【文章內(nèi)容簡介】 和電流，借助瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并根據(jù)與給定值比較所得差值，實現(xiàn)磁鏈和轉(zhuǎn)矩的直接控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2—4所示直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的控制效果取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，所以它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。但是目前直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在理論上尚不成熟、不夠完善，直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的固有缺陷，一直阻礙著DTC系統(tǒng)的進一步發(fā)展。所面臨的主要問題是：低速性能不盡人意，轉(zhuǎn)矩脈動比較嚴重。目前關(guān)于DTC系統(tǒng)無速度傳感器技術(shù)的研究尚不多見，還需要開展大量的工作。在實際應(yīng)用中還有一些非智能控制方式在變頻器的控制中得以實現(xiàn)，例如自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、差頻控制、環(huán)流控制、頻率控制等。智能控制方式主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、最優(yōu)控制、專家系統(tǒng)、學習控制等。由于調(diào)速系統(tǒng)是在公眾場合下應(yīng)用的一種需要高質(zhì)量、高精度和高可靠性的系統(tǒng)，尤其用在礦井提升機這樣要求安全系數(shù)高的場所，更要保證其系統(tǒng)的安全可靠運行。矢量控制的基本思路是以產(chǎn)生相同的旋轉(zhuǎn)磁動勢為準則，將異步電動機在靜止三相坐標系上的定子交流電流通過坐標變換等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標系上的直流電流并分別加以控制，從而實現(xiàn)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，以達到直流電機的控制效果。三相異步電動機定子三相繞組嵌在定子鐵芯槽中，在空間上互差120o電角度，當在定子三相繞組上加三相交流電時，異步電動機在空間上產(chǎn)生的是旋轉(zhuǎn)磁場，根據(jù)直流電動機的電樞電流與磁場垂直，將異步電動機物理模型等效變換為M、T坐標下的兩相繞組模型，如圖25所示。該模型有兩個垂直的繞組：M繞組和T繞組，且以角速度ω1在空間上旋轉(zhuǎn)。M、T繞組分別通以直流電流mi、ti。mi沿M繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢，ti沿T繞組軸線方向產(chǎn)生磁勢。mi與ti相互垂直，而且分別可調(diào)、可控，當mi保持恒定不變，控制ti即可很方便地控制電動機的轉(zhuǎn)矩。由異步電動機兩相繞組模型可得出矢量變換控制的思路是：把異步電動機的三相繞組等效為在空間上互相垂直的兩個靜止的α、β繞組，三相繞組的電流和兩相α、β繞組電流有固有的變換關(guān)系。再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標變換，將兩相靜止α、β繞組電流，等效變換為磁場方向與M軸、T軸方向一致的同步旋轉(zhuǎn)兩相M、T繞組電流。這樣，通過控制M軸，T軸兩個方向的電流大小來等效地控制三相電流Ai、Bi、Ci的瞬時值，從而調(diào)節(jié)電機的磁場與轉(zhuǎn)矩以達到調(diào)速的目的。矢量控制，具體是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量Mi（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量Ti（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量，所以稱這種控制方式為矢量控制方式。矢量控制又分為無速度傳感器的矢量控制和有速度傳感器的矢量控制。無速度傳感器的矢量控制如圖2—6所示：如果在生產(chǎn)要求不是十分高的情形下，采用無速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速是非常合適的，其控制結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。帶速度傳感器的矢量控制如圖2—7所示：帶速度傳感器的矢量控制變頻調(diào)速是一種比較理想的變頻調(diào)速控制方式。主要優(yōu)點包括：（1）可以從零轉(zhuǎn)速起進行速度控制，即在低轉(zhuǎn)速下亦能可靠運行，調(diào)速范圍很寬廣，可達100:1或1000:1；(2)可以對轉(zhuǎn)矩實行精確控制；(3)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度快；(4)電動機的加速度特性好。本章結(jié)合煤礦生產(chǎn)實際情況，分析提升機工作過程及工作特點；并給出提升機機械傳動結(jié)構(gòu)圖，使提升機的工作原理更加清晰。傳統(tǒng)提升機電控系統(tǒng)是古老的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，存在很多的安全隱患，急需改進。改進后的電控系統(tǒng)采用什么控制方案更加合理，采用交流還是直流調(diào)速，到底哪種調(diào)速方法調(diào)速性能更好。針對這種種疑問，文中分別對提升機直流調(diào)速和交流調(diào)速的調(diào)速性能進行分析，并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進行分析，并與目前技術(shù)已經(jīng)成熟的提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)做比較，這些工作對確定提升機控制方案提供了很大幫助。設(shè)計中同時考慮到串電阻調(diào)速系統(tǒng)控制器件多、電路復(fù)雜的缺點，所以將可編程控制器應(yīng)用于控制系統(tǒng)。最后確定提升系統(tǒng)的整體控制方案為：基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。第3章 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)經(jīng)過分析比較，權(quán)衡各種控制方案的優(yōu)劣，結(jié)合提升機調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負載特性，最終選擇PLC與變頻器相結(jié)合的變頻調(diào)速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調(diào)速控制。