矿井提升机变频调速控制系统设计论文

1、毕业设计论文基于PLC的矿井提升机变频调速系统设计摘要矿井提升机是矿山等行业的重要设备，矿物和人员的运输都离不开提升机。我国传统的矿井提升机主要由继电器接触器控制，通过在电机转子电路中串联附加电阻实现启动和调速。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。针对传统卷扬机存在的问题，本设计采用可编程控制器控制系统，并结合变频器实现卷扬机速度控制。通过对提升系统的深入研究，完成提升控制系统的设计，选择硬件设备型号，完成硬件系统设计，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。根据硬件系统要求绘制外部接线图，编写控制系统程序。变频器由可编程

2、控制器控制，实现提升机的启动、加速、恒速、减速、爬行和停止运行，并对过载、超速、过卷等故障进行监控。可编程控制器采用PLC，硬件简单，软件灵活性强，调试方便，维护量小。它与一些由电子模块组成的提升机控制设备配合，提高提升机的安全运行。同时，可以时时检测矿井提升机的安全性能，并反馈给控制设备。减少了传统继电器触点控制系统的中间环节，减少了硬件和控制线路，提高了形式的稳定性和可靠性。变频调速就是改变被控对象的电源频率，成功实现交流电机的无级平滑调速。该控制系统的使用使提升机工作可靠、使用方便，并具有动态显示功能，节能效果明显。采用可编程序控制器-变频器改造矿井提升机控制系统将成为历史的必然趋势。关

3、键词:矿井提升机 可编程控制器 PLC 变频控制系统目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc11371 1 简介 PAGEREF _Toc11371 1 HYPERLINK l _Toc27647 1.1 国外矿井提升机发展现状 PAGEREF _Toc27647 1 HYPERLINK l _Toc32552 1.1.1我国矿井提升机电控系统现状 PAGEREF _Toc32552 1 HYPERLINK l _Toc23221 1.1.2国外起重机电控系统现状 PAGEREF _Toc23221 1 HYPERLINK l _Toc10472 1.2存在的问题及最新

4、发展 PAGEREF _Toc10472 2 HYPERLINK l _Toc31727 1.3本文承担的任务 PAGEREF _Toc31727 3 HYPERLINK l _Toc26983 2 矿井提升系统控制要求 PAGEREF _Toc26983 4 HYPERLINK l _Toc20234 2.1 矿井提升机结构介绍 PAGEREF _Toc20234 4 HYPERLINK l _Toc12018 2.2 矿井提升机速度与力分析 PAGEREF _Toc12018 4 HYPERLINK l _Toc19442 2.2.1 提升机速度分析 PAGEREF _Toc19442 4

5、 HYPERLINK l _Toc12598 2.2.2 提升机受力情况 PAGEREF _Toc12598 5 HYPERLINK l _Toc13651 2.3矿井提升机调速控制方案分析 PAGEREF _Toc13651 7 HYPERLINK l _Toc4915 2.3.1传统转子环串电阻调速系统 PAGEREF _Toc4915 7 HYPERLINK l _Toc26913 2.3.2模糊控制调速系统 PAGEREF _Toc26913 7 HYPERLINK l _Toc19993 2.3.3直接转矩控制系统 PAGEREF _Toc19993 8 HYPERLINK l _T

6、oc2708 2.3.4变频器调速系统 PAGEREF _Toc2708 8 HYPERLINK l _Toc29673 2.3.5矿井提升机调速系统的确定 PAGEREF _Toc29673 9 HYPERLINK l _Toc30923 3 提升机速度控制系统硬件设计 PAGEREF _Toc30923 10 HYPERLINK l _Toc4088 3.1 卷扬机变频控制部分的设计 PAGEREF _Toc4088 11 HYPERLINK l _Toc24490 3.1.1变频器简介 PAGEREF _Toc24490 11 HYPERLINK l _Toc23764 3.1.2 变频

7、调速的基本原理 PAGEREF _Toc23764 12 HYPERLINK l _Toc23748 3.1.3起升变频器选型 PAGEREF _Toc23748 13 HYPERLINK l _Toc543 3.1.4 调试逆变器 PAGEREF _Toc543 14 HYPERLINK l _Toc16442 3.2 起升系统逆变器外部电路设计 PAGEREF _Toc16442 16 HYPERLINK l _Toc25170 3.2.1卷扬机调速系统声光报警电路 PAGEREF _Toc25170 17 HYPERLINK l _Toc29183 3.2.2卷扬机调速系统制动控制回路

8、PAGEREF _Toc29183 17 HYPERLINK l _Toc32649 3.2.3编码器反馈 PAGEREF _Toc32649 回路19 HYPERLINK l _Toc1512 3.3 提升机调速系统PLC控制部分的设计 PAGEREF _Toc1512 20 HYPERLINK l _Toc30665 3.3.1 PLC简介 PAGEREF _Toc30665 20 HYPERLINK l _Toc7519 3.3.2 PLC PAGEREF _Toc7519 20的选择 HYPERLINK l _Toc23646 起升速度控制系统PLC的I/O口 PAGEREF _Toc

