矿井提升机变频调速控制系统研究

目录第1章 绪论1.1国内外矿井提升机发展现状.31.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状.31.1.2国外提升机电气控制系统的现状. .31.2课题研究的目的和意义.41.3本论文承担的任务.51.4小结.6第2章 矿井提升机调速控制系统分析2.1引言.62.2提升机工作原理及机械结构.62.3提升机调速控制方式及调速性能分析.72.3.1提升机直流调速性能分析.72.3.2提升机交流调速性能分析.82.4提升机调速控制方案分析.92.4.1传统转子回路串电阻调速系统.102.4.2模糊控制调速系统.112.4.3直接转矩控制系统.122.4.4矢量控制变频调速系统2.5小结.13第3章 提升机调速控制系统硬件实现3.1引言.143.2提升机电控系统总体结构.143.3提升机电控系统变频器选择.153.4变频控制部分设计.163.4.1变频调速主系统设计.163.4.2变频器外部电路设计.183.5 PLC控制部分设计. 213.5.1基本控制功能.213.5.2位置检测电路.233.6硬件调速控制系统保护措施.253.7小结.28第4章 提升机调速控制系统软件实现4.1引言.284.2矿井提升机中S型速度曲线建模及实现.284.2.1速度曲线的选择及给定方法.284.2.2提升机理想S形速度曲线数学模型.304.2.3理想速度曲线的实现.334.3调速控制系统软件流程.354.4小结.37第5章 全文总结参考文献.39第1章 绪论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。下面就国内外矿井提升机电控系统情况作一介绍。1.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状在煤矿生产中，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，矿井提升我国机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拖动加制动的方式来完成减速、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，仍存在调试困难、维护量大的问题。传统交流电控系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。1986年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有所改善。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，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的合作，采取引进、消化吸收、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。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，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。目前，国外己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，监视显示易于实现，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，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2cm。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，可计算出容器准确的位置而施以控制和保护。在箕斗提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。如SIEMENS,ABB,AEG等公司己采用32位微机来构成行程给定器。除此之外还提供性能不尽相同的机械行程控制器。一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。（3）提升过程监视由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：a、提升过程中各工况参数(如速度、电流)监视；b、各主要设备运行状态监视；c、各传感器(如井筒同步校正开关、停车开关)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、保留或打印输出。甚至与上位机联网，应用于矿井监测系统中。(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，现在大多公司都采用两台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准确地实施安全制动。（5）全数字化系统调速控制德国AEG公司的Logidyn D(32位机)、西门子公司的Siemadyn D(16位机)以及ABB公司的DCR(16位机)系统都己应用于提升机上。全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整方便、可方便地与上位机联网等优点。当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。1.2课题研究的目的和意义矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。提升机的安全、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、惯性质量大、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，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同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，延长提升机械的使用寿命。随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升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。