此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達到電機調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機械特性基本上與自然機械特性平行，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果；采用PLC對提升系統(tǒng)進行保護和監(jiān)控，使系統(tǒng)更加安全可靠。變頻調(diào)速系統(tǒng)將是提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展方向?；赑LC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動力裝置、液壓站、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖3—1所示。各部分功能如下：動力裝置：包括主電機、減速器、卷筒、制動器和底座，完成人、物、料的運輸任務(wù)。主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力；液壓站：為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給卷筒施加機械制動力，再取消直流制動力；提升機起動時，先對電機施加直流制動，再松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。變頻調(diào)速器：是動力裝置的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。操作臺：操作臺設(shè)置兩個手柄，分別用于速度輔助給定及制動力給定。它是整個礦井提升機運輸系統(tǒng)的控制核心，通過它可以設(shè)定系統(tǒng)的工作方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，以實現(xiàn)對提升機啟動、加速、平穩(wěn)運行、減速、停車以及緊急制動等各種控制功能?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)：是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù)、工作狀態(tài)、故障參數(shù)和故障狀態(tài)。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理：如圖3—1，系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻（SB61G110KW）可以將工頻三相交流電經(jīng)過交—直變換之后經(jīng)過逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進行逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電，經(jīng)變頻后輸出U,V,W來驅(qū)動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導致電動機的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。在提升過程中，控制提升機運行的主速度給定S形速度曲線由PLC編程產(chǎn)生，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制，也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要，由操作臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制。旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的轉(zhuǎn)速，并將此信號傳送給可編程控制器，PLC通過該信號可以累計計算提升機的行走距離。操作人員通過操作臺向PLC發(fā)送控制提升機運行的控制命令。控制監(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動機的所有運行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來，并對礦車的位置及速度進行時時監(jiān)控。為操作人員分析故障、判斷故障和處理提供依據(jù)。本調(diào)速控制系統(tǒng)包括：德國的西門子(Siemens)公司生產(chǎn)的模塊式PLC S7300和變頻器各一臺。變頻器選用森蘭公司的通用變頻器系列SB61G110KW通用變頻器，功率為110kW。根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號來控制變頻器的輸出頻率，實現(xiàn)電機速度控制。本系統(tǒng)中調(diào)速采用PLC+D/A模塊配合變頻器進行，通過PLC輸出電壓信號(0~10V)來控制變頻器的頻率。此時的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓輸入成正比。為了便于監(jiān)控變頻器的運行狀態(tài)并及時發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)取出變頻器的異常信號送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報警信號及安全制動。為了與變頻調(diào)速系統(tǒng)配合，保證在啟動力矩、低頻轉(zhuǎn)矩、過載能力等方面滿足系統(tǒng)的要求，選用冶金起重專用變頻電動機。變頻電動機的電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和絕緣系統(tǒng)設(shè)計既考慮了對變頻器電源供電和寬范圍變頻調(diào)速的適應(yīng)能力，又體現(xiàn)了冶金及起重專用三相異步電動機過載能力大、機械強度高的特點。與變頻調(diào)速良好的起、制動功能相結(jié)合，特別適用于采用變頻調(diào)速，短時間或斷續(xù)周期運行、頻繁啟動和制動的場合，既能保證電動機在高頻時的過載能力，又能在低頻時保持恒轉(zhuǎn)矩輸出。變頻調(diào)速單元采用森蘭SB61系列SB61G110KW通用變頻器，其變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖3—2所示。與標準的電壓—頻率控制裝置相比較，在速度參數(shù)和負載轉(zhuǎn)矩都改變的情況下，VVCPLus的動態(tài)和穩(wěn)定性較優(yōu)越，可實現(xiàn)一個全數(shù)字化的保護，即使在最惡劣的操作條件下，也可確?？煽窟\行。