卷扬机调速系统设计

--专业资料-电力电子与电机拖动综合课程设计题目：卷扬机调速系统设计所在院系：机械电子工程各学院专业： 11自动化（1）班学号： 2011103201XX姓名：林XXX完成日期： 2014-06-16指导教师：万军景德镇陶瓷学院

电力电子与电机拖动综合课程设计任务书 _=班级指导老师设计课题：卷扬机调速系统设计设计任务与要求基本要求：.控制对象:三相异步电动机，电源:三相交流电源380v.功率:40卜亚.调速范围:5:1.稳态精度:3%---8%.正反转控制:人工手动控制正反转，注重安全设计步骤1、查阅相关资料；2、总体方案设计与论证；3、单元电路的设计；4、元器件选择与参数计算；5、绘制原理图（A4号图纸，计算机绘图）；6、撰写设计说明书（44号纸打印），字数不少于3000。参考文就[1]电力电子技术西安交通大学王兆安黄俊主编第4版2000.1[2]电机拖动基础许建国主编2004.8[3]工厂电气控制技术方承远张振国第3版2006.7[4]电动机变频调速图解张燕宾李鹤轩2003[5]上海电机(集团)公司南洋电机厂.技术手册0,2000.作者简介:富巍(1963-),男，黑龙江齐齐哈尔人,淮海工学院电子工程系副教授，硕士，主要研究方向为计算机控制技术。[6]电动机控制黄立培主编-：清华大学出版社，2003教研室主任签字：年月日目录摘要………………………4卷扬机的基本结构和工作特点…………4交流电动机的调速传动…………………4控制系统原理分析 6主电路杭干扰措施………8变频器的调速控制………11结论………………………14参考文献…………………14-专业资料---专业资料-摘要“卷扬机变频操控系统”是专门针对金矿竖井作业中罐笼升降而设计开发的拖动控制系统。该系统主要用于卷扬机电机的拖动调速，充分考虑了低速力矩、空停制动和安全保护等问题，可以取消原交流绕线电动机，电机碳刷和滑环不再存在，取消原用于调速的接触器及大功率电阻排。彻底杜绝了原调速系统维修成本高、维护工作量大、能耗高、调速性差的缺陷。本文给出了一种基于矢量控制的异步电机变频调速系统实现方案。变频调速的主电路设计是带有特殊性的电力电路设计，既要遵守电力设计的一般规律，也要考虑变频调速系统的特殊情况，同时针对制目的选择变频器，通过控制端子实现的控制系统功能，正确设置命令和频率源等参数，采用PLC控制保证调速控制精度，考虑控制电路的抗干扰措施，对硬、软件进行了优化设计，从而保证了系统控制的实时性和安全性。关键词:上料卷扬机；PLC变频器；变频调速卷扬机的基本结构和工作特点:卷扬机(又叫绞车/电葫芦)是由人力或机械动力驱动卷筒、卷绕绳索来完成牵引工作的装置。可以垂直提升、水平或倾斜拽引重物。现在基本上都是电动葫芦，电动卷扬机是由电动机、传动机构和卷筒或链轮组成，分钢丝绳电动葫芦和环链电动葫芦两种。工作特点:其工作特点是： (1)能够频繁起动、制动、停车、反向，转速平稳，过渡时间短;(2)能按照一定的速度图运行;(3)能够广泛地调速，调速范围一般为0.5~3.5m/s,目前料车最大线速度可达3.8m/s。(4)系统可靠工作。在进入曲轨段及离开料坑时不能有冲击，确保终点位置准确停车。5.对拖动系统的要求.交流电动机的调速传动调速传动的运动方程调速传动系统中旋转运动时，其旋转运动方程为(1.1;式中T一驱动转矩（卡印）;Tz—负载转矩，即阻转矩（（卡川）；Jd3/dt一惯性转矩伸印）;3—电动机的角速度（rad/s）;J一折算到电动机轴上的总转动惯量（kg,印′），由式（（1-2）表示式中6—旋转部分的重量（（N）;D—惯性体直径⑺）；^=2^/60 （1,3）将式［：2）和式（L3玳久式口.则有印调速传动系统中旋转运动时，工作状态可由运动方程式口用表示.①当T=q.m由=0,拖动系统处于静止或等速运动状态，电气传动系统处于稳定运转状态邪稳定状态,②兰丁>■弓，赤!，主入口；传动奈统处二加速状态，加处二过渡过程（也叫动态过程）.