目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：对于大型矿井提升机，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一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转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。将变频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，交一直一交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果10。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。本文介绍变频器在提升机调速控制系统中的应用。1.3本论文承担的任务本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。本论文的研究目标是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿山实际生产中，对现有的提升机电控系统进行改造设计，提高精度，在更安全的范围内保证矿山生产的顺利进行。设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。尤其在软件中采用提升机电控系统中断模块及故障处理模块，使超速报警更加科学合理。为了更直观的显示提升机的工作状态及故障来源，增加了提升机监视控制系统，通过显示器对整个提升系统进行监控。本论文承担的主要任务如下：1提升机电控系统主电路部分结合煤矿生产实际情况，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。并采取一些提高系统安全运行和抗干扰能力的措施。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及控制程序编程语言。提升机系统是一个对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的故障诊断处理内容，在出现故障时应能及时报警或停车。3提升机速度给定方式分析由于矿山生产过程中，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，提升速度也应能及时进行控制；如不做相应的处理和调整，系统将在较小的范围内产生极大的累计误差，导致系统的巨大波动，造成过载或松绳等，甚至导致矿车脱轨或过卷等重大事故，而造成巨大的损失。所以要寻求一种控制方法来提高控制精度。在实际中经常采用的转子串电阻调速因其为有级调速，调速不连续，且对电网冲击大。所以寻求一种理想的速度给定方式极为重要，以求能够提高电控系统控制性能，改善控制品质。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监视，使提升安全状况有所改善。为了保证其安全生产，在系统设计上应采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施。安全回路应具有双重冗余功能。1.4小结本章详细介绍了当前国内外提升机调速控制系统的研究现状与应用情况，阐述了本课题研究的目的意义。在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为：提升机电控系统主电路设计部分、控制系统软件设计部分、提升机速度给定方式分析、保护及抗干扰措施。在完成以上设计内容时，此调速控制系统才能成为一个有机的整体，才能安全可靠的工作，并达到预期的控制效果。第2章 矿井提升机调速控制系统分析2.1引言目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器交流接触器控制。这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确；提升机频繁的起动调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗，节能较差；这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。鉴于此有必要对提升机的控制方式及调速性能做进一步的分析。2.2提升机工作原理及机械结构(1)提升机工作原理: 煤车厢与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。在井口有一绞车提升机，由电机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周后挂上一列煤车车厢（单提升，多数煤矿都采用单提升），在电机的驱动下将装满煤的列车从斜井拖上来；卸载完成后，再将空车在电机的拖动下沿斜井放下去。当提升机需要停车时，从操作台发出停车指令，从而对卷筒进行抱闸制动。矿井提升的整个过程可以分为五个阶段加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。加速阶段是提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是箕斗定位和准备安全停车阶段。(2) 矿井提升的工作特点:箕斗在一定的距离（井深）内，以较高的速度往复运行，完成上升与下降的任务。鉴于在矿井提升机的工作特点，为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续工作，其必须具备良好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。矿井提升机的基本参数是：电机功率75kW，卷筒直径1200mm，减速器减速比24：1，最高运行速度2.5m/s，钢丝绳长度为400m。斜井提升机的机械传动系统结构示意图如图21所示：2.3提升机调速控制方式及调速性能分析矿井提升机电力拖动部分有两种调速控制方式：直流调速和交流调速。其各有优缺点，下面分别叙述。2.3.1提升机直流调速性能分析矿井提升机采用直流拖动的调速系统主要有：G-M系统、V-M系统及直流脉宽调制（PWM）系统。