9、23646 21 HYPERLINK l _Toc27593 3.3.4 提升机调速系统PLC外电路设计 PAGEREF _Toc27593 22 HYPERLINK l _Toc1349 提升机调速系统各部分PLC控制 PAGEREF _Toc1349 23 HYPERLINK l _Toc6859 4 系统抗干扰措施 PAGEREF _Toc6859 25 HYPERLINK l _Toc18618 4.1 PLC的抗干扰 PAGEREF _Toc18618 25 HYPERLINK l _Toc30234 4.1.1 PLC 的干扰源 PAGEREF _Toc30234 25 HYPER

10、LINK l _Toc98 4.1.2 抗干扰的主要措施 PAGEREF _Toc98 25 HYPERLINK l _Toc17025 4.2变频器的抗干扰及其预防 PAGEREF _Toc17025 26 HYPERLINK l _Toc20656 4.2.1 逆变器干扰源 PAGEREF _Toc20656 26 HYPERLINK l _Toc562 4.2.2 干扰信号的传播 PAGEREF _Toc562 27 HYPERLINK l _Toc3181 4.2.3 抗干扰措施 PAGEREF _Toc3181 27 HYPERLINK l _Toc14508 5 提升机调速系统软件

11、设计与调试 PAGEREF _Toc14508 28 HYPERLINK l _Toc7567 5.1 提升机调速系统控制程序流程 PAGEREF _Toc7567 28 HYPERLINK l _Toc4789 5.1.1起升调速系统 PAGEREF _Toc4789 中断子程序功能28 HYPERLINK l _Toc26054 5.1.2卷扬机调速系统故障处理子程序 PAGEREF _Toc26054 功能28 HYPERLINK l _Toc15160 5.2 提升机调速系统程序调试 PAGEREF _Toc15160 30 HYPERLINK l _Toc23651 6 结论 PAG

12、EREF _Toc23651 32 HYPERLINK l _Toc11275 字 PAGEREF _Toc11275 34 HYPERLINK l _Toc7304 参考文献 PAGEREF _Toc7304 351 简介1.1 国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，使得提升机电控制系统的技术水平在一定程度上代表了一个工厂或国家的传动控制技术水平。 ，成熟的技术应用于起重电气控制系统。1.1.1我国矿井提升机电控系统现状在矿山生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，是矿山生产的关键设备。起重机电控制装置的技术性能不仅直接影响矿山生产的效率和安全性，也代表着矿山提

13、升机发展的整体水平。目前，我国90%以上的矿井提升机采用单机容量小于1000kW的传统交流异步电动机驱动，采用转子串和切割电阻进行调速，采用继电器和接触器组成的逻辑控制装置。其中大部分由电动发电机组（ FD单元）供电，只有部分是晶闸管整流驱动器（ SCR-D）。传统交流传动系统的明显缺点是：调速性能差，调速时大量的能量消耗在电阻上，给定方法落后，控制精度低，安全保护和监控环节不完善，安全可靠性差，和维护工作量。大且操作不经济。由于异步电动机在低速运行时特性曲线较软，在次同步状态下不能产生有效的制动力矩，因此难以准确控制卷扬机的停车位置。目前采用动力制动或低频拖曳制动来完成减速、爬行和停车。目前

14、在用的能耗制动和低频电源多为模拟技术控制的晶闸管器件，还存在调速难、维修量大等问题。传统交流电气控制系统可靠性差的另一个原因是安全保护、锁定和监控系统不完善。都是单线系统，想和控制系统混用。它们中的大多数共享一组线并相互影响。在实施起重机械电气控制系统技术改造时，既要具有领先一步的意识，既要紧盯国际先进水平，又要考虑我国国情，实现现代化。符合我国国情的卷扬机电气控制系统J 陆焱、顾善发、卢光华。 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20cnki%20%20%20% t _blank 矿井提升机电气控制系统J .金子; 2001-02； 26-291.1.2国外提

15、升机电控系统现状1970年代国外，随着微机技术的发展，微机控制技术逐渐应用于矿井提升机。目前国外已经到了比较成熟的阶段，使得整个阻力控制发生了变化。其应用主要体现在以下几个方面：升级过程微电脑控制在交流变频装置中，起升过程多采用微机控制。因为微机功能强大，使用灵活，运算速度快，易于实现监控显示和诊断功能，这是模拟控制无法实现的。升降行程控制提升机的控制本质上是位置控制。为保证起重能力准确停在预定位置，要求精度高，电流控制误差小于2厘米。采用微电脑控制，可采集角度脉冲变换、钢丝绳打滑、卷筒和钢丝绳磨损等各种传感信号。对信号进行处理，计算出具有精确控制和保护能力的位置。提升过程监控由于现代提升机控

16、制系统的设计特别强调安全性和可靠性，因此提升过程监控是现代提升机的重要组成部分，就像安全回路一样。起重过程采用微机主要完成以下参数的监控：吊装过程中各工况参数监测；监控各主要设备的运行状态；监测每个传感器信号。使各种故障在未发生之前得到处理，防止事故的发生，并将监测到的参数进行存储、保留和打印。安全电路安全回路是指当出现机械或电气故障时，葫芦控制葫芦进入安全保护状态。这个链接非常重要。为了保证人员和设备的安全，对于不同的故障，一般采用不同的处理方法。安全回路是最后的保护环节之一。现在大多数企业使用两台PLC组成一个安全回路，使安全回路具备完善的故障监控功能。无论是提升机还是安全回路本身，都可以

