煤炭主要是通过热力发电实现能源转化的，其中通风安全直接关系到我国煤炭行业的可持续发展，是我国能源安全供应及经济社会发展的重要保障，所以对煤矿的风机进行监测监控是重中之重。为了切实保障煤矿安全生产，必须完善主扇风机的实时监控系统，风机监控功能具体包含以下几个方面：（1）对风机机组运行中的轴承的温度变化、风机的振动幅值大小、电机轴承的温度变化的数据进行实时监测，并与参照标准进行比较，从而了解机组的运行状态，对问题进行及时诊断与处理。（2）实时监测主

34、扇风机、电机的温度变化参数，包括电机定子绕组温度、主扇风机轴温。（3）实时监测风机的电气参数，包括电压、电流、功率因数、有功功率、有功能耗值。（4）实时监测主扇的运行性能参数：风量、负压、功率、效率、开、停机（状态）及时间。（5）实时监测主扇电机轴承的振动参数：水平、垂直的振动状态。（6）显示当前风叶的角度：“风叶角度选择”区分前、后（、）级风叶。（7）根据设定的报警幅值、危险值等进行幅值报警及其变化趋势。采用声光提示和显示器色彩动画报警等方式，并能显示故障的动态参数变化。（8）实时监测风机风道内瓦斯浓度，在浓度超限时报警。（9）实时控制各配电柜开启，电机的起动、停止以及风门的开闭。本文汲取现

35、有矿井通风机系统中存在的优缺点，提出了能够实现通风机系统智能化监测和调节的一种方法，把高可靠性的工控 PLC 应用到风机自动化监控系统中来，辅助以高性能传感器，监控通风机的各种状态，并在中央控制室实现远程监控，从而达到无人值守的目的和生产要求。1.4 本文的主要工作（Main Research Contents of This Paper）本课题深入研究了当前通风机监测监控系统，针对现存的问题，提出了解决方案。针对煤矿通风机监控系统现存的问题，本论文确定了监控系统的待测参数以及参数的测量方法，利用PLC变频控制技术，通过变频调速的方式，从而改变风机风量以及风压的输出，最终达到能源利用最大化以及

36、生产效率最大化的目的。通过对被监控风机对象的结构与工作特点进行分析，本课题主要工作内容分为以下几个方面:(l)针对聚隆矿现况展开调查并分析，得出该矿井的重大危险源。对矿井的通风系统进行研究，并介绍了国内外通风机监测监控系统的研究状况，为了高效率的进行监测与监控,提出了PLC变频控制技术。(2)矿井局部风机PLC及变频器控制系统设计。该系统分为变频器接入的主电路和PLC控制电路两部分。选用合理的传 感器或变送器将待测压力、温度、转速、振动等重要参数转换成适于数据采集模块接收的参量，并且采取抗干扰措施实现正确的现场参数采集。除了可以实现手动与自动变频的切换，还可以在瓦斯浓度超标时调节风机转速或切断

37、系统电源并报警。(2)根据风机及系统功能要求完成PLC控制变频器方式的确定和对所需传感器、变频器以及PLC等主要电气元器件的合理选型。(3)根据现场结构以及可能出现的故障特点和待测点的性质与整体功= 能的要求，设计出合理的监控结构以及有效的电动机保护方式。(4)结合工程需要情况，进行PLC系统开关量的控制、瓦斯浓度及PLC模拟量采集及处理的程序编辑，并对变频器参数进行设定。(5)选择合适的实时在线监控软件显示风机工况。结合PLC以及组态软件在上位机上完成对风机系统在线监控的设计。最后是对全文的总结，对全文研究成果进行总结并提出下一步的研究方向。2 赵庄二号井供电系统现状2 聚隆矿通风系统概述2

38、 Introduction of Ventilation System in JuLong Mine2.1 聚隆矿主扇风机概述（Introduction of Main Fan in JuLong Mine）聚隆矿地面主扇风机使用的是对旋式轴流风机2台。其整体性好，并且采用内置防爆电机拖动，不受外界干扰。风机的主要特点是:1、该风机采用电机与叶轮直联的方法，简化了传动结构，改变了当前煤矿抽出式轴流风机全部采用皮带轮传动或长轴传动的复杂结构，使维修和操作方便。2、该风机配套电机为YB系列的YBFe派生系列，隔爆型三相异步电机。电机置于全封闭型，并具有一定耐压强度的密闭散热罩中并于外界非瓦斯气相通

