【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 利用 PLC 的高速計(jì)數(shù)功能網(wǎng)絡(luò)通信功能故障檢測(cè)及診斷功能信號(hào)顯示功能等來(lái)增加一些新的控制功能安全性將大大提高運(yùn)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(duì)較少性價(jià)比較高具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值 調(diào)速裝置 礦井提升機(jī)從電力拖動(dòng)而言可分為交流拖動(dòng)和直流拖動(dòng)兩大類(lèi)我國(guó)目前正在服務(wù)的礦井提升機(jī)的電控系統(tǒng)中屬于交流拖動(dòng)的有轉(zhuǎn)子電路串電阻的調(diào)速系統(tǒng)屬于直流拖動(dòng)的有直流 發(fā)電機(jī)與直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)一般采用他勵(lì)電動(dòng)機(jī)作為主拖動(dòng)電機(jī)它具有調(diào)速性能好低速階段運(yùn)行穩(wěn)定在加速減速和低速運(yùn)行時(shí)的電耗小容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)根據(jù)供電方式的不同直流拖動(dòng)系統(tǒng)又可分為兩類(lèi)一類(lèi)是發(fā)電機(jī)組供電的系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱(chēng)GM 系統(tǒng) 一類(lèi)是晶閘管供電的系統(tǒng) 簡(jiǎn)稱(chēng) VM 系統(tǒng) GM 系統(tǒng)的特點(diǎn)是過(guò)載能力強(qiáng)所需設(shè)備均為常規(guī)定型產(chǎn)品供貨容易運(yùn)行可靠維護(hù)工作量大但是技術(shù)要求不高對(duì)系統(tǒng)以外的電網(wǎng)不會(huì)造成有害的影響即不會(huì)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(diǎn)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(dá) 104 比 GM 系統(tǒng)高三個(gè)數(shù)量級(jí)快速響應(yīng)性好 GM系統(tǒng)為秒級(jí) VM為毫秒級(jí)因而動(dòng)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(dá) 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(shí)轉(zhuǎn)速受到限制而 VM系統(tǒng)調(diào)速時(shí)速度從零到最大速度都能控制運(yùn)行可靠 直流拖動(dòng)系統(tǒng)具有調(diào)速性能好的特點(diǎn)是交流拖動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法相比的而 VM 系統(tǒng)由于具有以上一些突出的特點(diǎn)因此目前在大型提升機(jī)方面世界各國(guó)大多采用直流拖動(dòng)方 案尤以 VM系統(tǒng)為主但是根據(jù)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 VM系統(tǒng)尚存在以下缺點(diǎn) 1 晶閘管元件的過(guò)載能力 過(guò)電壓過(guò)電流 較低因此在礦井提升機(jī)系統(tǒng)中作為供電元件時(shí)為了適應(yīng)瞬時(shí)過(guò)載 例如提升機(jī)的加速階段 的需要通常將元件的容量和耐壓等級(jí)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(yùn)行即使用的元件在正常負(fù)載時(shí)處于低負(fù)載 降級(jí)使用 以確保在過(guò)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(guò)負(fù)荷時(shí)使晶閘管元件燒毀但由于這種降級(jí)使用也給生產(chǎn)維護(hù)上增加了困難 2 有沖擊性的無(wú)功功率由于高次諧 波的影響使電網(wǎng)電壓的波動(dòng)加大并導(dǎo)致畸變即所謂引起電力公害同時(shí)低速時(shí)功率因數(shù)也較低 目前在我國(guó)使用的多繩摩擦輪提升機(jī) GM 直流拖動(dòng)占一定比例而進(jìn)口的直流拖動(dòng)提升系統(tǒng)則全部采用 VMPLC 控制的大功率礦井提升機(jī)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(rùn)滑站操作臺(tái)安全保護(hù)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(jī)控制系統(tǒng)框圖 1 主控系統(tǒng) 圖 23 為提升機(jī)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(shí)候可以迅速切換備用 PLC不影響生產(chǎn)使用PLC 集成高速計(jì)數(shù)輸入口以及特殊高速計(jì)數(shù)模塊相結(jié)合對(duì)分別安裝于電機(jī)軸輥筒主軸天輪的四個(gè)編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集同時(shí)監(jiān)視速度深度以及判斷松繩 AD 模塊采集現(xiàn) 場(chǎng)液壓站及潤(rùn)滑站的油壓油溫等信號(hào)在井筒及深指器各階段安裝行程開(kāi)關(guān)用以確定罐籠位置并相互校驗(yàn)達(dá)到停車(chē)位的精確控制程序編制滿足提升機(jī)自動(dòng)半自動(dòng)手動(dòng)驗(yàn)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(yùn)行的要求 2 變頻調(diào)速系統(tǒng) 調(diào)速系統(tǒng)采用德國(guó)制造西門(mén)子變頻器性能優(yōu)越采用矢量控制技術(shù)適合提升機(jī)工作環(huán)境只需在控制單元給出對(duì)變頻器的控制命令 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)多段速等 即可使提升機(jī)按照設(shè)定的速度曲線運(yùn)行滿足提升階段穩(wěn)定運(yùn)行的要求變頻調(diào)速裝置本身具有過(guò)壓欠壓過(guò)流過(guò)負(fù)荷缺相超溫等保護(hù)同時(shí)配合來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各 種信號(hào)傳感器的監(jiān)視及相應(yīng)處理可實(shí)現(xiàn)絞車(chē)過(guò)卷過(guò)速減速限速等重要保護(hù)的雙線制保護(hù)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(hào)到 PLC 要求只有在變頻的輸出轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值的時(shí)候才可以松閘這樣會(huì)避免豎井提升機(jī)啟動(dòng)時(shí)發(fā)生溜車(chē)現(xiàn)象 3 液壓站 為提升機(jī)提供制動(dòng)力停車(chē)時(shí)先通過(guò)液壓站給卷筒施加機(jī)械制動(dòng)力再取消直流制動(dòng)力提升機(jī)起動(dòng)時(shí)先對(duì)電機(jī)施加直流制動(dòng)再松開(kāi)機(jī)械抱閘防止溜車(chē)以保證系統(tǒng)安全可靠地工作 