【文章內(nèi)容簡介】 　　(2) 在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間之后,電機(jī)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(jì)精度降低，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動(dòng)。 　　(3) 逆變器開關(guān)頻率的高低也會(huì)影響轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的大小，開關(guān)頻率越高轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越小，反之開關(guān)頻率越低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)越大。 矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)————通過測量和控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流矢量，根據(jù)磁場定向原理分別對異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行控制，從而達(dá)到控制異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。以后在實(shí)踐中許多學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，歷經(jīng)此后幾十年的時(shí)間，達(dá)到了可與直流調(diào)速系統(tǒng)的性能相媲美的程度。具體步驟是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量 (勵(lì)磁電流) 和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量 (轉(zhuǎn)矩電流) 分別加以控制，并同時(shí)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(zhuǎn)矩解耦，有利于分別設(shè)計(jì)兩者的調(diào)節(jié)器，以實(shí)現(xiàn)對交流電機(jī)的高性能調(diào)速。這樣就可以將一臺(tái)三相異步電機(jī)等效為直流電機(jī)來控制，因而獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣的靜、動(dòng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式同樣是在進(jìn)行U / f ＝恒定控制的基礎(chǔ)上，通過檢測異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度n，并得到對應(yīng)的控制頻率f，然后根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩，分別控制定子電流矢量及兩個(gè)分量間的相位，對通用變頻器的輸出頻率f進(jìn)行控制的?；谵D(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式的最大特點(diǎn)是，可以消除動(dòng)態(tài)過程中轉(zhuǎn)矩電流的波動(dòng)，從而提高了通用變頻器的動(dòng)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)精確的磁場定向矢量控制需要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)安裝磁通檢測裝置，要在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)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(dòng)機(jī)中直接安裝磁通檢測裝置，也可以在通用變頻器內(nèi)部得到與磁通相應(yīng)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(dòng)機(jī)的銘牌參數(shù)，按照轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式分別對作為基本控制量的勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測，并通過控制電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓的頻率使勵(lì)磁電流（或者磁通）和轉(zhuǎn)矩電流的指令值和檢測值達(dá)到一致，并輸出轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)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(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，否則難以達(dá)到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。除了上述的無傳感器矢量控制和轉(zhuǎn)矩矢量控制等，可提高異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制性能的技術(shù)外，目前的新技術(shù)還包括異步電動(dòng)機(jī)控制常數(shù)的調(diào)節(jié)及與機(jī)械系統(tǒng)匹配的適應(yīng)性控制等，以提高異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用性能的技術(shù)。為了防止異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差以及在低速區(qū)域獲得較理想的平滑轉(zhuǎn)速，應(yīng)用大規(guī)模集成電路并采用專用數(shù)字式自動(dòng)電壓調(diào)整（AVR）控制技術(shù)的控制方式，已實(shí)用化并取得良好的效果。 本章結(jié)合潞安王莊煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，闡述了提升機(jī)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)圖，使提升機(jī)的工作原理更加清晰。王莊煤礦副斜井提升機(jī)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(jìn)。改進(jìn)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，本章分別對提升機(jī)直流調(diào)速和交流調(diào)速的調(diào)速性能進(jìn)行分析，并就目前存在的幾種高精控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并與目前技術(shù)已經(jīng)成熟的提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)做比較，這些工作對確定提升機(jī)控制方案提供了很大幫助。設(shè)計(jì)中同時(shí)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(diǎn)，所以將可編程控制器（PLC）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(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。3 提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)硬件實(shí)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，無論轉(zhuǎn)速高低，其機(jī)械特性基本上與自然機(jī)械特性平行，能夠滿足提升機(jī)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(jìn)行保護(hù)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(jī)電控系統(tǒng)的發(fā)展方向?；?PLC 的礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)由機(jī)械和電氣兩部分組成。機(jī)械部分包括減速器、滾筒、制動(dòng)器和底座；電氣部分包括斷路器、進(jìn)線電抗器、變頻器、濾波器出線電抗器和拖動(dòng)電機(jī)。動(dòng)力系統(tǒng)完成人、物、料的運(yùn)輸任務(wù)。變頻器是拖動(dòng)電機(jī)能量供給單元，主電機(jī)通過減速器向滾筒提供牽引所需的動(dòng)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(jī)提供制動(dòng)力，停車時(shí)先通過液壓站給滾筒施加機(jī)械制動(dòng)力；提升機(jī)起動(dòng)時(shí)，待變頻器對電機(jī)施加一定力矩后松開機(jī)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€(gè)提升系統(tǒng)的核心，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(shí)現(xiàn)對提升機(jī)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車以及緊急制動(dòng)等各種控制功能。