17、准确的实现安全。制动。1.2存在问题及最新进展矿井提升机是金属和非金属矿山生产过程中的重要设备。提升机的安全、可靠、有效的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、惯性大、运行特性复杂、工况经常交替变化等特点。虽然矿井提升系统本身有一定的安全防护措施，但由于现场使用环境条件恶劣，各种机械部件和电气元件的功能已经失效。保护未能达到预期效果，使起重系统事故至今仍未消除。一旦提升机的行程失控，不按给定的速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，导致箕斗损坏，影响矿山的正常生产，甚至造成重大人员伤亡.因此，对提升机速度控制系统的研究一直是社会关注的重大

18、课题。电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否平稳、安全、可靠地启动和制动，避免严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械维修的工作量，延长提升机的使用寿命。机械使用寿命。随着矿井提升系统的自动化，性能的提高，提升设备的提升能力的提高，对电驱动方式提出了更高的要求。对矿井提升机电驱动系统的要求：调速性能好、调速精度高、四象限运行、正反转快速、动态响应快、制动和定位功能准确、可靠性要求高 X X瑞果，孙玉霞，X芒果。 HYPERLINK %20%20%20%20:/ o 矿井提升机TKD-A斜井电控系统的变频调速节能技术改造 t _blank 矿井提升机TKD-A斜井电控系统变频调速节能技术改

19、造 M . HYPERLINK %20%20%20%20:/ t _NewReferJour 煤矿机械, HYPERLINK %20%20%20%20:/ t _NewReferJour 2004, (12)目前，我国井下矿井提升机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-直流电机驱动控制系统和同步电机矢量控制交流-交流变频驱动控制系统。这两种系统大多采用数字控制方式，实现了控制系统的高度自动化运行，效率高，制动定位功能准确，运行可靠性高，但成本昂贵，是中小型矿山难以承受的。对于中小型葫芦，多采用交流绕组电机开关电阻调速的交流电驱动系统，即TKD电控系统。将交流调速技术应用于矿

20、井提升机是矿井提升机电驱动系统的发展方向。对于采用TKD电控系统的中小型矿山，随着变频调速技术的发展，交-直流-交流电压变频调速技术已开始应用于矿井提升机改造。变频器的调速控制可以实现卷扬机的恒加速或恒减速控制，消除了转子串联电阻带来的能耗，具有非常明显的节能效果。变频器调速电路简单，克服了接触器、电阻、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，减少了故障和事故的发生。因此，变频器在卷扬机调速系统中的应用具有非常广阔的前景 施德佳 施德佳 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20cnki%20%20%20% t _blank 矿井提升机控制系统改造J .矿业研发； 2005

21、-03, 61-621.3本文承担的任务本文以矿井提升机调速系统为背景，调速方法非常成熟，但技术相对落后，基于PLC变频调速在矿井中通过行程的应用，提出了曳引运动的速度与控制系统，介绍了一种新型矿井提升机速度控制系统的设计与实现。本设计的主要任务是：1 、卷扬机控制系统主电路部分结合非金属矿山的实际生产情况，分析了提升机的工作过程和工作特点。给出了起升系统的总体控制方案；确定了基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统的组成。确定各部分要完成的控制功能，并给出控制电路的连接电路图，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具有强大的可编程控制功能，由编程软件STEP-7

22、完成。复杂的矿井提升机变频调速电控系统采用PLC控制。本文设计了程序控制功能的流程图，并给出了其他基本控制功能的梯形图。起重系统是一个对安全性要求极高的控制单元，因此软件设计部分应具备系统故障诊断和处理的能力。提升机速度设定方式分析由于矿山生产过程中提升机的载荷、提升方式和提升行程不同，提升机的牵引力也不同。应适当调整，起升速度应能控制。保护和抗干扰措施传统的交流电控系统可靠性差，安全保护、闭锁、监控系统不完善。它们都是单线系统，并与控制系统混合。它们中的大多数共享一组线并相互影响。本文对制约提升机安全的主要环节设置了减速、超速报警和超载、松绳、过卷等安全保护措施，并增加了监控系统，对提升机的

23、运行状态和故障源进行监控。一直吊。矿井提升机的设计可以解决实际生产问题。控制单元采用目前适用的工业PLC控制单元控制电驱动系统，电驱动单元采用先进的变频驱动，优化了矿井提升机的调速性能。去掉原控制系统中的交流接触器和调速电阻，提高系统的可靠性，改善操作人员的工作环境，降低噪音和温度；分段预置频率，根据负载情况实现连续稳定调速，无机械冲击现象，低压低频启停，停车运行更平稳；启动和加速时冲击电流小，可使矿井提升机在重载下从低速无级调速到最大速度。目前，这种方法是现代交流传动控制中比较先进的调速方法。安全、可靠、高效、经济的矿井提升机调速系统是本次设计的目标。2 矿井提升系统控制要求2.1 矿井提升

24、机结构介绍矿井提升机可分为立井提升机和斜井提升机两种。矿井提升机主要由电动机、减速机、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统及控制系统等组成，采用交流或直流电机驱动。提升钢丝绳的工作原理分为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法与一般绞盘类似。大多数单缸只有一根钢丝绳，与容器相连。双卷筒的每个卷筒都装有一根钢丝绳，用于连接两个集装箱。在操作过程中，一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机多用于年产120万吨以下、井深400米以下的矿山。摩擦式矿井提升机的提升绳挂在摩擦轮上，通过摩擦轮垫的摩擦力提升集装箱。提升绳的

