【文章內(nèi)容簡介】 利用 PLC 的高速計數(shù)功能網(wǎng)絡(luò)通信功能故障檢測及診斷功能信號顯示功能等來增加一些新的控制功能安全性將大大提高運行將更加平穩(wěn)準(zhǔn)確完全能夠滿足礦山生產(chǎn)的苛刻要求而且投資相對較少性價比較高具有很強的實用價值 調(diào)速裝置 礦井提升機從電力拖動而言可分為交流拖動和直流拖動兩大類我國目前正在服務(wù)的礦井提升機的電控系統(tǒng)中屬于交流拖動的有轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速系統(tǒng)屬于直流拖動的有直流 發(fā)電機與直流電動機組成的 GM 調(diào)速系統(tǒng)和晶閘管整流裝置供電的 VM 調(diào)速系統(tǒng) 直流拖動系統(tǒng)一般采用他勵電動機作為主拖動電機它具有調(diào)速性能好低速階段運行穩(wěn)定在加速減速和低速運行時的電耗小容易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點根據(jù)供電方式的不同直流拖動系統(tǒng)又可分為兩類一類是發(fā)電機組供電的系統(tǒng) 簡稱GM 系統(tǒng) 一類是晶閘管供電的系統(tǒng) 簡稱 VM 系統(tǒng) GM 系統(tǒng)的特點是過載能力強所需設(shè)備均為常規(guī)定型產(chǎn)品供貨容易運行可靠維護工作量大但是技術(shù)要求不高對系統(tǒng)以外的電網(wǎng)不會造成有害的影響即不會引起電力公害等 與 GM系統(tǒng)相比 VM系統(tǒng)具 有以下優(yōu)點功率放大倍數(shù)高 GM系統(tǒng)的功率放大倍數(shù)在 101 左右 VM 系統(tǒng)可高達 104 比 GM 系統(tǒng)高三個數(shù)量級快速響應(yīng)性好 GM系統(tǒng)為秒級 VM為毫秒級因而動態(tài)品質(zhì)快速性能較好功耗小效率高 GM系統(tǒng)平均效率為 75 左右 VM 系統(tǒng)可達 85 左右比 GM 系統(tǒng)效率提高 10 以上調(diào)速范圍大由于剩磁影響 GM系統(tǒng)在調(diào)速時轉(zhuǎn)速受到限制而 VM系統(tǒng)調(diào)速時速度從零到最大速度都能控制運行可靠 直流拖動系統(tǒng)具有調(diào)速性能好的特點是交流拖動系統(tǒng)無法相比的而 VM 系統(tǒng)由于具有以上一些突出的特點因此目前在大型提升機方面世界各國大多采用直流拖動方 案尤以 VM系統(tǒng)為主但是根據(jù)國內(nèi)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗表明 VM系統(tǒng)尚存在以下缺點 1 晶閘管元件的過載能力 過電壓過電流 較低因此在礦井提升機系統(tǒng)中作為供電元件時為了適應(yīng)瞬時過載 例如提升機的加速階段 的需要通常將元件的容量和耐壓等級都相應(yīng)增大或者增加使用的晶閘管元件數(shù)量使元件作串聯(lián)或并聯(lián)運行即使用的元件在正常負(fù)載時處于低負(fù)載 降級使用 以確保在過載的加速階段晶閘管元件的負(fù)載仍然在額定負(fù)載的范圍內(nèi)不致由于出現(xiàn)過負(fù)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(dǎo)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 VMPLC 控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)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(dāng)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(jié)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 AD 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(guān)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(diào)繩等工作方式并可方便的轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng) 調(diào)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(shù)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(zhuǎn)反轉(zhuǎn)多段速等 即可使提升機按照設(shè)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(diào)速裝置本身具有過壓欠壓過流過負(fù)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(yīng)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(zhuǎn)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(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 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(shè)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(shè)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(dāng)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 AD 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(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 31 變頻調(diào)速的發(fā)展及在提升機系統(tǒng)中的應(yīng)用 傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)中直流調(diào)速以其控制容易調(diào)速精度高等特點長期占據(jù)了主導(dǎo)地位但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜過流能力不強環(huán)境適應(yīng)差難以實現(xiàn)高速度化等原因一直限制了其應(yīng)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(yīng)能力強過流能力大牢固耐用結(jié)構(gòu)簡單容易維護及價格低廉等優(yōu)點但異步電機的調(diào)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(yīng)用到交流調(diào)速系統(tǒng)中使得交流調(diào)速性能可以和直流調(diào)速相媲美相競爭交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大近年來電力電子技術(shù)的發(fā)展和 DSP微處理器的推出更為高性能交流調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)目前已經(jīng)進入了實用化階段作為眾多調(diào)速方案之一的變頻調(diào)速其發(fā)展不超過 40 年卻取得了長足的進步變頻調(diào)速以其節(jié)能和可平滑調(diào)速調(diào)速范圍寬等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用 交流電動機變頻調(diào)速控制技術(shù)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 Uf150 