【文章內容簡介】 　　(2) 在電動機運行一段時間之后,電機的溫度升高,定子電阻的阻值發(fā)生變化,使定子磁鏈的估計精度降低，導致電磁轉矩出現(xiàn)較大的脈動。 　　(3) 逆變器開關頻率的高低也會影響轉矩脈動的大小，開關頻率越高轉矩脈動越小，反之開關頻率越低轉矩脈動越大。 矢量控制變頻調速系統(tǒng)————通過測量和控制異步電動機定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。以后在實踐中許多學者進行了大量的工作，經過不斷的改進，歷經此后幾十年的時間，達到了可與直流調速系統(tǒng)的性能相媲美的程度。具體步驟是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量 (勵磁電流) 和產生轉矩的電流分量 (轉矩電流) 分別加以控制，并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稱為矢量控制方式。簡單地說，矢量控制就是將磁鏈與轉矩解耦，有利于分別設計兩者的調節(jié)器，以實現(xiàn)對交流電機的高性能調速。這樣就可以將一臺三相異步電機等效為直流電機來控制，因而獲得與直流調速系統(tǒng)同樣的靜、動態(tài)性能。圖25 矢量控制過程框圖矢量控制方式又有基于轉差頻率控制的矢量控制方式、無速度傳感器矢量控制方式和有速度傳感器的矢量控制方式等。 基于轉差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進行U / f ＝恒定控制的基礎上，通過檢測異步電動機的實際速度n，并得到對應的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率f進行控制的?；谵D差頻率控制的矢量控制方式的最大特點是，可以消除動態(tài)過程中轉矩電流的波動，從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。早期的矢量控制通用變頻器基本上都是采用的基于轉差頻率控制的矢量控制方式。無速度傳感器的矢量控制方式是基于磁場定向控制理論發(fā)展而來的。實現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置，要在異步電動機內安裝磁通檢測裝置是很困難的，但人們發(fā)現(xiàn)，即使不在異步電動機中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到了所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據(jù)輸入的電動機的銘牌參數(shù)，按照轉矩計算公式分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流的指令值和檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現(xiàn)矢量控制。 采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產生的轉矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器，并需使用廠商指定的變頻器專用電動機進行控制，否則難以達到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用變頻器中已經具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅動異步電動機進行正常運轉之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結果調整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉矩矢量控制等，可提高異步電動機轉矩控制性能的技術外，目前的新技術還包括異步電動機控制常數(shù)的調節(jié)及與機械系統(tǒng)匹配的適應性控制等，以提高異步電動機應用性能的技術。為了防止異步電動機轉速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉速，應用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動電壓調整（AVR）控制技術的控制方式，已實用化并取得良好的效果。 本章結合潞安王莊煤礦生產實際情況，闡述了提升機工作原理及對電氣控制系統(tǒng)的要求；并給出該礦副斜井提升機傳動系統(tǒng)圖，使提升機的工作原理更加清晰。王莊煤礦副斜井提升機電控系統(tǒng)是古老的轉子串電阻調速，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速，到底哪種調速方法調速性能更好。針對這種種疑問，本章分別對提升機直流調速和交流調速的調速性能進行分析，并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進行分析，并與目前技術已經成熟的提升機變頻調速控制系統(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。設計中同時考慮到串電阻調速系統(tǒng)控制器件多、電路復雜的缺點，所以將可編程控制器（PLC）應用于控制系統(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速控制系統(tǒng)。3 提升機調速控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)經過分析比較，權衡各種控制方案的優(yōu)劣，結合提升機調速系統(tǒng)屬于恒轉矩負載特性，最終選擇PLC與變頻器相結合的變頻調速方案，其變頻控制方式為：矢量變頻調速控制。此方案能夠很好解決傳統(tǒng)交流繞線式電機串電阻調速系統(tǒng)的缺點，變頻調速是通過改變定子供電頻率來達到電機調速的目的，無論轉速高低，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。變頻調速系統(tǒng)將是提升機電控系統(tǒng)的發(fā)展方向?；?PLC 的礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)由動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、安全回路、控制核心和檢測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖如圖31所示。動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)由機械和電氣兩部分組成。機械部分包括減速器、滾筒、制動器和底座；電氣部分包括斷路器、進線電抗器、變頻器、濾波器出線電抗器和拖動電機。動力系統(tǒng)完成人、物、料的運輸任務。變頻器是拖動電機能量供給單元，主電機通過減速器向滾筒提供牽引所需的動力。液壓部分液壓部分包括液壓站和潤滑站。液壓站為提升機提供制動力，停車時先通過液壓站給滾筒施加機械制動力；提升機起動時，待變頻器對電機施加一定力矩后松開機械抱閘，防止溜車，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作?？刂坪诵目刂坪诵氖钦麄€提升系統(tǒng)的核心，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。圖31 礦井提升機控制系統(tǒng)框圖監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁，包括工控機、觸摸屏和接入礦調度系統(tǒng)的工業(yè)以太網。