SB61G110KW具有國際領(lǐng)先的無速度傳感器矢量控制技術(shù)和擬超導技術(shù)，使電機低速時機械特性變硬。同時具有短路、接地和過載保護功能。調(diào)速控制系統(tǒng)主電路主要部件的功能和原理：①空氣斷路器：過流過載保護；②交流接觸器：切斷電源和啟動；③交流電抗器La：降低諧波，抑制浪涌電壓，改善功率因數(shù)；④噪聲濾波LB：減小無線電干擾；⑤電抗器LA：減小干擾和振動；⑥熱繼電器FR：斷相保護，過載保護；1提升電動機選擇一般電動機的額定電流可以用如下公式計算，即： 根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機的額定電流計算得出：異步電動機的額定電流與電動機額定功率的關(guān)系為：如果U＝380V，電流大約為1kW是2A。因此．在選擇電動機的保護元件時可以用1kw2A來估算電動機的額定電流值，從而達到快速選擇保護元件的目的。本調(diào)速系統(tǒng)所選電動機為：QABP系列三相異步變頻調(diào)速電動機。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表3—1所示：2變頻器的容量選擇在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動機的額定電流，或者是變頻器所適配的電動機功率大于當前該電動機的功率。另外礦用提升機屬于頻繁起動、加減速運轉(zhuǎn)，其變頻器容量的選定應(yīng)根據(jù)加速、恒速、減速等各種運行狀態(tài)下的電流值，按下式確定：式中 I1：變頻器額定輸出電流(A)； I1,I2…I5：各運行狀態(tài)平均電流(A)； t1,t2…t5：各運行狀態(tài)下的時間；K0：安全系數(shù)(，)?？紤]到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動，本系統(tǒng)中所需電動機的軸上功率為75KW。3變頻器的選擇絞車升降的運轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運行的特點，與其他傳動機械相比對變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，SB61G系列通用變頻器是專為起重類負載而設(shè)計的專用變頻器，該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機控制方法—矢量控制技術(shù)，它可以對所有交流電動機的核心變量進行控制，并把定子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對負載的變化和瞬時掉電，能做出迅速響應(yīng)；開環(huán)控制精度可以達到閉環(huán)矢量控制的精度（%～%），開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時間小于5 ms，起動轉(zhuǎn)矩可達200%，并具有有效的磁通制動來提供最大可能的制動力矩。尤其它還提供了絞車應(yīng)用宏程序，可以實現(xiàn)絞車過載保護、過卷保護、超速保護和各種故障監(jiān)控及報警，模塊化功能可方便實現(xiàn)施工現(xiàn)場多臺絞車同步控制，確保使用時安全快速運行、故障處理容易、維護簡單。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號規(guī)格：選擇森蘭SB61G110KW通用型變頻器。其標稱參數(shù)如表3—2所示：表3—2森蘭SB61G110KW通用型變頻器的參數(shù) 變頻器可以輸出頻率可調(diào)的交流電源，另外在變頻器的外圍加設(shè)有聲光報警輸出口及制動單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護，外部電路連接如圖3—3所示。1 聲光報警回路(1)、變頻器報警輸出的動斷（常閉）觸點“30B30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同是報警輸出的常閉觸點動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了保護報警輸出的觸點，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即RC震蕩電路）。(2)、聲光報警電路由報警輸出的動合（常開）觸點“30B30A”控制，當變頻器跳閘時，觸點“30B30A”閉合，將報警指示燈HL和電笛HA接通，進行聲光報警。與此同時，斷電器KA1得電，其觸點將聲光報警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報警才能解除。另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護變頻器內(nèi)部報警繼電器觸點。2 制動控制回路提升機負載由于慣性較大，當變頻器的輸出頻率下降至0 Hz時，常常停不住，而有“蠕動”(也稱爬行)現(xiàn)象，在礦山提升機這種大負載機械中，蠕動現(xiàn)象有可能造成十分危險的后果。為此，變頻器調(diào)速時應(yīng)設(shè)置能耗制動和直流制動功能。一、能耗制動電路的作用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機，是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的。這時：電動機的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180176。，電動機處于發(fā)電機狀態(tài)。與此同時，電動機軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動機再生的電能經(jīng)如圖3—2所示與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，當直流電壓超過一定值時，就要求提供一條放電回路，將再生的電能消耗掉。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來看，拖動系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時減少的動能，由電動機“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而獲得制動轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動狀態(tài)。用于消耗電動機再生電能的電路，就是能耗制動電路。二、能耗制動電路的構(gòu)成制動電阻能耗制動電路結(jié)構(gòu)如圖3—4所示，圖中的BR就是制動電阻，用于將電動機的再生電能轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。其選擇方法如下：（1）RB的阻值一般情況下，RB的大小以使制動電流不超過變頻器額定電流的