【文章內(nèi)容簡介】 出現(xiàn)過負荷時使晶閘管元件燒毀。但由于這種降級使用，也給生產(chǎn)維護上增加了困難。(2) 有沖擊性的無功功率。由于高次諧波的影響，使電網(wǎng)電壓的波動加大并導致畸變，即所謂引起“電力公害”:同時低速時功率因數(shù)也較低。目前,在我國使用的多繩摩擦輪提升機，GM直流拖動占一定比例，而進口的直流拖動提升系統(tǒng)，則全部采用VM系統(tǒng)。傳統(tǒng)的串電阻交流拖動系統(tǒng)具有結構簡單，堅固耐用，占地面積小，維護方便，運行可靠價格低廉，設備供貨容易，當用于要求頻繁啟動或不同運行速度的多水平提升機時就更為不經(jīng)濟。但用于單水平提升時，其提升效果實際上與用發(fā)電機組供電的直流拖動系統(tǒng)相當。此外在調速性能方面，交流拖動系統(tǒng)一般不如直流拖動系統(tǒng)優(yōu)越，但選用了動力制動、低頻制動、可調機械閘、負荷測量、計算裝載等輔助裝置后，交流拖動系統(tǒng)亦可獲得滿意的調速性能。綜上原因，交流拖動系統(tǒng)在我國中小型礦山或者中等深度以下礦井獲得了廣泛應用。近年來交流變頻調速技術迅速發(fā)展起來，調速方式的不斷進步使得運用于提升機系統(tǒng)的交流調速技術不僅僅局限于傳統(tǒng)的轉子串電阻方式，變頻調速技術也越來越多地在提升機控制系統(tǒng)中廣泛應用，充分發(fā)揮出交流調速的優(yōu)勢。目前交流調速最有前途的是變頻調速技術，在變頻調速技術中矢量控制和直接轉矩控制都能滿足提升機恒轉矩負載這一特征，所以在提升機調速系統(tǒng)中這兩種調速方案將是重要發(fā)展方向。 主控系統(tǒng)設計基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、液壓站、潤滑站、操作臺、安全保護和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖23所示。各部分功能如下。 23 提升機控制系統(tǒng)框圖 （1）主控系統(tǒng)圖23為提升機控制系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用三菱FX2N系列的可編程控制器，一備一用，當主PLC發(fā)生故障的時候可以迅速切換備用PLC不影響生產(chǎn)。使用PLC集成高速計數(shù)輸入口以及特殊高速計數(shù)模塊相結合，對分別安裝于電機軸、輥筒主軸、天輪的四個編碼器數(shù)據(jù)進行采集，同時監(jiān)視速度、深度以及判斷松繩；A/D模塊采集現(xiàn)場液壓站及潤滑站的油壓、油溫等信號。在井筒及深指器各階段安裝行程開關，用以確定罐籠位置，并相互校驗，達到停車位的精確控制。程序編制滿足提升機自動、半自動、手動、驗繩、調繩等工作方式，并可方便的轉換。滿足提升階段(如加速、減速、等速、爬行等)穩(wěn)定運行的要求。 （2）變頻調速系統(tǒng)調速系統(tǒng)采用德國制造西門子變頻器，性能優(yōu)越，采用矢量控制技術適合提升機工作環(huán)境，只需在控制單元給出對變頻器的控制命令(正轉、反轉、多段速等)即可使提升機按照設定的速度曲線運行，滿足提升階段穩(wěn)定運行的要求。變頻調速裝置本身具有過壓、欠壓、過流、過負荷、缺相、超溫等保護，同時配合來自現(xiàn)場的各種信號傳感器的監(jiān)視及相應處理，可實現(xiàn)絞車過卷、過速、減速、限速等重要保護的雙線制保護功能，滿足煤礦安全規(guī)程要求。在變頻器系統(tǒng)中輸出閘控信號到PLC，要求只有在變頻的輸出轉矩達到一定值的時候才可以松閘，這樣會避免豎井提升機啟動時發(fā)生溜車現(xiàn)象。 （3）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。 （4）操作臺操作臺設置兩個手柄，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。 （5）控制監(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)。 （6）安全保護本系統(tǒng)設有一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路，這三條安全電路相互冗余與閉鎖，一條斷開時，另兩條也同時斷開。硬安全回路通過硬件回路實現(xiàn)，無論PLC單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號，硬安全回路馬上斷開。軟安全回路分別在兩套PLC軟件中搭建，與硬安全回路相同并且同時動作。安全電路斷開后，系統(tǒng)會立即解除運行控制指令，封鎖變頻器，制動油泵，斷開安全閥和KT線圈，進行緊急制動。安全保護功能齊全，設有過卷、等速超速、定點超速、PLC 編碼器斷線、錯向、傳動系統(tǒng)故障及自動限速等保護功能。控制系統(tǒng)工作原理：當司機聽到開車信號時，按下啟動按鈕，PLC控制將380V動力電源接入變頻器。再松開液壓制動閘并將主令控制器推到正向（或反向），提升機開始運行。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轉換，由模擬量輸出口輸出，以驅動變頻器工作；對變頻器輸出頻率的調整控制，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。旋轉編碼器可以檢測主電動機的轉速，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速度及行走距離，監(jiān)視器可以時時顯示提升機速度和位置。第3章 變頻調速系統(tǒng)的設計傳統(tǒng)調速系統(tǒng)中，直流調速以其控制容易，調速精度高等特點長期占據(jù)了主導地位，但是由于結構復雜，過流能力不強，環(huán)境適應差，難以實現(xiàn)高速度化等原因，一直限制了其應用范圍的進一步擴大。相比較而言，交流異步電機具有環(huán)境適應能力強、過流能力大、牢固耐用、結構簡單、容易維護及價格低廉等優(yōu)點，但異步電機的調速性能難以滿足生產(chǎn)要求。隨著電力電子器件的產(chǎn)生和控制理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)代控制理論越來越多的應用到交流調速系統(tǒng)中，使得交流調速性能可以和直流調速相媲美、相競爭，交流調速系統(tǒng)的應用領域不斷擴大。近年來，電力電子技術的發(fā)展和DSP微處理器的推出，更為高性能交流調速系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎，目前已經(jīng)進入了實用化階段，作為眾多調速方案之一的變頻調速，其發(fā)展不超過40年，卻取得了長足的進步，變頻調速以其節(jié)能和可平滑調速，調速范圍寬等優(yōu)點得到了廣泛的應用。交流電動機變頻調速控制技術大體經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：第一個階段為電壓/頻率(U/f)恒定控制，這種控制方法在低頻時定子電壓較低，定子漏抗壓降所占的份量不能忽略，因此需要人為地把電壓抬高一些，用以補償定子壓降，負載不同時需要補償?shù)亩ㄗ訅航抵狄膊灰粯樱诳刂栖浖袀溆胁煌甭实难a償特性，以便用戶選擇。第二個階段是矢量變換控制，它的方法是模擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制，通過電機統(tǒng)一理論和坐標變換理論，把交流電動機定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之相垂直的坐標轉矩電流分量，把固定的坐標系變換為旋轉坐標系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂疲谑堑韧谥绷麟妱訖C。第三個階段為直接轉矩控制，也叫直接自控，它避開了矢量控制中的兩次坐標變換及求矢量模與相角的復雜計算工作，直接在定子坐標系上計算電動機的轉矩與磁通，使轉矩響應時間控制在一拍以內(nèi)，且無超調，控制性能更好。提升機控制系統(tǒng)的硬件由模擬技術轉向數(shù)字技術，全數(shù)字變頻技術應用于提升機控制。