觸摸屏上顯示提升容器在井筒中的位置。工控機通過與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)。安全回路安全回路是保證整個系統(tǒng)正常運行的關鍵，包括硬件和軟件兩條安全回路，安全電路相互冗余與閉鎖，一條斷開時，另外一條也同時斷開。硬件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，硬件安全回路馬上斷開；軟件安全回路在PLC軟件中搭建，與硬件安全回路同時動作。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。檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)主要由電流、電壓檢測單元和旋轉編碼器構成，主要檢測主電動機的電壓、電流及轉速，并將此信號傳送給控制器。PLC通過采集這些反饋信號，實現(xiàn)對提升機的控制及保護。 變頻調速控制系統(tǒng)工作原理變頻調速控制系統(tǒng)內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，大功率變頻可以將工頻三相交流電經過交—直變換之后經過逆變器，利用設定的參數(shù)進行逆變，使得輸出為某一相應設定頻率的交流電，經變頻后輸出U,V,W來驅動電機的運行。變頻器輸出頻率的變化，將導致電動機的輸出轉速變化，二者之間的關系近似線性。這樣，就起到了調速的作用。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編程產生，經過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?？刂票O(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)。 提升機電控系統(tǒng)變頻器硬件實現(xiàn) 變頻調速主系統(tǒng)設計圖32 變頻調速系統(tǒng)主回路電路圖變頻調速單元采用森蘭SB70G系列SB70G200T4通用變頻器，其變頻調速系統(tǒng)主回路電路圖如圖3—2所示。SB70G系列變頻器采用轉子磁場定向的矢量控制方式實現(xiàn)了對電機大轉矩、高精度、寬范圍調速，可靠性高，功能強大。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。本變頻調速系統(tǒng)所選電動機為：QABP系列變頻調速三相異步電動機(ABB)。其技術數(shù)據(jù)如表3—1所示：表31 QABP系列8級電機（50HZ同步轉速750r/min）型 號標稱功率（KW）額定電流（A）額定轉矩（Nm）額定轉速（r/min）最大轉矩/額定轉矩（TMAX/TN）轉動慣量（Kgm2）質量Kg355M8B16031820377421621圖33 ABB—QABP系列變頻調速三相異步電動機變頻器的選擇在一臺變頻器驅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，或者是變頻器額定電流一定大于拖動系統(tǒng)在運行過程中的最大電流。另外礦用提升機屬于頻繁起動、加減速運轉，其變頻器容量的選定應根據(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 ：為變頻器額定輸出電流(A)； 為各運行狀態(tài)平均電流(A)； 為各運行狀態(tài)下的時間；為安全系數(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)中所需電動機的額定電流為318A。提升機運轉具有較大慣性，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，森蘭SB70G系列通用變頻器是專為類似負載而設計，該系列產品采用了最優(yōu)的電機控制方法—矢量控制技術，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；開環(huán)控制精度可以達到閉環(huán)矢量控制的精度（%～%），開環(huán)轉矩階躍上升時間小于5 ms，具有290% 瞬時轉矩控制能力，有PG矢量控制轉速控制范圍1:1000，并具有有效的磁通制動來提供最大的制動力矩。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號規(guī)格：選擇森蘭SB70G200T4通用型變頻器。其標稱參數(shù)如表3—2所示：表3—2森蘭SB70G200T4通用型變頻器的參數(shù)型 號電壓等級額定容量額定輸出電流適配電機毛 重SB70G200T4400V248KVA377A200kw200kg圖34 SB70G200T4掛式單機機型外形圖 變頻器外部電路設計變頻器可以輸出頻率可調的交流電源，另外在變頻器的外圍加設有聲光報警輸出口及制動單元，能夠實現(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35所示。一、聲光報警回路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，當變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同時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）。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，以保護變頻器內部報警繼電器觸點。圖35 變頻器外部電路連接二、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0Hz時，常常停不住，而有“蠕動”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，變頻器調速時應設置能耗制動和直流制動功能。能耗制動電路的作用在變頻調速系統(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。提升機減速制動時，在頻率剛減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉子轉速未變。當同步轉速低于轉子轉速時，轉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，電動機軸上的轉矩變成了制動轉矩，使電動機的轉速迅速下降。從電動機的角度來看，處于再生制動狀態(tài)。電動機工作在再生制動狀態(tài)，電動機向變頻器回饋能量，這些能量一般儲存在變頻器儲能元件中，如不及時處理，會使直流側電壓急劇上升，損壞變頻器元器件。為了抑制這個電壓的上升，若增大電容 C, 則勢必使變頻器體積過于龐大，而且電容過大將增強對電網的污染。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，從而獲得制動轉矩。泵升電壓抑制電路可有效的將這部分能量釋放，確保在整個制動過程中，直流側電壓在安全范圍內。泵升電壓抑制電路工作原理泵升電壓抑制電路原理如圖36所示，主要由制動單元和制動電阻組成。圖36 泵升電壓抑制電路原理圖1）制動單元圖36虛線框內設備為制動單元，主要由以下幾部分組成：① 功率管 VB，用于接通與關斷能耗電路，是制動單元的主體。VB的常用器件是GTR或IGBT。② 電壓取樣與比較電路，按比例取出直流母線電壓的一部分作為采樣電壓，和基準電壓進行比較，得到控制VB導通或截止的指令信號。③ 驅動電路，驅動電路用于接受“取樣與比較電路”給