25、两端与集装箱相连，或者一端与集装箱相连，另一端与配重相连。摩擦式矿井提升机按布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房位于井道顶部的塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接位于地面上）。按起重绳索数量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：可以使用更细的钢丝绳和直径更小的摩擦轮，使机组体积小，易于制造；速度快，起重量大，安全性好。年产120万吨以上、井深2100米以下的井道，大多采用这种提升机。目前，我国单绳缠绕提升机广泛采用交流缠绕电机驱动。吊装过程一般包括：启动、加速、匀速、减速、爬行和停车。2.2 矿井提升机速度和力分析2.2.1提升机速度分析提升设备在一个提升周期内的

26、运行规律由提升速度曲线图表示。图 2.1 显示了吊装速度与吊装时间变化的关系。图 2.1 起升速度图有五个阶段：阶段：主加速阶段的运行时间，此时加速度较大，速度已经从0加速到最大。重型卡车从井底开始上升。重卡启动后，开始连续加速至变频器设定频率，在此期间提升机速度逐渐增加。阶段：是恒速阶段的运动时间，即集装箱以最大提升速度同速运行的时间。上升时，电机保持电动状态，重卡葫芦在额定运行速度下稳定运行。下降时，转子下降速度将由测速发电机反映。当转速高于此值时，励磁电流增大，制动力矩增大，箕斗匀速运行。通常这个过程是最长的。阶段：主减速阶段的运行时间，即集装箱以最大提升速度减速的时间。当重卡接近井口时

27、，减速阶段，重卡减速至低速，进入爬行阶段。如果减速时间设置的很短，变频器的制动单元和制动电阻会工作，防止过减速跳闸。阶段：爬行阶段的运行时间。重卡在变频器频率下低速爬行，方便在指定位置停车。阶段：是刹车停止阶段的时间。到达停车位时，逆变器立即停止，重型车辆减速至零，制动系统制动。操作人员向井底发出接触信号，整个举升过程结束。2.2.2起重器的力量根据动力学方程(2.1)式中电机电转矩；传动系统的静阻力矩；- 传动系统的飞轮扭矩，其中J为转动惯量( ) ，为重力加速度；- 传动系统的动态扭矩；-加速。给定的速度图所需的扭矩，从而得到阻力系统所需的力。葫芦传动系统给定的速度图和力图如图2.2所示。

28、（一个）(二)（C）图 2.2 提升机给定力图图（a）、（b）、（c）是给定的提升机受力图。其中，（a）为静载荷力矩较大的情况； (b) 是静载荷力矩比较小的情况； (c) 是重物下降的情况。显然，由于吊装物料的重量不同，电机的拖曳力矩要求也不同，在一个吊装周期中，电机拖曳力矩的极性在不同阶段会发生变化。矿井提升机要求电动牵引系统能满足要求。四象限操作的条件。基于上述提升机的运行特点和矿山生产的固有特点，提升机控制系统的提升工艺要求如下：加（减速）速度符合国家有关安全生产规定。起吊物料时，加速度a 1. 2 m /s 2 ，不得超过提升机减速机内容的动态扭矩。最高速度符合返乡安全生产规定。立轴

29、提升物料时，提升容器的最大速度不得超过下式得出的值：( 2.2 )v最大提升速度，m/s； H起升高度，m。具有良好的调速性能。要求速度稳定，调速方便，调速范围大，能满足各种运行方式和提升阶段（加速、减速、恒速、爬行等） 。有更好的启动性能。电梯不同于其他机械，需要稳定运行。系统运行后无法添加材料。因此，它必须能够重载启动，并具有较高的过载能力。特性曲线应该是硬的。需要保证负载变化时起升速度基本不受影响，以免负载不同时负载下降过多，影响系统的正常运行（当然，当负载超过一定限度，还要求系统能有效保护自身。快速安全制动。停车，即具备挖掘机的机械特性） 。容易改变工作方式。需要能够轻松切换自动、半自

30、动、手动、巡绳、调绳等工作模式。采用新技术和节能设备，易于实现自动化控制，提高整个系统的工作效率。具有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，降低运营成本。2.3 矿井提升机调速控制方案分析为了使提升机调速控制系统达到良好的控制性能，不同类型的负载应根据具体要求选择不同的控制方案，而控制方式是决定提升机性能的关键。目前在实际生产中有很多应用。其中，有高精度和通用性能。种类繁多，价格也相差很大。因此，在选择调速系统时，应根据负载的特点和矿山的生产规模，做到经济实用。常用的控制方法主要有：转子回路串联电阻调速、模糊控制、直接转矩等。2.3.1传统转子环串电阻调速系统加速过程中，交

31、流接触器KM1、KM2、KM3、KM4逐步吸合，转子回路电阻依次减小，保证加速力矩平均值不变。如果起重机需要低速运行，则应在转子电路上连接一个较大的电阻。为解决减速段负力要求，通常采用动态制动方案，即切断定子侧高压电源，外加直流电压，或低频给定子绕组供电，使电机工作在发电状态。转子回路串联电阻调速的主电路结构如图2.3所示：图 2.3 转子电路串联电阻调速图2.3.2模糊控制调速系统在提升机的速度控制中，使用了二维输入变量，即误差和误差变化率。 PLC通过采样得到控制量的准确值，然后将该量与给定值进行比较，得到误差信号e和误差变化率。经过模糊推理，得到模糊控制量U，再经过去模糊处理得到控制信号