4 操作臺(tái) 操作臺(tái)設(shè)置兩個(gè)手柄分別用于速度輔助給定及制動(dòng)力給定它是整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)加速平穩(wěn)運(yùn)行減速停車(chē)以及緊急制動(dòng)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(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁它可以在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)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(hù) 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(kāi)時(shí)另兩條也同時(shí)斷開(kāi)硬安全回路通過(guò)硬件回路實(shí)現(xiàn)無(wú)論 PLC單元是否正常工作一旦出現(xiàn)重度故障信號(hào)硬安全回路馬上斷開(kāi)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(shí)動(dòng) 作安全電路斷開(kāi)后系統(tǒng)會(huì)立即解除運(yùn)行控制指令封鎖變頻器制動(dòng)油泵斷開(kāi)安全閥和 KT 線圈進(jìn)行緊急制動(dòng)安全保護(hù)功能齊全設(shè)有過(guò)卷等速超速定點(diǎn)超速 PLC 編碼器斷線錯(cuò)向傳動(dòng)系統(tǒng)故障及自動(dòng)限速等保護(hù)功能 控制系統(tǒng)工作原理當(dāng)司機(jī)聽(tīng)到開(kāi)車(chē)信號(hào)時(shí)按下啟動(dòng)按鈕 PLC 控制將 380V 動(dòng)力電源接入變頻器再松開(kāi)液壓制動(dòng)閘并將主令控制器推到正向或反向提升機(jī)開(kāi)始運(yùn)行在提升過(guò)程中控制提升機(jī)運(yùn)行的主速度給定 S形速度曲線由 PLC編程產(chǎn)生經(jīng)過(guò) AD 轉(zhuǎn)換由模擬量輸出口輸出以驅(qū)動(dòng)變頻器工作對(duì)變頻器輸出頻率的調(diào)整控制也可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工況需要由操作臺(tái)速度控制手柄 以輔助給定的方式進(jìn)行控制旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速并將此信號(hào)傳送給可編程控制器 PLC 通過(guò)該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的速度及行走距離監(jiān)視器可以時(shí)時(shí)顯示提升機(jī)速度和位置 第 3 章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31 變頻調(diào)速的發(fā)展及在提升機(jī)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(diǎn)長(zhǎng)期占據(jù)了主導(dǎo)地位但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜過(guò)流能力不強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)差難以實(shí)現(xiàn)高速度化等原因一直限制了其應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大相比較而言交流異步電機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)過(guò)流能力大牢固耐用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易維護(hù)及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)但異步電機(jī)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(lái)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(jìng)爭(zhēng)交流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大近年來(lái)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(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)目前已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)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(guò) 40 年卻取得了長(zhǎng)足的進(jìn)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(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用 交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制技術(shù)大體經(jīng)歷了以下幾個(gè)發(fā)展階段 第一個(gè)階段為電壓頻率 Uf150 確保低速爬行時(shí)的啟動(dòng)與運(yùn)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(lái)從而使傳動(dòng)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(shí)起動(dòng)瞬間總要溜車(chē)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(dá)到了在整個(gè)運(yùn)行過(guò)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(shí)溜車(chē)的現(xiàn)象 提升機(jī)使用變頻調(diào) 速控制具有下列優(yōu)點(diǎn) 1 調(diào)速平滑調(diào)速范圍大通過(guò)控制器的控制變頻器的輸出頻率可以連續(xù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流小動(dòng)負(fù)荷小調(diào)速平滑而無(wú)沖擊 2 調(diào)速精度高電動(dòng)機(jī)在自然特性上運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的外特性硬轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小 3 動(dòng)態(tài)品質(zhì)好可使提升機(jī)的起動(dòng)制動(dòng)反轉(zhuǎn)和調(diào)速過(guò)程的時(shí)間降至最少具有良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì) 4 易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的換向當(dāng)頻率降低至零后即可反向開(kāi)車(chē)采用控制器改變相序即可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)因此可在四象限內(nèi)平滑的過(guò)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(jī)學(xué)的基本公式 41 