1、G-M系统（发电机电动机调速系统）此系统中，电源是旋转装置，由旋转电机即直流发电机供电。通常，直流发电机由原动机拖动，以某一不可调的转速旋转，通过调节发电机的励磁电流fi的方向和大小来改变发电机输出电压的极性和大小。原动机一般采用交流感应电动机或交流同步电动机，使直流电源以电机机组的形式构成。这种直流调速系统称“发电机电动机系统”简称“G-M系统”（Ggenerator,发电机；Mmotor电动机）。这种调速系统，设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便。2、V-M系统（晶闸管电动机调速系统）此系统中，电源是静止装置，通过调节触发器GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，而改变晶闸管可控整流器的控制角，从而改变可控整流器输出电压的极性和大小，实现直流电动机M的平滑调速。这种直流调速系统称“晶闸管电动机调速系统”简称“V-M系统”（V晶闸管整流装置）。与G-M系统相比，此系统在经济性、可靠性及技术性能上也有较大的优势。其设备简单，调速更快。但此系统只允许电机在I、IV象限运行，不能满足提升机四象限运行的要求；且低速运行时，产生较大的谐波电流，引起电网电压小型畸变，形成污染。3、直流脉宽调制（PWM）系统此系统中，电源是静止装置，能过改变晶体管VT的导通及关断及通断比（即脉冲宽度调制，PWM）来改变输出电压的极性和大小。与V-M系统相比，直流PWM调速系统性能更优越：a、低速运行平稳，电机损耗及发热小b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强。2.3.2提升机交流调速性能分析矿井提升机调速系统采用交流异步电动机拖动，其交流异步电动机转速公式为：n=60f/p(1-s)从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。改变同步转速的有：变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等。一、变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速方法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性。二、变频调速方法变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点：1、效率高，调速过程中没有附加损耗；2、应用范围广，可用于笼型异步电动机；3、调速范围大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。三、改变转差率调速改变转差率的方法主要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速和串级调速。下面分别介绍。a、定子调压调速方法当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：1、调压调速线路简单，易实现自动控制；2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。3、调压调速一般适用于100KW以下的生产机械。b、转子电路串电阻调速方法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速，机械特性较软。c、串级调速串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用装置，把吸收的转差功率返回电网或转换为其它能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。应用中多采用晶闸管串级调速，其特点为：1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网或生产机械上，效率较高；2、装置容量与调速范围成正比，投资小，适用于调速范围在额定转速7090的生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运行，避免停产；4、晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。综上所述，直流调速的电枢和励磁是分开的，能够精确控制；且直流调速转矩速率特性好并能在大范围内平滑地调速，因此在矿井提升系统中得到广泛应用。电刷是直流电动机的一个重要部件，但在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工作条件下，出现打火现象，甚至形成环火，极易造成电枢两极短路，危及整个系统的安全。但交流电机不存在电刷损坏的问题，因此也得到广泛应用，但交流调速性能离直流电机优越的调速性能还有差距。随着电子科技技术的发展，运用现代控制理论，将直流调速原理应用于交流调速控制系统中，使交流调速在很大程度上得到发展。2.4提升机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：转子回路串电阻调速、模糊控制、直接转矩等。2.4.1传统转子回路串电阻调速系统转子回路串电阻调速的主电路结构如图22所示图22转子回路串电阻调速图在加速过程中，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。这种拖动方案存在的问题是：1）开环有级调速，加速度难以准确控制，调速精度差；2)触点控制，大量使用大容量开关，系统维护工作量大，可靠性差；3)运行效率低，在低速时大部分功率都消耗在电阻上；4)电机的机械特性偏软，一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的2030%。虽然这种调速方案技术性能差，且运行效率低，但控制方式简单、初期设备投资小，许多中小矿井的提升机仍采用这种调速方案。2.4.2模糊控制调速系统一、模糊控制的基本思想模糊控制（Fuxxy Control）的基本思想是把人类专家对特定的被控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF（条件）THEN（作用）”表达式形式表示的控制规则，通过模糊推理处理得到控制作用集，作用于被控对象或过程控制，作用集为一组条件语句，状态条件和控制作用均为一组被量化了的模糊语言集，如“正大”、“负大”、“高”、“低”、“正常”等。