32、u，送到控制电路。与传统控制方法相比，模糊控制是一种具有宽工作包络线和广泛应用包络线的非线性控制方法，特别适用于非线性系统控制。但是，对信息进行简单的模糊处理会导致系统控制精度的降低和动态质量的恶化。如果要提高精度，就必须提高量化级别，这会导致规则搜索范围扩大，决策速度降低，甚至无法实时控制。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，在定子坐标系中直接计算和控制交流电机的转矩和磁链，采用定子磁场定向，借助离散的二点控制，直接控制交流电机的转矩和磁通。逆变器的开关状态得到优化控制，以获得高动态转矩状态。其控制效

33、果取决于转矩的实际情况，因此其控制结构简单，控制信号处理的物理概念清晰，系统转矩响应快，无超调。它是一种具有高静态和动态性能的交流调速器。控制方法。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变频调速系统变频器是利用功率半导体器件的通断功能，将工频电源转换为另一种频率的功率控制器件。我们现在使用的变频器主要采用AC-DC-AC方式。首先将工频交流电通过整流器转换为直流电，再将直流电转换为频率和电压可控的交流电供给电机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4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，输出为PWM波形，

34、中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率 陈立香。 HYPERLINK %20%20%20%20:/ o 变频和调压相结合的调速方法在煤矿提升机的应用 t _blank 变频调压相结合的调速方法在煤矿提升机中的应用 M HYPERLINK %20%20%20%20:/ t _NewReferJour 煤矿机电, HYPERLINK %20%20%20%20:/ t _NewReferJour 2005, (02)图 2.6 逆变器基本结构2.3.5矿井提升机调速系统的确定转子电路串联电阻的调速方式调速范围小，电阻串联后电机的机械特性变“软”，使电机在负载时产生较大的转速变化变化，即速度稳定性

35、差，调速效率低。信息简单的模糊控制调速处理会导致系统控制精度的降低和动态质量的恶化。如果要提高精度，就必须提高量化级别，这会导致规则搜索范围扩大，决策速度降低，甚至无法实时控制。直接转矩控制系统的转矩和磁链调节器使用磁滞比较器，会产生转矩脉动。电机运行一段时间后，电机温度升高，定子电阻阻值发生变化，使定子磁链发生变化。逆变器估计精度的降低也会导致电磁转矩脉动较大。同时，逆变器的低开关频率也会引起转矩脉动。变频调速控制系统功率因数大，供电容量小，可组成高性能控制系统。同时还可以实现大圆的高效连续调速，达到节能的效果。本设计结合煤矿生产的实际情况，分析提升机的工作过程和特点，对各种调速系统进行分析

36、比较，最终确定提升机系统的总体控制方案：变频调速控制系统。采用PLC和变频器相结合的控制方案对传统的电控系统进行改造。变频调速就是改变定子电源的频率，成功实现无级平滑调速，提高电机尺寸。电机的负载情况使电机始终处于最佳运行状态，能满足提升机特殊工作环境的要求，节电效果明显。采用PLC对起升系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。因此，本设计选用交流电机AC-AC变频调速系统。 AC-DC-AC变频器的工作原理是利用微电子器件、电力电子器件和控制技术，先将工频电源通过二极管整流成直流电源，再通过二极管将直流电源转换成频率可调的交流电源。电力电子设备。 颜广，王功华，李兆峰。 HYPERLINK

37、%20%20%20%20:/ o PLC在副井提升机信号与综合保护系统中的应用 t _blank PLC在副井提升机信号及综合保护系统中的应用J . HYPERLINK %20%20%20%20:/ t _NewReferJour 工矿自动化, HYPERLINK %20%20%20%20:/ t _NewReferJour 2002, (03)3. 提升机调速控制系统硬件设计矿井提升机也称为矿井提升机。作为矿山与矿山之间唯一的输送通道，提升机成为矿山的关键设备之一，成为矿山的咽喉。矿井提升机的运行性能不仅直接影响矿山的正常生产和产品质量，而且与设备和人身安全密切相关。矿井提升机工艺流程图如图

38、3.1所示：图 3.1 流程图根据矿山实际情况，矿井提升机的最大提升高度约为480m。根据公式2.2，最大提升速度为7.9m/s。为安全起见，最大提升速度为7m/s。矿井提升机系统框图主要包括主电机、动态制动电源、PLC、旋转编码器、换向器和操作台。系统框图如下：图 3.2 系统框图主电机：为箕斗的升降提供机械力。根据实际需要，选用额定电压、额定电流输出功率、电机效率、功率因数、额定转速的三相鼠笼式异步交流电动机。变频器：是电站的供能单元，通过它可以将输入的工频电能转换成频率可调的电能供给交流电动机，达到控制交流电动机转速的目的。操作台：操作台上有五个按钮，分别用于变频器的启动、停止和复位，以