③三T，；QH明成<0,传动系统处二减速状态，即处二过渡过程,三运动方程式可知•传动系统可能处一和冲运转状态，町稳态和动态,三传动系统由一个稳定运转状态变化到另一个稳定运转状态时,需爰一个变化过程｝这个过程称为过渡过程,在过渡过程二的转速、转矩和电流言按一定的规律变化，将式（1-1）中的角速度。（rad/s）变为速度口（「/印⑺表示2控制系统原理分析2.1异步电动机调速方法按照交痂异步电机的原理，从定于传入转子的电磁功率可分成两部分:一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率;另一部分是传输给转子电路的转差功率；与转差率s成正比:三用异步电切机转速公式为:(2,1?“=倦(2,1?三式Q」）口工，改变供电频率五、电动机的磁极对数P及接差率:均区达到改变拷速的目的.因此，常见的交流调速方法有：①降电压调速；②转差离合器调速；⑧转子串电回调速！④麒电机串级调速或双馈电机调速；⑤变极对数调速！⑥变压变频调速等等二从能量转换的角度上看转差功率是否增大，是消耗掉还是得到叵枚，是评价调速系统效率高低的标志.从这点三发可以把异步电机的调速系统分成三类，：.转差功率消耗型消速系统:这种类型的全部转差左率都转换成热能消差在瞄子回路中，上进的弟①、②、国三科调速方法都属于这一关。在三类异毋电机调速系航中，这类条统的效军最而且越到低速时落军越低，它是以埴加转爰婢的带耗来视取转速的阐氐的（恒触负莪时卜可是这我枭统结和简单，设备成本最低，所吠还有一定的应用价值。2,转差功率流送型调速系统:在这类系统士-除转于铜损外.7；部分转差功率左转子侧道过变流装置馈3或馈入转速越低，能馈送的功率越多，二述第④种调速方法属于这一类:无论是溃曰还是送人的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后♦.最终都转化成育用的币率，因此这类系统的效率较高，也要南加一些设备,3.转差功率不变型调速系统:在这类系统中，转差功率只有转子铜损।而且无论转速高低，转差功率基本K变，因此效率更高，上述的第⑤、⑥两宗折胃速方法属二此类二其士变极对数调速是有级的.应用场合有限,只有变压变频谒速应月最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速!已在定子电路口须配备与电动机容置相当的变压变频器j相比之下，设备成本最高.和控制特性要求。3控制系统设计卷扬机施动系统要求

料车卷扬机是典型的摩擦性负载：如图3,1科车在科坑段起动时,负载最大，%以6r计算，/以5。0计算.刍右料车满汽从斜桥底部提升时，钢绳的拉力为：7,siif6=5r6.8 ⑶3)这时史料车空载从斜矫顶部下放，钢绳的拉力为：卷扬机电动机运行状态分析(3.4I(3.5)2xs】n36 k.(3.4I(3.5)卷蓿的静力矩为：_ _d 1.2.T；—Fx--(6.8-1.53)x.—=3.1•jkn 7图33料车机械传处示套图折算到卷场机电动机轴二的负载转矩：Tl:Tl=29,77:1 仁⑨/=-^>:1。。0二10615超•也 (3.7)29~~呈右料车等载上厂？t二动机的二磁转是要克服负强转矩才能耕，起动时逐要克服一定的危摩擦力矩，电动机的电磁转矩的音向与旋转方向用同，故电动机处二电动状态j二作于第一象限,三左科半节载上升时.与动机的三磁转正仍要克服同样的负载转能才能提升.电动机的二磁转矩的方向与旋转方向相同，只K过二动机旋转方向反不,所以电动机处二反向电动状态，二作二第三象限二3.2变频调速系统主电路设计这里所说的主电路，是指以传递功率为主要任务的电气回路。在变频调速系统中，主电路大致可以分为三个基本部分:电源输入、输出到电动机电路、制动电路。.保护功能设计变频器本身具备比较完善的保护功能.