式中電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù) p 一定改變電源頻率 f 即可改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)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(shí)際轉(zhuǎn)速也增加電源頻率下降同步轉(zhuǎn)速 n0 也下降電機(jī)轉(zhuǎn)速也降低這種通過(guò)改變電源頻率實(shí)現(xiàn)的速度調(diào)節(jié)過(guò)程稱(chēng)為變頻調(diào)速 在變頻調(diào)速領(lǐng)域異步電機(jī)的控制方式多種多樣但從轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)性和過(guò)渡特性來(lái)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(jī)最簡(jiǎn)單的一種控制方法通過(guò)控制過(guò)程中始終保持 VF 為常數(shù)來(lái)保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定然而 VF 控 制是一種開(kāi)環(huán)的控制方式速度動(dòng)態(tài)特性較差電機(jī)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(lái)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整特別是低速時(shí)由于定子電阻和逆變器等器件開(kāi)關(guān)延時(shí)的存在系統(tǒng)可能會(huì)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(chǎng)所 2 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測(cè)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速對(duì)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)只能是單機(jī)運(yùn)行同時(shí)轉(zhuǎn)差頻率控制未能實(shí)施對(duì)電機(jī)瞬時(shí)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(duì)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(guò)一系列的坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(duì)象的感應(yīng)電機(jī)當(dāng)作直流電機(jī)來(lái)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制目前實(shí)用中多采用轉(zhuǎn)差頻率矢量控制由于其沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制無(wú)需檢測(cè)出磁通因而容易實(shí)現(xiàn)但是其控制器的設(shè)計(jì)在某種程度上依賴于電機(jī)的參數(shù)為了減少控制上對(duì)電機(jī)參數(shù)的敏感性已經(jīng)提出了許多參數(shù)辨識(shí)參數(shù)補(bǔ)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(yùn)算的復(fù)雜性直接對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行控制通過(guò)轉(zhuǎn)矩誤差磁通控制誤差按一定的原則選擇逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)控制施加在定子端的三相電壓調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出功率達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的由于 DTC 直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制對(duì)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(shí)應(yīng)以負(fù)載特性為基本依據(jù)分析提升機(jī)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(lèi) 設(shè)備都存在一定靜摩擦力負(fù)載的慣量很大在啟動(dòng)時(shí)要求有足夠的啟動(dòng)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(shí)過(guò)流能力但當(dāng)?shù)退贂r(shí)負(fù)載較重的情況下為提高轉(zhuǎn)矩提升能力而使電壓補(bǔ)償提的過(guò)高往往容易引起過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作選型時(shí)應(yīng)充分考慮這些情況必要時(shí)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(guò)電流的情況下提供較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)于升降類(lèi)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載如提升機(jī)電梯等這類(lèi)負(fù)載的特點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大在其下降過(guò)程中需要一定制動(dòng)轉(zhuǎn)矩同時(shí)會(huì)有能量回饋因此要求變頻 器有一定余量 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意適當(dāng)增大異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的容量 的選型 提升機(jī)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(guó)的西門(mén)子及丹麥的丹佛斯等本系統(tǒng)選用西門(mén)子 6SE70 變頻器西門(mén)子變頻器具有較合理的價(jià)格完整的理論計(jì)算書(shū)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(dòng)電阻和制動(dòng)單元單獨(dú)的整流單元整流回饋單元和單獨(dú)的逆變器制動(dòng)運(yùn) 行的方式對(duì)于不經(jīng)常制動(dòng)的設(shè)備可以選擇變頻器制動(dòng)單元制動(dòng)電阻的方式對(duì)于經(jīng)常制動(dòng)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(tái)逆變器供電對(duì)于不同時(shí)制動(dòng)的逆變器可以在直流母線上交換能量當(dāng)制動(dòng)功率大時(shí)從回饋單元向電網(wǎng)回饋能量還可以將多臺(tái)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(dòng)單元與制動(dòng)電阻當(dāng)制動(dòng)功率大時(shí)由制動(dòng)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(kāi)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(cè)速裝置 6SE70 系列變頻器的所有設(shè)備