39、及箕斗的升降控制。它是整个矿井提升运输系统的控制核心。通过它可以设置系统的工作模式和控制方式，发出系统的各种控制指令，实现卷扬机的启动、加速、平稳运行、减速、停车等。紧急制动等多种控制功能。旋转编码器：旋转编码器可以检测主电机的转速并将该信号传送给变频器。变频器可以通过该信号计算出提升机的速度是否满足要求，并判断是否进行补偿。换向器：当变频器输出频率达到工频时，换向器接通，主电机直接接入工频电源，达到节能目的。3.1 提升机变频控制部分的设计3.1.1逆变器简介变频调速系统的主要设备是提供变频电源的变频器。变频器是利用功率半导体器件的通断功能，将工频电源转换为另一种频率的功率控制器件。 /过压

40、/过载保护等功能。变频器是为异步电动机提供调压和调频电源的电源转换部分。变频器主要由整流器、平滑电路、逆变器和控制电路组成。电路吸收变流器和逆变器产生的电压脉动，逆变器将直流电转换为运行所需的交流电。控制电路是向主电路提供控制信号的电路，主电路为异步电动机供电（电压和频率可调）。具有频率电压的“运算电路”、主电路的“电压电流检测电路”、电机的“转速检测电路”、放大运算控制信号的“驱动电路”电路与逆变器连接。以及电机的“保护电路”。交流电动机的变频调速控制技术大致经历了以下几个发展阶段：U/F=C的正弦脉冲宽度调制(SPWM)控制模式其特点是控制电路结构简单、成本低、机械性能和硬度好，能满足一般

41、变速器的平稳调速要求，已广泛应用于工业的各个领域。但在低频时，由于输出电压低，转矩受到定子电阻压降的显着影响，降低了最大输出转矩。另外，它的机械特性毕竟不如直流电机硬，动态转矩能力和静态调速性能都不尽如人意，而且系统性能不高，控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电机转动。转矩利用率不高，由于定子电阻的存在和变频器在低速时的死区效应，性能下降，稳定性变差。电压空间矢量（SVPWM）控制方式它是以三相波形整体产生效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目标，一次产生一个三相调制波形，并控制在切线多边形和近似圆的方式。经过实际使用，进行了改进，即引入频率补偿可以消除速度控制的误差；

42、通过反馈估计磁链的幅值，以消除低速时定子电阻的影响；输出电压和电流是闭环的，以提高动态精度和性能。稳定。但控制电路较多，没有引入转矩调节，因此系统性能并没有得到根本性的提高。矢量控制（VC）方法矢量控制变频调速的方法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流-相变，然后根据转子磁场定向。旋转变换相当于同步旋转坐标系中的直流电流， （相当于直流电机的励磁电流；相当于与转矩成正比的电枢电流） ，然后模仿直流电机的控制方法得到控制量，通过相应的坐标逆变换，实现对异步电动机的控制。其本质是交流电机相当于直流电机，速度和磁场两个分量是独立控制的。通过控制转子磁链，再对定子电流进行分解，得到转矩和磁场两个分量

43、，通过坐标变换，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。但在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电机参数影响较大，等效直流电机控制过程中使用的矢量旋转变换复杂，使得实际控制效果难以达到理想的分析。结果。直接转矩控制(DTC)方法1985年，德国鲁尔大学DePenbrock教授首先提出直接转矩控制变频技术。该技术在很大程度上解决了矢量控制的上述不足，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的发展。目前，该技术已成功应用于电力机车牵引的大功率交流传动。直接转矩控制直接分析定子坐标系中交流电机的数学模型，控制电机的磁链和转矩。它不需要将交流电机等效

44、为直流电机，从而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模拟直流电机的控制，也不需要为了去耦而简化交流电机的数学模型。矩阵交换-交换控制模式矩阵式交流-交流变频省去了中间直流环节，从而省去了笨重昂贵的电解电容。可实现1 的功率因数，输入电流为正弦波，可工作于四象限，系统功率密度大。尽管该技术尚未成熟，但仍吸引着众多学者深入研究。其本质不是间接控制电流、磁链等，而是直接实现转矩作为控制量。3.1.2变频调速的基本原理从机电的基本公式：(3.1)式中，电机定子绕组的极对数p是恒定的，通过改变电源的频率f可以改变电机的同步转速。异步电动机的实际转速总是低于同步转速，并随同步转速而变化。当工频增加

45、时，同步转速n 0也随之增加，实际转速也随之增加；当电源频率降低时，同步转速n 0也随之降低，电机转速也随之降低。这种通过改变电源频率实现的调速过程称为变频调速。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：V/F控制V/F控制是交流电机最简单的控制方法。通过在控制过程中保持V/F恒定，转子磁通量保持恒定。但V/F控制是一种开环控制方式，速度动态特性差，电机转矩利用率低。控制参数（如加速/减速等）需要根据不同的负载进行调整，特别是由于定子电阻和变频器等器件在低速时存在开关延迟，系统可能会变得不稳定。这种控制方式多用于调速精度不高的地方

46、。转差频率控制转差频率控制是检测异步电动机的转速，对转差频率采用闭环控制。与V/F控制相比，调速精度更高，系统易于稳定，即可以在较宽的调速范围内控制电机。扭矩、功率因数和效率被控制在最佳状态。但采用这种方法的电机调速系统只能在单机上运行，转差频率控制无法实现电机瞬时转矩的闭环控制。适用于对响应速度要求不高的系统。矢量控制矢量控制是一种基于转子磁链方向的控制方法，通过一系列坐标变换，实现电机定子电流转矩分量和磁通分量的解耦。感应电动机作为控制对象可视为一种控制方式。直流电机用于控制瞬时转矩。目前在实践中多采用转差频率矢量控制，因为它没有实现对直流磁通的闭环控制，也不需要检测磁通，所以很容易实现。