数字式控制的现代变频器尤其加此;在多数情况下变酸器能够对自身及电动机实现有效的各科电气保护,在外部电路上的保护措施主要以后备短路保护和防止绝缘检测损坏变频器的隔离措施为主E输入输出电路主体功能设计在主电路设置后各通路保护的目的有两个:一个是对二逆变器后段短路提供后各保护功能，以免逆变器的瞬间电流保护失效时事故扩大导致严重损失,在直流回路上滤波电容和逆变器之间，常常装设有快速熔断器，这个熔断器也具有对送变器及以后部分的保护能力。另外一个目的是对逆变器前段包括直流母线部分以及整流器前段的短路提供保护..这部分电路发三理路时，变频患内没有切断国路自流的措施,可以用自动空气断路器或者快速熔断器实现，因此，自动空•气断路器和快速熔断器在作为后段的后备短路保护元件方面作用是差不多的J都不能有效保护逆变器，只能够在逆变器自身保护失效时防止故障扩大,两者的主要差别是短路发生在直流中间环节位置时，自动空气断路器不能对整流器实现有效保护快速熔断器却有可能实现有效保护，对于变频器结构，直流中间环节在变频器内部,在这个位置发生短路的概率很低」因此断路器保护和快速熔断器保护在实际效果上差别不大，由二采用自动空气断路器时主电路接线和故障的恢复操作都很简单,因此选择自动空气断路器作为短路保护元件口作为电力电子设吝.变频器不能用常规方式进行维绫检测.当电动机或者输出电缆需要进行绝缘检测时，应断开变频器与输出电缆的连接C在变频器的输出侧设置一个隔离开关会使断开连接的操作'比较方便。输入输己侧的隔离开关、熔断骂隔离开关或者负荷开关按照额定电流不「二变频器部定电流的1?倍选择即可;自动空气断路器本体按照颔定电流不小二变频话额定电流0?1.1倍选择.其埴普脱口器〔电磁脱扫器或考电子脱扣瑞）专流按照开关的领定电流的3倍以上整定后二可.其过教脱打器电流按照开关的额定电流:快速溶断器燧体差设按照变频器徉本推荐型号规格选择：.电源控制及切换?能设计电源控制指的是系统输入电路的开关控制方式和器件配置：变频身输入则接通电源到运行指令发出，应该有一段时间间隔=如果在需要起动时刁,合上输入电源，则实际起动动作会延后，系统动作反应速度降低。所以।在系统准备运行前变频案就应该供电.中途短时停车时，电源也不必切断：在较长时间不运行时，是否要切断电源则由使用者习惯决定,若亘点考虑防潮因素，则以长期带电方式为好，若想延长风机使用寿命，则较长时间不运行时二切断电源;3.2.2主电路杭干扰措施变频调速系统本身既是一个很据的干扰源，同时变频弱也是对干扰敏感的电m设各w此-抗干扰措施的设计■对二交频词速系统的设计是一个宣票的课题.1.二扰的类型及危言变频词速系统的对夕阡扰三票在两个有足够功率流动生兰电路产巨.”变频器的前入电路，变频器到电动机的输三电路.(1)笥入电普的二扰输入电路产五的二扰主要有两方面:冲三干扰和谐波干扰I输入电路冲三干扰：为了提高系统的动态响应，息是希望系统存快速的转矩提升速变.这意味着变频器输白电流也有快谑的变化率，高性能调速系统尤其沮显。这个电流变化经过宜流电路缓冲亏也会反映到输入电路=去.输入电路是与圭悯相连的：冲壬电流进入电网后，一方面会引起局部电网电压的瞬时波动，另一方面会在感性负载上产生浪涌电压-形成干扰■:输入电路冲击二扰三要后音连接在同一局部电网上有较高输入阻抗的设结-例如，变频词速系统自身的控制电源等二323靛耗制动电珞设计再生发电制动运行的制动电路设计有两个主要原则要遵守:系统自身是安全的，即制动部分不能对系统的其他部分构成伤言，这一点对制动电流加以限制;制动能力应该是三修的，能尊满足七W希要..尤其是位能负载的情沅，若制动能力不足，可能危等三行本身的安全.这一点又要求平均制动电流必须要满足制动功率的要求.系统W身的安刍和系统运行的安刍-两者穴口偏废，要树立合适的方式才是最安生的方式■=32.4主电路设计方案变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定二电流参数，因此..直接按照变频器标称功率位才选择在卖度口巨常可能行不迫：恨捱具I体二作的情况，可以有以下二种不同的变频器规格选择方式.二核照标称功率选择.技照电勃机就定功率选择.拓照电动机实际怎吁的电流选择4,拓照转史过蒙能力选挎对二客数的恒转电负蒙可以按式3-15选择变领瑞