一般的模糊算法包括以下五个步骤：A、定义模糊子集，建立模糊控制规则；B、由基本论域转化为模糊集合论域；C、模糊关系矩阵运算；D、模糊推理合成，求出控制输出模糊子集；E、进行逆模糊运算、模糊判决，得到精确控制量；二、提升机模糊控制系统原理图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的变化率。实现模糊控制的原理框图如图23所示：PLC通过采样获取被控量的精确值，然后将此量与给定值进行比较得到误差信号e、误差变化率de/dt，把误差信号和误差变化率的精确量模糊化变成模糊量E、Ec再经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，送入变频器从而对被控对象实施控制。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，特别适合于非线性系统的控制。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。2.4.3直接转矩控制系统1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制(Direct Torque Control，简称DTC)变频技术。直接转矩控制也称之为“直接自控制”，这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制。直接转矩控制通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制系统结构图如图24所示直接转矩控制系统的控制效果取决于转矩的实际状况，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。但是目前直接转矩控制技术在理论上尚不成熟、不够完善，直接转矩控制系统的固有缺陷，一直阻碍着DTC系统的进一步发展。所面临的主要问题是：低速性能不尽人意，转矩脉动比较严重。目前关于DTC系统无速度传感器技术的研究尚不多见，还需要开展大量的工作。在实际应用中还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以实现，例如自适应控制、最优控制、差频控制、环流控制、频率控制等。智能控制方式主要有神经网络控制、最优控制、专家系统、学习控制等。由于调速系统是在公众场合下应用的一种需要高质量、高精度和高可靠性的系统，尤其用在矿井提升机这样要求安全系数高的场所，更要保证其系统的安全可靠运行。2.4.4矢量控制变频调速系统矢量控制的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上的直流电流并分别加以控制，从而实现磁通和转矩的解耦控制，以达到直流电机的控制效果。三相异步电动机定子三相绕组嵌在定子铁芯槽中，在空间上互差120o电角度，当在定子三相绕组上加三相交流电时，异步电动机在空间上产生的是旋转磁场，根据直流电动机的电枢电流与磁场垂直，将异步电动机物理模型等效变换为M、T坐标下的两相绕组模型，如图2-5所示。该模型有两个垂直的绕组：M绕组和T绕组，且以角速度1在空间上旋转。M、T绕组分别通以直流电流mi、ti。mi沿M绕组轴线方向产生磁势，ti沿T绕组轴线方向产生磁势。mi与ti相互垂直，而且分别可调、可控，当mi保持恒定不变，控制ti即可很方便地控制电动机的转矩。由异步电动机两相绕组模型可得出矢量变换控制的思路是：把异步电动机的三相绕组等效为在空间上互相垂直的两个静止的、绕组，三相绕组的电流和两相、绕组电流有固有的变换关系。再经过旋转坐标变换，将两相静止、绕组电流，等效变换为磁场方向与M轴、T轴方向一致的同步旋转两相M、T绕组电流。这样，通过控制M轴，T轴两个方向的电流大小来等效地控制三相电流Ai、Bi、Ci的瞬时值，从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。矢量控制，具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量Mi（励磁电流）和产生转矩的电流分量Ti（转矩电流）分别加以控制，同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，所以称这种控制方式为矢量控制方式。矢量控制又分为无速度传感器的矢量控制和有速度传感器的矢量控制。无速度传感器的矢量控制如图26所示：如果在生产要求不是十分高的情形下，采用无速度传感器的矢量控制变频调速是非常合适的，其控制结构简单，可靠性高。带速度传感器的矢量控制如图27所示：带速度传感器的矢量控制变频调速是一种比较理想的变频调速控制方式。主要优点包括：（1）可以从零转速起进行速度控制，即在低转速下亦能可靠运行，调速范围很宽广，可达100:1或1000:1；(2)可以对转矩实行精确控制；(3)系统的动态响应速度快；(4)电动机的加速度特性好。2.5小结本章结合煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点；并给出提升机机械传动结构图，使提升机的工作原理更加清晰。传统提升机电控系统是古老的转子串电阻调速，存在很多的安全隐患，急需改进。改进后的电控系统采用什么控制方案更加合理，采用交流还是直流调速，到底哪种调速方法调速性能更好。针对这种种疑问，文中分别对提升机直流调速和交流调速的调速性能进行分析，并就目前存在的几种高精控制系统进行分析，并与目前技术已经成熟的提升机变频调速控制系统做比较，这些工作对确定提升机控制方案提供了很大帮助。设计中同时考虑到串电阻调速系统控制器件多、电路复杂的缺点，所以将可编程控制器应用于控制系统。最后确定提升系统的整体控制方案为：基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统。第3章 提升机调速控制系统硬件实现3.1引言经过分析比较，权衡各种控制方案的优劣，结合提升机调速系统属于恒转矩负载特性，最终选择PLC与变频器相结合的变频调速方案，其变频控制方式为：矢量变频调速控制。此方案能够很好解决传统交流绕线式电机串电阻调速系统的缺点，变频调速是通过改变定子供电频率来达到电机调速的目的，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，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。