47、但是，其控制器的设计在一定程度上取决于电机的参数。为了降低控制对电机参数的敏感度，提出了多种参数辨识、参数补偿和参数自适应方案，均收到了较好的效果。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，它克服了坐标变换和解耦运算的复杂性，直接控制转矩，通过转矩误差和磁通误差按照一定的原理控制转矩。选择逆变器的开关状态，控制施加在定子端子上的三相电压，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直接关注转矩控制，转子参数的变化表现为状态扰动而非参数扰动。 DTC方法比矢量控制方法具有更高的鲁棒性。但是， DTC也有它的缺点。最大的困难是低速性能不理想。矿井提升机需要有良好的

48、调速性能。要求速度平稳，调速方便，调速圈大。因此在变频器控制方式的选择上选择V/F控制。当变频器采用V/F控制方式时，结构非常简单，对电机参数的依赖不大，可以满足提升机的各个运行阶段。3.1.3起重变频器的选择一台变频器驱动一台电机时，变频器必须同时满足以下三个要求。为满足负载输出要求，确定如下：(3.2)为满足电机容量的要求，确定如下：( 3.3 )为满足电机的电流要求，另外矿用提升机属于频繁启动、加减速运行，变频器容量的选择要根据加速、恒速等各种运行状态下的电流值来确定, 和减速, 如下:( 3.4 )在哪里：逆变器容量（kVA）；：负载所需的电机轴输出功率（kW）；：电机额定电压（V）；

49、：电机额定电流（A）；：电机效率（通常约为 0.85）；：电机功率因数（通常为0.75左右）；：电流波形补偿系数（PWM控制模式下，取1.05-1.1）；：变频器额定输出电流（ A ）；：各工作状态下的平均电流（ A ）；：每个运行状态的时间；1.2频繁运行时， 1.1其他情况下） 。考虑到矿用电机的性能差异和机械负载的波动，变频器容量为电机容量的1.4倍。根据系统的电机功率，选用容量在150kW以上的逆变器。本调速控制系统变频器选用德国西门子公司生产的MM440 （ MICROMASTER MM440）通用变频器，可控制0.12-90kW或90-250kW的电机。3.1.4调试逆变器参数复位

50、是将变频器参数恢复到出厂状态下的默认值的操作。一般在变频器出厂时，参数混淆，恢复出厂设置时执行此操作：表 3.1 恢复出厂默认参数设置参数名称参数号设置参数用户参数访问级别P00031用于调试的参数过滤器P001030重置为出厂设置P09701在本控制系统中，变频器采用该操作面板（ BOP ）进行调试。防喷器有5位七段显示器，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不能存储参数信息 MICROMASTER 440 逆变器 0.12 kW - 200 kW 使用手册表 3.2 防喷器参数设置参数名称参数号设置参数选择命令源P0 7001在变频调速系统中，加速（

51、减速）过程是通过逐渐增加（减少）频率来实现的。如果要使加速（减速）过程保持稳定而不会出现过大电流，则必须控制同步转速与转子转速之间的滑差，使其保持在一定范围内。如果频率上升（下降）过快，由于惯性，电机的转子速度跟不上同步速度的上升，使转差过大，导致加速电流超过内容值，并可能发生过电流。可选择的加速（减速）功能通常从两个方面考虑：加速（减速）时间和加速（减速）方法。加快（减慢）时间。加速（减速）时间是从 0Hz 变为基频的时间。时间越短，频率变化越快，越容易过流。加速（减速）法。有三种加速（减速）方式：直线、S形和半S形。如图 3.3 所示：图 3.3 加速（减速）模式线性模式：在加速（减速）过

52、程中，频率-时间呈线性关系，如图3.3曲线1所示。S型模式：加速（减速）过程在开始和结束阶段缓慢，中间阶段加速（减速）呈线性，加速（减速） down) 呈 S 形，如图 3.3 中曲线 2 所示。半S型法：加速（减速）过程开始缓慢，加速（减速）在中间和结束阶段呈线性，加速（减速） down)过程呈半S形，如图3.3中的曲线3所示。由于葫芦是大惯量负载，启动时负载转矩大，所需电机输出转矩大，故选用半S型方式。根据变频器的各种参数进行设置。取加速度，达到最大速度需要7s ，即根据矿井提升机的安全规定，提升机的爬行速度设置为0.2m/s，加速方向不变。如果方向相反，从最大速度减速到爬行速度需要时间。

53、 6.8s ，即；设置爬行时间、停车时间；最后根据计算得到上升时间。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参数访问级别P00033用于调试的参数过滤器P00101参数过滤器P00040在欧洲/北美有售P01000变频器应用领域P02051电机类型P03001电机额定电压P0304380电机额定电流P0305380电机额定功率P030790电机额定功率因数P03080.75电机额定效率P03090.85电机额定频率P031050电机额定转速P03111410选择频率参考源P10003最小频率P10800最大频率P108250加速时间P11207减速时间