（3.15）式二%一一麦颉器额定电流：L——自动机熊定三流；段——电流相量系数，一般可取LM--LLK一般恃况方可取小值.左电动机持会负载率超过8096时则应该取大隹，因为多数变臧素的额定电流都是以持续负载率k超过£0%来确定的:另外起动停止频繁的时候也应诿考虐.取大隹%篓数情况下按照式3-15计算的结果，变频器的功率与电动机功率都是匹配的不需要放大，因此，根据电动机容隹及额定电汽的要求选择变频器为FR-A-40-SSK-CHT选三三菱变频器FR-A740系列变抵衰.，选栏变频器容量为55kN,其颔定信如表3.1所示，表3.1变频器设定值型号FR—A740-IZIZlK—CHT55KW适用电机容量（KW） ER-A740-55K-CHTSLD 建口（110%6缶」20%0d反时限特性）周围温度+OC°）LD 144（120%60s』50%m反时「储恃性）周围温度5OC0）输出 额定电流（A）ND：1W150%60s300%isf反时限特性〕周围温度50co）HD 日6（200%605工50%到反时限特性:周圜盐度5clec'）电压 3相380-18DV3柏兆3柏兆07S0V5cH引60Hz32人528V50Hr'60Hz±5%开放型强制风冷37允许频率披动范围保护结构冷却方式榜»皿）特点.用座通矢量控制技术.在无速度传感器的开环控制下,词速范围为1:124采用速度传感器的闭环控制下，调速范围为低速旋转时转矩均匀二.用!SoRPWM原理和智能功率模块［TPM）」使变频器输出波形更好，噪声更低，抗干扰性能更居.3.3.1变频器的调速控制变频器控制端于包括四类必要的外部信专亲系内容:模拟量的输入和输出以及开关量的输入和输出;开关量输入和模拟量输入的主要作用，是对变频调速系统的运行及词速实现外部控制。所谓运干挖制指的是系^的起动,、停止控制以及运行方向的控制..也就是二隼人员或控制设备向调速系统发出指令的方式,变粉调速系统的运行控制一般有三种类型的指令来源:在变频器的数字式人机界面上麋作;在操作台等缀隹地点操作;或者由PLC-类控制设备进行自动控制。三二生产二艺的要求，离统需要在不同的转速下运行，三菱变频器在基本功能下的多段速设定参数为Pr人高速），丹乂口速）、自助低速〕.、Pr24〔速度4｝出2乂速度5〕，Pr关〔速度②Pr27（速度7）,Pr232』上39等妻达15种速度；三以日PLC进行程序控制。图S12变频器接线图333电气拉利电路实现卷扬卫动图S12变频器接线图333电气拉利电路实现卷扬卫动机的三反转由变频器51KSTR来控制，用RHRM来控制科车的运行频军即转速,上升斜率的变化有RT来控制=其参数设置见表3,31.变频器控制线路变撅墓接竣见图3.12=图=KA1为五料车二行.售专KA2为右料车上二亍言号K且5为高速运行信号1KA6为箕速运行专号:KA4为第二斜率上,十后亏表工3变频器畚薮设亘P450P42.：1.1P514.1P-43：1.1P712.8P4-5.8P85.5P79--P9110P7]5P1014.1PS055PU1.7PS16P£9100%2.PLC硬件运构灵频器的起动、停止控制以及运行方向的控制均来自PLC输二信号进行捶司，系疏控制需妾输入点16个，输出点7个，因此选二工公司的W-加OCPU22K系列产品:CPU226馍块.其U0息数为4。点，其二输入点M点.输匚点16点:可带7个始展模块一用户程序容量为66K字匚内置高速计数器，具有HD控制器的功能。有2个高速脓冲输£端和1个RS4若逍信1具有PPI博议、MPI通信悔议和自由方式通信能力：士吁速度快、二二能强，亘用，要求较商的二,卜型拦司系统.一人一人空中年［七中中中小KA6KASKA4 KA3KA2KAIKA诉卡齐卷装卬杆2M1151M114n3312H1H0107106104in40310.010.201??4* 006叫5叫父［呼卑Q(pQ?2Q