变频调速系统将是提升机电控系统的发展方向。3.2提升机电控系统总体结构基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成，系统框图如图31所示。各部分功能如下：动力装置：包括主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完成人、物、料的运输任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需的动力；液压站：为提升机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提升机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。变频调速器：是动力装置的能量供给单元，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：操作台设置两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。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。控制监视系统：是操作人员和控制系统及运输系统之间的桥梁，它可以在线监测提升机运输系统的各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。变频调速控制系统工作原理：如图31，系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频（SB61G110KW）可以将工频三相交流电经过交直变换之后经过逆变器，利用设定的参数进行逆变，使得输出为某一相应设定频率的交流电，经变频后输出U,V,W来驱动电机的运行。变频器输出频率的变化，将导致电动机的输出转速变化，二者之间的关系近似线性。这样，就起到了调速的作用。在提升过程中，控制提升机运行的主速度给定S形速度曲线由PLC编程产生，经过A/D转换，由模拟量输出口输出，以驱动变频器工作；对变频器输出频率的调整控制，也可根据现场的工况需要，由操作台速度控制手柄以辅助给定的方式进行控制。旋转编码器可以检测主电动机的转速，并将此信号传送给可编程控制器，PLC通过该信号可以累计计算提升机的行走距离。操作人员通过操作台向PLC发送控制提升机运行的控制命令。控制监视系统通过与PLC的通信，将电动机的所有运行参数和故障参数都显示出来，并对矿车的位置及速度进行时时监控。为操作人员分析故障、判断故障和处理提供依据。3.3提升机电控系统变频器选择本调速控制系统包括：德国的西门子(Siemens)公司生产的模块式PLC S7-300和变频器各一台。变频器选用森兰公司的通用变频器系列SB61G110KW通用变频器，功率为110kW。根据变频调速原理，在变频器的控制输入回路中接入频率设定电路，由PLC输出的模拟量，即电压或电流信号来控制变频器的输出频率，实现电机速度控制。本系统中调速采用PLC+D/A模块配合变频器进行，通过PLC输出电压信号(010V)来控制变频器的频率。此时的变频器输出频率与设定电压输入成正比。为了便于监控变频器的运行状态并及时发现异常，应取出变频器的异常信号送到PLC的输入模块，以作为变频器的事故报警信号及安全制动。为了与变频调速系统配合，保证在启动力矩、低频转矩、过载能力等方面满足系统的要求，选用冶金起重专用变频电动机。变频电动机的电磁设计、结构设计和绝缘系统设计既考虑了对变频器电源供电和宽范围变频调速的适应能力，又体现了冶金及起重专用三相异步电动机过载能力大、机械强度高的特点。与变频调速良好的起、制动功能相结合，特别适用于采用变频调速，短时间或断续周期运行、频繁启动和制动的场合，既能保证电动机在高频时的过载能力，又能在低频时保持恒转矩输出。3.4变频控制部分设计3.4.1变频调速主系统设计变频调速单元采用森兰SB61系列SB61G110KW通用变频器，其变频调速系统主电路如图32所示。与标准的电压频率控制装置相比较，在速度参数和负载转矩都改变的情况下，VVCPLus的动态和稳定性较优越，可实现一个全数字化的保护，即使在最恶劣的操作条件下，也可确保可靠运行。SB61G110KW具有国际领先的无速度传感器矢量控制技术和拟超导技术，使电机低速时机械特性变硬。同时具有短路、接地和过载保护功能。调速控制系统主电路主要部件的功能和原理：空气断路器：过流过载保护；交流接触器：切断电源和启动；交流电抗器La：降低谐波，抑制浪涌电压，改善功率因数；噪声滤波LB：减小无线电干扰；电抗器LA：减小干扰和振动；热继电器FR：断相保护，过载保护；1提升电动机选择一般电动机的额定电流可以用如下公式计算，即： 根据上述公式对一般三相交流异步电功机的额定电流计算得出：异步电动机的额定电流与电动机额定功率的关系为：如果U380V，电流大约为1kW是2A。因此在选择电动机的保护元件时可以用1kw2A来估算电动机的额定电流值，从而达到快速选择保护元件的目的。本调速系统所选电动机为：QABP系列三相异步变频调速电动机。其技术数据如表31所示：2变频器的容量选择在一台变频器驱动一台电机的情况下，变频器的容量选择要保证变频器的额定电流大于该电动机的额定电流，或者是变频器所适配的电动机功率大于当前该电动机的功率。另外矿用提升机属于频繁起动、加减速运转，其变频器容量的选定应根据加速、恒速、减速等各种运行状态下的电流值，按下式确定：式中 I1cn：变频器额定输出电流(A)； I1,I2I5：各运行状态平均电流(A)； t1,t2t5：各运行状态下的时间；K0：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，本系统中所需电动机的轴上功率为75KW，按1.4倍容量就选择105KW以上变频器。3变频器的选择绞车升降的运转具有较大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用变频器是专为起重类负载而设计的专用变频器，该系列产品采用了最优的电机控制方法矢量控制技术，它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。