減速段速度調節(jié)采用低頻發(fā)電制動方式，將系統(tǒng)的動能反饋給電網(wǎng)，與動力制動減速相比，不僅調速性能好、減速與爬行自然過渡，而且節(jié)能效果顯著。采用現(xiàn)代智能控制技術實現(xiàn)速度電流閉環(huán)調節(jié)，使減速階段在各種條件下均可嚴格按照給定的速度圖運行，使交流拖動在減速段達到直流拖動的調速性能，減速段到爬行段過渡平滑。這樣在提升機系統(tǒng)的最大靜張力差允許范圍內(nèi)能實現(xiàn)正力減速與爬行、負力減速與爬行以及驗繩等多種工作方式，達到控制要求。采用矢量控制技術零速起動轉矩達150%，確保低速爬行時的啟動與運行特性，輸出頻率跟隨給定頻率，并且頻率與電流值可準確指示出來。從而使傳動系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性。采用直接轉矩控制可改善低頻特性，普通變頻器雖然可以輸出較低的頻率，但輸出力矩小，特性較軟，應用于提升位能負載時，起動瞬間總要溜車。采用特殊的軟件編程，改善低頻特性，即使在輸出0Hz的情況下，也能輸出200%的負載力矩，達到了在整個運行過程都能輸出滿足負載要求的力矩。完全避免了重載坡起時溜車的現(xiàn)象。提升機使用變頻調速控制具有下列優(yōu)點:(1) 調速平滑、調速范圍大。通過控制器的控制，變頻器的輸出頻率可以連續(xù)調節(jié)，實現(xiàn)無級調速，使電動機起動電流小、動負荷小、調速平滑而無沖擊。(2) 調速精度高。電動機在自然特性上運轉時的外特性硬，轉速隨負載變化小。(3) 動態(tài)品質好?？墒固嵘龣C的起動、制動、反轉和調速過程的時間降至最少，具有良好的動態(tài)品質。(4) 易實現(xiàn)電動機的換向，當頻率降低至零后即可反向開車，采用控制器改變相序即可實現(xiàn)反轉，因此可在四象限內(nèi)平滑的過渡。(5) 節(jié)電效果顯著。變頻調速比轉子回路串接電阻的調速方法節(jié)約電能20%～40%。 變頻調速基本原理由電機學的基本公式: ()式中電動機定子繞組的磁極對數(shù)p一定，改變電源頻率f，即可改變電動機同步轉速。異步電動機的實際轉速總低于同步轉速，而且隨著同步轉速而變化。電源頻率增加，同步轉速n0也增加，實際轉速也增加；電源頻率下降，同步轉速n0也下降，電機轉速也降低，這種通過改變電源頻率實現(xiàn)的速度調節(jié)過程稱為變頻調速。在變頻調速領域，異步電機的控制方式多種多樣，但從轉矩的響應性和過渡特性來看，變頻調速的控制方式分為以下幾種:（1）V/F控制V/F控制是交流電機最簡單的一種控制方法，通過控制過程中始終保持V/F 為常數(shù)，來保證轉子磁通的恒定。然而V/F控制是一種開環(huán)的控制方式，速度動態(tài)特性較差，電機轉矩利用率低，控制參數(shù)(如加/減速度等)還需要根據(jù)負載的不同來進行相應的調整，特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關延時的存在。（2）轉差頻率控制轉差頻率控制是檢測異步電動機的轉速，調速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調速范圍內(nèi)，將電動機的轉矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳狀態(tài)。但是采用此法的電動機調速系統(tǒng)只能是單機運行，同時轉差頻率控制未能實施對電機瞬時轉矩的閉環(huán)控制，盡管這種系統(tǒng)的靜態(tài)精度較高，但由于快速性較差，故適用于對響應的快速性要求不高的系統(tǒng)。（3）矢量控制矢量控制是一種建立在轉子磁鏈定向的基礎上，通過一系列的坐標變換，實現(xiàn)電機定子電流轉矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，可以將作為控制對象的感應電機當作直流電機來進行控制，實現(xiàn)對瞬時轉矩的控制。目前，實用中多采用轉差頻率矢量控制，由于其沒有實現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無需檢測出磁通，因而容易實現(xiàn)。