54、P11216.8控制方法P13003选择扭矩设定值P15000选择是否自动确定电机数据P19100结束快速调试P39003PLC输出的脉冲信号控制变频器的输出频率，实现电机调速控制。本系统调速采用PLC+脉冲编码器脉冲技术模块与变频器配合，通过PLC输出脉冲信号控制变频器的启停。此时，根据变频器参数的设置，输出变频器的输出频率。为稳定变频调速，保证提升机正常运行，增加了光电编码器模块，组成PG闭环控制系统，使变频器输出更可靠。在矿机提升机运行过程中的爬行时间段内，由于箕斗受力情况不同，为了达到相同的安全爬行速度，在上升和下降时以不同的稳定频率运行，即2-逆变器的级固定频率。控制。其设置参数如下

55、表所示：表 3.4 2 段定频控制参数设置固定频率6个端口5个端口参数号频率/赫兹转速/(r/min)101P100110280210P1002205603.2 起升系统逆变器外电路设计变频器可以输出频率可调的交流电。此外，变频器外围有声光报警输出及制动单元，可实现变频器故障报警和安全制动，更有效地保护控制系统。外部接线图如图3.4所示：图 3.4 葫芦系统变频器外部接线图3.2.1提升机调速系统声光报警电路变频报警输出“RL1-AC”的动断（常闭）触电与KM1的线圈电路串联。当逆变器因故障不能正常工作时，发出报警；同时，报警输出的常闭触电会使KM1线圈断电。 ，断开逆变器与电源的安全保护。为

56、了保护报警输出的触电，在接触器线圈的两端并联了一个阻容吸收电路（即RC振荡电路）。声光报警电路由报警输出的动态闭合（常开）触点“RL1-AB”控制。变频跳闸时，触点“RL1-AB”闭合，报警指示灯HL与电笛HA接通，发声。灯光报警。同时，断路器KA1得点，其触点锁定声光报警电路，使逆变器断电后，声光报警可以继续，直到工作人员按下SB，报警才解除。 .此外，继电器线圈和电笛线圈的两端还需要并联阻容吸收电路来保护逆变器的报警继电器触点 J Cren, CMLiao. J Cren, CMLiao.伺服气动马达调速性能研究及其在气动工具中的应用M.国际先进制造技术杂志,2004,(8)p572-57

57、63.2.2提升机调速系统制动控制电路由于起重负载的惯性大，当变频器的输出频率下降到0Hz时，往往不能停止，出现“爬行”（也叫爬行）现象。会产生非常危险的后果。为此，变频器在调速时应设置动态制动和直流制动功能 谭博，李彦林，谭冠正。 HYPERLINK %20%20%20%20:/%20%20%20%20cnki%20%20%20% t _blank 变频调速在矿井提升机中的应用J .电气工业。 2005-04, 57-58在变频调速系统中，电机的减速和停机是通过逐渐降低频率来实现的。此时，在电机频率刚刚降低的瞬间，电机的同步转速下降，电机的转子转速不会因惯性而发生变化。当同步转速低于转子转速

58、时，转子电流相位会发生180变化，电机处于发电状态。同时，电机轴上的力矩变成制动力矩，使电机的转速迅速下降。从电机的角度来看，它处于再生制动状态。在变频调速系统工作状态下，电机再生的电能经逆变管反并联的续流二极管全波整流后回馈给直流电路。由于直流电路的电能无法返回电网，虽然电路的各个部分仍然在消耗电能，但是电容上仍然有短暂的电荷积累，形成“泵浦电压”，这增加了直流电压。过高的直流电压会损坏设备的所有部件。因此，当直流电压超过一定值时，需要提供放电电路来消耗再生电能。因此，从变频调速系统的角度来看，减速系统在降速时减少的动能，经过电动机“再生”电能后，消耗在变频器的直流电路中。 .归根结底，制动

59、力矩是通过消耗能量获得的，属于能量消耗制动状态。用于消耗电机再生电能的电路为能耗制动电路。动态制动电路的组成能耗制动电路结构如图3.5所示：图3.5能耗制动和制动单元电路它是一种制动电阻，用于将电机的再生电能转化为热能并消耗掉。选择方法如下：一般情况下，电阻值应足够大，使制动电流不超过变频器的额定电流。一般来说，确定如下是合适的：(3.5)因此(3.6)由于短期工作条件，标称功率可以比长期上电消耗的功率小很多。BV是制动单元。制动单元BV的作用是：当直流电路的电压超过规定限值时，耗能电路导通，使直流电路通过释放能量。功率管用于开启和关闭能耗电路，是制动单元的主体。常见的器件是GTR或IGBT

60、。参数选择方法如下：电源电压为380V时可选择击穿电压；最大集电极电流根据正常电压下流过的电流的两倍选择，由下式确定：( 3.7 )直流制动单元电机和逆变器切断后，直流电流通过绕组，定子磁场是静止的。此时转子绕组切断磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反，称为制动转矩。由于转子绕组以较高的速度切割磁力线，因此产生的制动扭矩相对较大，可以缩短停机时间。直流制动强度是预先设定的直流电压或直流电流施加在定子绕组上的大小，决定了直流制动的强度，如下图所示：图 3.6 直流制动电压频率与时间关系预设直流制动电压（或制动电流）是负载的惯量。惯性越大，直流制动强度越大。在正常情况下，直流电压不应超过50