其对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应；开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度（误差0.1%0.5%），开环转矩阶跃上升时间小于5 ms，起动转矩可达200%，并具有有效的磁通制动来提供最大可能的制动力矩。尤其它还提供了绞车应用宏程序，可以实现绞车过载保护、过卷保护、超速保护和各种故障监控及报警，模块化功能可方便实现施工现场多台绞车同步控制，确保使用时安全快速运行、故障处理容易、维护简单。根据变频器所需容量，查变频器型号规格：选择森兰SB61G110KW通用型变频器。其标称参数如表32所示：表32森兰SB61G110KW通用型变频器的参数3.4.2变频器外部电路设计 变频器可以输出频率可调的交流电源，另外在变频器的外围加设有声光报警输出口及制动单元，能够实现变频器故障报警器和安全制动，更有效的对控制系统进行安全保护，外部电路连接如图33所示。1 声光报警回路(1)、变频器报警输出的动断（常闭）触点“30B-30C”串联在KM1的线圈电路内，当变频器因故障不能正常工作时，发出报警；同是报警输出的常闭触点动作，使KM1线圈失电，将变频器与电源断开，进行安全保护。为了保护报警输出的触点，在接触器的线圈两端，并联阻容吸收电路（即RC震荡电路）。(2)、声光报警电路由报警输出的动合（常开）触点“30B-30A”控制，当变频器跳闸时，触点“30B-30A”闭合，将报警指示灯HL和电笛HA接通，进行声光报警。与此同时，断电器KA1得电，其触点将声光报警电路自锁，使变频器断电后，声光报警能持续下去，直到工作人员按下ST1为止，报警才能解除。另外继电器线圈和电笛线圈的两端，也需要并联阻容吸收电路，以保护变频器内部报警继电器触点。2 制动控制回路提升机负载由于惯性较大，当变频器的输出频率下降至0 Hz时，常常停不住，而有“蠕动”(也称爬行)现象，在矿山提升机这种大负载机械中，蠕动现象有可能造成十分危险的后果。为此，变频器调速时应设置能耗制动和直流制动功能。一、能耗制动电路的作用在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。这时：1、电动机的工作状态在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。2、变频调速系统的工作状态电动机再生的电能经如图32所示与逆变管反并联的续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法回输给电网，尽管各部分电路还在消耗电能，但电容上仍有短时间的电荷堆积，形成“泵生电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，当直流电压超过一定值时，就要求提供一条放电回路，将再生的电能消耗掉。所以，从变频调速系统的角度来看，拖动系统在转速下降时减少的动能，由电动机“再生”电能后，在变频器的直流电路中被消耗掉了。归根结底，是通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。用于消耗电动机再生电能的电路，就是能耗制动电路。二、能耗制动电路的构成1、制动电阻能耗制动电路结构如图34所示，图中的BR就是制动电阻，用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。其选择方法如下：（1）RB的阻值一般情况下，RB的大小以使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即 （2）RB的功率PB由于RB的工况属于短时工作，帮其标称功率可以比长期通电时消耗的功率小很多：式中，ab为选用系数，取值范围约为ab=0.30.5,取决于电动机的容量和工况。通常，电动机容量较小时取小值，反之取大值。当电动机的再生制动状态属于正常工作状态时，应取ab=1.0。例如超重机械中，吊钩的下降过程就是。2、制动单元BV如图34，制动单元BV的功能是，当直流回路的电压Ud超过规定的限值勤时，接通耗能电路，使直流回路通过RB释放能量。（I）制动单元BV的组成如图上划线框所示，BV的组成如下：a）功率管Vb用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。 图34能耗制动和制动单元电路b）电压取样与比较电路由于Vb的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出Ud的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制Vb导通或截止的指令信号。c）驱动电路驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动Vb导通或截止。（II）功率管Vb的选用Vb的常用器件是GTR或IGBT。其主要参数的一般选择方法如下：a）击穿电压Ucex在电源电压为380V时，选Ucex=1000V即可。b）集电极最大电流Icm按正常电压下流经Rb的电流的两倍来选择三、直流制动单元能耗制动和直流制动配合使用能达到理想的制动效果。（一） 直流制动原理：所谓直流制动，就是向电动机的定子绕组内通入直流电流，使异步电动机处于能耗制动状态。具体操作是，将电机与变频器切断后向定子绕组内通入直流电流，定子磁场是静止的。这时，转子绕组切割磁力线后产生的电磁转矩与转子的旋转方向相反，是制动转矩。因为转子绕组切割磁力线的速度较大，所产生的制动转矩比较强烈，从而可缩短停机时间。此外，直流磁场本身具有吸住转子的作用，可以有效地消除转子的蠕动。（二） 直流制动功能预置A、直流制动的起始频率fDB，通常直流制动都是和再生制动配合使用的。即：首先用再生制动方式将电动机的转速降至较低转速，然后再转换成直流制动，使电动机迅速停住。转换时对应的频率即为直流制动的起始频率fDB，如图所示。预置起始频率fDB的主要依据是负载对制动时间的要求，要求制动时间越短，则起始频率fDB应越高。B、直流制动强度即预置在定子绕组上施加直流电压UDB或直流电流IDB的大小，它决定了直流制动的强度，如图35所示。预置直流制动电压UDB (或制动电流IDB)的主要依据是负载惯性的大小，惯性越大者，直流制动强度(UDB或IDB)也应越大。一般情况下，直流电压以不超过50 V为宜。3)直流制动时间tDB即施加直流制动时间的长短。预置直流制动时间tDB的主要依据是负载是否