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(zhǔn)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(zhuǎn)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(yīng)用于提升位能負(fù)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(fù)載力矩達到了在整個運行過程都能輸出滿足負(fù)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(diào) 速控制具有下列優(yōu)點 1 調(diào)速平滑調(diào)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(diào)節(jié)實現(xiàn)無級調(diào)速使電動機起動電流小動負(fù)荷小調(diào)速平滑而無沖擊 2 調(diào)速精度高電動機在自然特性上運轉(zhuǎn)時的外特性硬轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小 3 動態(tài)品質(zhì)好可使提升機的起動制動反轉(zhuǎn)和調(diào)速過程的時間降至最少具有良好的動態(tài)品質(zhì) 4 易實現(xiàn)電動機的換向當(dāng)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(zhuǎn)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(diào)速比轉(zhuǎn)子回路串接電阻的調(diào)速方法節(jié)約電能 20～40 32 變頻調(diào)速基本原理 由電機學(xué)的基本公式 41 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(zhuǎn)速異步電動機的實際轉(zhuǎn)速總低于同步轉(zhuǎn)速而且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化電源頻率增加同步轉(zhuǎn)速 n0 也增加實際轉(zhuǎn)速也增加電源頻率下降同步轉(zhuǎn)速 n0 也下降電機轉(zhuǎn)速也降低這種通過改變電源頻率實現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)過程稱為變頻調(diào)速 在變頻調(diào)速領(lǐng)域異步電機的控制方式多種多樣但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過渡特性來看變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種 1VF 控制 VF 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 VF 為常數(shù)來保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定然而 VF 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(zhuǎn)矩利用率低控制參數(shù) 如加減速度等 還需要根據(jù)負(fù)載的不同來進行相應(yīng)的調(diào)整特別是低速時由于定子電阻和逆變器等器件開關(guān)延時的存在系統(tǒng)可能會發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象這種控制方式多用于調(diào)速精度不高的場所 2 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測異步電動機的轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)差頻率采取閉環(huán)控制與 VF 控制相比調(diào)速精度要求較高且系統(tǒng)容易穩(wěn)定即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)將電動機的轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)只能是單機運行同時轉(zhuǎn)差頻率控制未能實施對電機瞬時轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎(chǔ)上通過一系列的坐標(biāo)變換實現(xiàn)電機定子電流轉(zhuǎn)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(yīng)電機當(dāng)作直流電機來進行控制實現(xiàn)對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制目前實用中多采用轉(zhuǎn)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(shè)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(yīng)方案收到了較好的效果 4 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制 DTC 也是一種轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制方法其克服了坐標(biāo)變換和解耦運算的復(fù)雜性直接對轉(zhuǎn)矩進行控制通過轉(zhuǎn)矩誤差磁通控制誤差按一定的原則選擇逆變器開關(guān)狀態(tài)控制施加在定子端的三相電壓調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和輸出功率達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的由于 DTC 直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制對轉(zhuǎn)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 33 變頻器的選擇 選擇變頻器時應(yīng)以負(fù)載特性為基本依據(jù)分析提升機的負(fù)載屬于重力其負(fù)載特性屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性由于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載類 設(shè)備都存在一定靜摩擦力負(fù)載的慣量很大在啟動時要求有足夠的啟動轉(zhuǎn)矩這就要求通用變頻器有足夠的低頻轉(zhuǎn)矩提升能力和短時過流能力但當(dāng)?shù)退贂r負(fù)載較重的情況下為提高轉(zhuǎn)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(yīng)充分考慮這些情況必要時應(yīng)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(zhuǎn)矩控制的通用變頻器采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩對于升降類恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載如提升機電梯等這類負(fù)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(zhuǎn)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(shè)計時應(yīng)注意適當(dāng)增大異步電動機的容量或增大通用變頻器的容量通用變頻器的容量一般取 11～ 15 倍異步電動機的容量 的選型 提升機普遍選用帶低速轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)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(dāng)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(dāng)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(shè)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(shè)備