39、。使电机始终处于无瓦斯空气之中运行，起到了双重隔爆效果。3、风机与扩散器之间设置后导叶，以提高静压效率，使得节能效果显著。与目前使用的局扇群相比，可节电六倍，与离心式风机相比可节电40%。4、该机可以反转反风，不必另设反风道，具有节约基建投资和反风速度快的优点。5、叶轮的叶片安装角度可以调整，其范围为:30度、33度、36度、39度、42度五个角度级。在使用同一规格风机中，可根据生产扩大的要求来调整叶片安装角度。6、该机配置了防止摩擦火花装置，确保了整机安全防爆性能。7、该机采用特殊设计，性能曲线无驼峰，在任何网络阻力情况下，均能稳定运行。2.2 风机供电系统（The Fan Power Su

40、pply System）风机的供电系统采用了室外箱式一体化结构，按功能划分为高压配电室、低压配电室、变压器室。风机系统的主要设备:(1)高压电机：高压电机:每台风机安装有两台6kv高压异步电动机，电机容量为315kw。电机安装了三相定子和前后轴承温度传感器。(2)变压器：为了保证附属设备的可靠工作，安装了两台50kva，为低压柜提供供电。变压器安装了温度监控器，监控3相温度，当温度超限能自动启停风机降温。(3)进线柜：包括两台进线柜，为风机系统的两台进线开关。(4)联络柜：实现风机供电系统的母线联络。(5)换向柜：两台换向柜，由接触器组成。主要实现两台风机电机的正反转。(6)箱变房：采用一体化

41、设计，外观整洁大方，按功能划分为高压配电室，低压配电室，变压器室，PLC控制室。箱变房安装通风机和温度传感监控装置，能根据温度自动启停风机进行散热。2.3 聚隆矿通风系统（The Mine Ventilation System）主通风机是煤矿的四大固定设备之一，为了保证通风的安全正常持续运行，通风系统设有以下几部分，其中有两个风洞，互为备用。保证在风机发生事故或者检修时的安全生产。(1)地面风道闸门:风机入口前设垂直闸门，主要用来调节风量和倒换风机。(2)通风管道:风机风道处安装了测量差压，静压的气样管道及流体温度传感器。(3)风门电机:主要来开关风道闸门，为380V低压电机，容量为11KV。

42、共有4台，分别用于开关风道闸门和检修。2.4 风量调节方法（The Method of Regulating Air Flow）聚隆矿地面主扇风机还有两个旋转风们用于检修时风道的入口。聚隆矿地面主扇风机系统中，每一台风机的两台电机扇叶的数量和角度时不同的，其中一级电机要比二级电机的扇叶数量多，角度大。由于在聚隆矿地面主扇风机系统中，采用的风机是无法实现调速的轴流式风机，又因为没有配备变频调速装置，所以风量和风压的调节主要在风机安装阶段，通过手动调整风机叶片数量、叶片安装间距和角度得以实现，在运转阶段，电机始终处于最大功率状态，这导致了低流量运转时极大的能源浪费。由于调节风机的扇叶数量和角度在实

43、际生产中调节比较困难，在正常的生产中，通过调节两个垂直风门提起的高度来调节风量是最常用也是最为普遍和简单的方式。另外，聚隆矿的风量需求高，但是井下线路较为复杂，导致在风机停止工作后，因为风流紊乱，致使风机反转的现象出现。除此之外，为了解决井下的开采任务艰巨的问题，经常配以爆破等作业任务，引起的冲击波常常改变风流，也是导致风机频繁自动停机的主要因素。6结论与展望3 矿井风机监测监控系统的方案总体设计3 Overall Design of Monitoring and Control System for Mine Fan当前，越来越多的自动化设备投入到煤矿生产中，大大提高了生产效率，节约了人力与

44、物力。基于调研分析现场控制要求，为了实现稳定性强、操作简单、灵活度高的目的，本文结合国内外已有的通风机监测监控技术，设计适合于聚隆矿的监测监控系统。通过合理的控制方式，以及可靠的保护功能，选择变频调速系统。3.1 变频技术调速原理与设计（Principle and Design of Speed Regulation by Frequency Conversion Technology）随着自动化程度越来越高，电机有着非常重要的地位，许多生产作业都要通过电机拖动来实现，其中交流异步电机使用最为广泛，它的特点是体积较小，价格相对低廉，运行状态稳定等优点5，但相比于直流电机，交流电机不能很好地进行