但是其控制器的設計在某種程度上依賴于電機的參數(shù)，為了減少控制上對電機參數(shù)的敏感性，已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識、參數(shù)補償和參數(shù)自適應方案，收到了較好的效果。(4) 直接轉矩控制直接轉矩控制(DTC)也是一種轉矩閉環(huán)控制方法，其克服了坐標變換和解耦運算的復雜性，直接對轉矩進行控制，通過轉矩誤差、磁通控制誤差，按一定的原則選擇逆變器開關狀態(tài)，控制施加在定子端的三相電壓，調節(jié)電機的轉速和輸出功率，達到控制電機轉速的目的。由于DTC直接著眼于轉矩控制，對轉子參數(shù)變化表現(xiàn)為狀態(tài)干擾而非參數(shù)干擾，DTC方法比矢量控制方法具有較高的魯棒性。但是DTC也存在不足之處，其最大的困難就在于低速性能不理想。 變頻器的選擇選擇變頻器時應以負載特性為基本依據(jù)，分析提升機的負載屬于重力，其負載特性屬于恒轉矩負載特性。由于恒轉矩負載類設備都存在一定靜摩擦力，負載的慣量很大，在啟動時要求有足夠的啟動轉矩。這就要求通用變頻器有足夠的低頻轉矩提升能力和短時過流能力。但當?shù)退贂r負載較重的情況下，為提高轉矩提升能力而使電壓補償提的過高，往往容易引起過電流保護動作。選型時應充分考慮這些情況，必要時應將通用變頻器的容量提高一檔，或者采用具有矢量控制或直接轉矩控制的通用變頻器。采用矢量控制或直接轉矩控制通用變頻可以在不過電流的情況下提供較大的起動轉矩。對于升降類恒轉矩負載，如提升機、電梯等，這類負載的特點是啟動時沖擊電流大，在其下降過程中需要一定制動轉矩，同時會有能量回饋，因此要求變頻器有一定余量。 系統(tǒng)設計時應注意適當增大異步電動機的容量或增大通用變頻器的容量?！?。提升機普遍選用帶低速轉矩提升功能的電壓型變頻器，如日本的安川，三菱，富士，德國的西門子及丹麥的丹佛斯等。本系統(tǒng)選用西門子6SE70變頻器，西門子變頻器具有較合理的價格，完整的理論計算書及輔件推薦值，有利于用戶合理選用。6SE07系列變頻器是具有多種可供選擇接線方式的設備:有將整流部分與逆變部分裝于一體的變頻器、用于變頻器的制動電阻和制動單元、單獨的整流單元、整流回饋單元和單獨的逆變器。制動運行的方式:對于不經(jīng)常制動的設備可以選擇變頻器+制動單元+制動電阻的方式。對于經(jīng)常制動的設備采用整流回饋單元向公共直流母線供電，再由直流母線向多臺逆變器供電。對于不同時制動的逆變器可以在直流母線上交換能量，當制動功率大時從回饋單元向電網(wǎng)回饋能量；還可以將多臺變頻器的直流母線直接連接，形成公共直流母線，再接入制動單元與制動電阻，當制動功率大時由制動電阻消耗能量。6SE7O系列變頻器具有多種控制方式:可以設定為VVVF控制、開環(huán)矢量控制、閉環(huán)矢量控制中的一種。閉環(huán)矢量控制的性能最好，必須接入測速裝置。6SE70系列變頻器的所有設備均有故障自診斷功能。6SE70裝置本身提供了多種可靠有效的故障保護措施。同時也提供了簡單實用的故障查詢手段，裝置可以記錄同時發(fā)生的多個故障(最多達8個)，并可以保存最近8次所發(fā)生過的故障代碼。 變頻器容量的選擇變頻器的容量可從三個角度表述:額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流量是一個反映半導體變頻器裝置負載能力的關鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。變頻器的額定功率指的是它適用的4級交流異步電動機的功率。由于同容量電動機，其極數(shù)不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數(shù)的增多，電動機額定電流增大。變頻器的容量選擇不能以電動機額定電流為依據(jù)。同時，對于原來采用變頻器的改造項目，變頻器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據(jù)。這是因為，電動機的容量選擇在考慮最大負載，富裕系數(shù)，電動機規(guī)格等因素，往往電動機的容量富裕較大，工業(yè)用電