45、调速，基于这种情况，又出现了相应的交流电机调速方式，例如异步电机的变极调速、定子电压调速、转子串电阻调速、串级调速、变频调速等6，使得交流电机调速难的问题迎刃而解，这其中的变频调速应用最多，效果较为突出。 依据电机拖动的原理，可知道交流异步电机转速的表达式为: 式中 ：-电机定子电源频率；-异步电机磁极对数；-相应角频率-电动机转差率； 式中：-异步电机固有角频率；-异步电机同步转速；由上述公式可知，通过改变异步电机同步转速或者转子转速，即可调节异步电机定子绕组的输入电源频率。另外，在电机拖动中，我们知道 同步转速不仅总是大于交流异步电机的转速，而且同步转速的变化会改变异步电机的转速。当电源频

46、率增加时，同步转速也会相应增加，同时交流异步电机的实际转速也因而增加。反之，当电源频率减小时，同步转速也会相应变小，同时交流异步电机的实际转速也因而变小。通过增加或者减少电源频率来调节交流电动机转速，这种调速方式称为变频调速7。3.2 电动机变频调速的基本控制方式（The Basic Control Mode of Motor Frequency Control）通过以上的理论分析，可以知道只需要改变异步电机输入电源频率，就可与调节交流电机的转速。但具体应用时，会发现输入电源频率的改变，会导致电机的一些机械特性和转差率等发生变化，因此不能单纯的通过改变就能达到变频调速的目的。这时就需要采取一些

47、合理有效的控制方式。目前，主要有三种交流变频调速控制的基本方式8:1.输入电源频率低于工频范围的调节电机定子绕组感应电动势公式:式中：-电机各极磁通；-电机定子绕组匝数常数； 定子电压与绕组感应电动势的关系式为式中：-定子绕组各组的阻抗；-定子绕组的相电流；假如不考虑定子压降的影响，则可近似为：并且可以简化为:其中：通过电机拖动原理，可以知道异步电机的电磁转矩和磁通之间的关系表达式为：式中：-转子电流折算到定子侧的有效值；-电动机的转矩常数；-转子电路各相功率因数；根据上述公式可得，异步电动机的电磁转矩和磁通成正比关系，如果既降低电源频率，又降低定子电压，但保持二者比为定值，那么异步电机的磁通

48、与电磁转矩也维持不变，这种控制方式就是恒磁通调压调频调速9。2.输入电源频率高于工频范围的调节实际工作中，定子电压必须在异步电机额定工作电压范围内，如果增大电源频率，在数值上会变小，反之，会变大。另外，如果维持定子电压稳定不变，通过上述公式可知，定子磁通与电机电磁转矩都会减小，最终增大电机的实际转速。电动机的功率表达式为；式中为电动机转动角速度如果能同时控制电源频率与电磁转矩，使得他们之间的比值保持不变，这样就可以保持电机功率恒定不变，通过这种定压升频的控制调速方式，即为恒功率调速。3.转差频率的控制当电机稳定运行时，转差率相对较小，为了使电机的电磁转矩近似正比于转差角频率，就需要对定子电流合

49、理控制，从而保证电机的气隙磁通维持不变。因此，在异步电机控制中，通过增加或者减少频率，实现间接控制电磁转矩的控制方法即为转差频率的控制方式。3.3 变频器的结构与选型（The Structure and Selection of Frequency Converter）变频器按结构可以分为直接变频和间接变频，直接变频就是交-交变频器，这种结构主要是将工频交流电直接转换成交流电，转换后的交流电的频率以及电压都可控；间接变频就是交-直-交变频器。这种结构首先将工频交流电通过整流器转换成直流电，再利用滤波器将直流电转换成交流电，转换后的交流电的频率以及电压都可控。目前使用较为广泛的变频器主要是交-直

50、-交变频器，它的主要组成部分是整流器、滤波器和逆变器，基本结构如下图所示图* 变频器基本结构图Figure * Inverter basic structure diagram（1）整流器：分为可控型整流器和不可控型整流器两种，作用是将固定的频率和电压的交流电转换为直流电。（2）逆变器：这是变频器的核心部分，它的作用是将直流电逆变为交流电，从而使负载正常工作，因为交流输入电源与逆变器的输出的频率和电压没有关系，所以也可以称为无源逆变器。(3)滤波器：整流电路的输出电压不是理想的直流，用示波器观察整流电路的输出电流，与可以发现波形中含有较大的脉动成分，称为纹波。为了尽可能的减少这些纹波，获得较为

51、理想的直流电压，必须借助具有储存能量的电抗性元件（如电容、电感）组成的滤波电路，因此可将滤波器分为用电感对直流电压滤波和用电容对直流电流滤波。由于逆变器的负载多为感性负载(比如异步电机)，不论电机工作状态如何，其功率因数始终不为1，过程中总有无功功率进行交换，因此为了起到缓冲的目的，必须引进中间直流环节的储能元件。按调制方法进行分类，变频器可以分为脉冲幅值调制型变频器(PAM)和脉冲宽度调制型变频器(PWM)。脉冲幅值调制型变频器的工作原理是利用改变脉冲的幅度，从而实现对输出量和波形的调节。脉冲宽度调制型变频器工作原理改变脉冲宽度，从而实现对输出量和波形的调节。常见的PWM波形生成的方法有两种

52、，分别是调制法和计算法。调制法是通过比较期望信号与高频载波信号，从而确定个脉冲宽度信息，最终生成PWM波形；计算法主要是通过计算机网络技术对每个时间段所需要的脉冲宽度进行准确计算。相比于脉冲幅值调制型变频器，脉冲宽度调制型变频器更容易控制，并且动态响应好，灵活性高，基于这些优点，在很多电路的逆变部分，都是采用的脉冲宽度调制10。当前，市场上的变频器种类很多，因此要根据具体的电路选择合适的变频器，这样才能实现更好的变频效果。根据下列因素进行选择：电机的额定电流值以及功率值、变频器容量大小、变频器后接的负载类型、线路电缆长度、防护等级是否与现场情况相符合等。比如，如果变频器需要长电缆运行，为了防止

53、其出力不能满足需要，必须采取一定的措施来减小长电缆对地的耦合电容的影响，因而需要选择大一档的变频器，或者在输出端安装输出电抗器。考虑到经济成本等因素，本系统选用了西门子6SE70变频器。西门子6SE70变频器，控制装置采用全数字控制技术，功率部分采用IGBT的电压源型PWM交流变频传动装置，它给传动装置带来快速性、更高的可靠性更好的效率等特点。它的控制模式可分为磁场定向矢量控制和V/F控制，速度响应的时间为60ms，输出频率为0-200Hz,。过载能力是1.36倍额定电流60秒，1.60倍额定电流30秒。6SE70变频器的基本功能有：可编程的输入/输出接口、可编程的加减速率、丰富的自由功能模块

54、、连接量技术、电流限幅、过电压、欠电压保护、故障显示和存储、网络通讯功能等等。3.4 PLC的基本组成及工作原理( PLC Basic Composition and Working Principle)PLC的种类繁多，但基本结构和工作原理大致相同。主要由中央处理器（CPU）存储器、通信接口、输入/输出(I/O)接口和电源等组成，如下图2.3所示。图* PLC基本组成图框图Figure* The basic structure diagram of PLC1.中央处理单元(CPU)中央处理单元 (CPU)是PLC的核心芯片，它主要是负责控制其他部件的工作，一般由控制器，运算器和寄存器组成，C

55、PU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、I/O接口电路连接，其主要完成以下任务:(l)从存储器读取指令。CPU从地址总线上写入指令的存储地址，并且从数据总线上读取指令，并同时将其存放到CPU内部的指令寄存器中。(2)执行指令。对存放在指令寄存器中的指令操作码进行编译，执行指令规定的操作。(3)处理中断。当输入输出接口或者内部的程序请求信号进行中断时,CPU进行中断的跳转,处理完中断程序后返回原程序,继续执行原程序。引入中断的控制方式大大提升了PLC处理速度和程序的执行效率。(4)诊断PLC内部电路的工作故障和编程中的错误;PLC的CPU通过不停的扫描输入输出接口，对现场状态进行接收，并按照原程序对检测到的信息进行处理，最终利用执行部件进行控制。2.存储器存储器是一种半导体，它具有记忆功能，通常用来存放PLC的程序和数据，按存放程序的类别不同，可分为系统程序存储器和用户程序存储器。系统程序是由PLC的生厂方通过微机指令系统编写的系统程序，这些程序控制着PLC的各种功能，并且禁止使用者对其进行修改；用户程序是用户根据工程现场生产需求或者工艺要求进行编写的控制程序，这些程序可以通过编程器写入PLC的读写存