圖31 礦井提升機(jī)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(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁，包括工控機(jī)、觸摸屏和接入礦調(diào)度系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)。觸摸屏上顯示提升容器在井筒中的位置。工控機(jī)通過與PLC的通信，將電動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)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(jìn)行時(shí)時(shí)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(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)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(shí)，另外一條也同時(shí)斷開。硬件安全回路通過硬件回路實(shí)現(xiàn)，無論P(yáng)LC單元是否正常工作，一旦出現(xiàn)重度故障信號(hào)，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(shí)動(dòng)作。安全電路斷開后，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，斷開安全閥和 KT 線圈，進(jìn)行緊急制動(dòng)。檢測系統(tǒng)檢測系統(tǒng)主要由電流、電壓檢測單元和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成，主要檢測主電動(dòng)機(jī)的電壓、電流及轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給控制器。PLC通過采集這些反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對提升機(jī)的控制及保護(hù)。 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)工作原理變頻調(diào)速控制系統(tǒng)內(nèi)部采用矢量控制思想，AC380V三相動(dòng)力電源由隔爆接線腔R,S,T 3個(gè)接線柱接入隔爆主腔內(nèi)，大功率變頻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(jìn)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(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)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(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A/D轉(zhuǎn)換，由模擬量輸出口輸出，以驅(qū)動(dòng)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(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通過該信號(hào)可以累計(jì)計(jì)算提升機(jī)的行走距離。操作人員通過操作臺(tái)向PLC發(fā)送控制提升機(jī)運(yùn)行的控制命令?？刂票O(jiān)視系統(tǒng)通過與PLC的通信，將電動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)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(jìn)行時(shí)時(shí)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(jī)電控系統(tǒng)變頻器硬件實(shí)現(xiàn) 變頻調(diào)速主系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖32 變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路電路圖變頻調(diào)速單元采用森蘭SB70G系列SB70G200T4通用變頻器，其變頻調(diào)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(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)大轉(zhuǎn)矩、高精度、寬范圍調(diào)速，可靠性高，功能強(qiáng)大。提升電動(dòng)機(jī)選擇一般電動(dòng)機(jī)的額定電流可以用如下公式計(jì)算，即：根據(jù)上述公式對一般三相交流異步電功機(jī)的額定電流計(jì)算得出：異步電動(dòng)機(jī)的額定電流與電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的保護(hù)元件時(shí)可以用1kw2A來估算電動(dòng)機(jī)的額定電流值，從而達(dá)到快速選擇保護(hù)元件的目的。本變頻調(diào)速系統(tǒng)所選電動(dòng)機(jī)為：QABP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)(ABB)。其技術(shù)數(shù)據(jù)如表3—1所示：表31 QABP系列8級(jí)電機(jī)（50HZ同步轉(zhuǎn)速750r/min）型 號(hào)標(biāo)稱功率（KW）額定電流（A）額定轉(zhuǎn)矩（Nm）額定轉(zhuǎn)速（r/min）最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩（TMAX/TN）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kgm2）質(zhì)量Kg355M8B16031820377421621圖33 ABB—QABP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)變頻器的選擇在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)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(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器額定電流一定大于拖動(dòng)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的最大電流。另外礦用提升機(jī)屬于頻繁起動(dòng)、加減速運(yùn)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(yùn)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(yùn)行狀態(tài)平均電流(A)； 為各運(yùn)行狀態(tài)下的時(shí)間；為安全系數(shù)(～)。考慮到礦用電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)，本系統(tǒng)中所需電動(dòng)機(jī)的額定電流為318A。提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)具有較大慣性，四象限運(yùn)行的特點(diǎn)，與其他傳動(dòng)機(jī)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(fù)載而設(shè)計(jì)，該系列產(chǎn)品采用了最優(yōu)的電機(jī)控制方法—矢量控制技術(shù)，它可以對所有交流電動(dòng)機(jī)的核心變量進(jìn)行控制，并把定子磁通、轉(zhuǎn)矩作為主要控制變量。其對負(fù)載的變化和瞬時(shí)掉電，能做出迅速響應(yīng)；開環(huán)控制精度可以達(dá)到閉環(huán)矢量控制的精度（%～%），開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間小于5 ms，具有290% 瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩控制能力，有PG矢量控制轉(zhuǎn)速控制范圍1:1000，并具有有效的磁通制動(dòng)來提供最大的制動(dòng)力矩。根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號(hào)規(guī)格：選擇森蘭SB70G200T4通用型變頻器。其標(biāo)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(hào)電壓等級(jí)額定容量額定輸出電流適配電機(jī)毛 重SB70G200T4400V248KVA377A200kw200kg圖34 SB70G200T4掛式單機(jī)機(jī)型外形圖 變頻器外部電路設(shè)計(jì)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(bào)警輸出口及制動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警器和安全制動(dòng)，更有效的對控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，外部電路連接如圖35所示。一、聲光報(bào)警回路變頻器報(bào)警輸出的動(dòng)斷（常閉）觸點(diǎn)“30B30C”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當(dāng)變頻器因故障不能正常工作時(shí)，發(fā)出報(bào)警；同時(shí)報(bào)警輸出的常閉觸點(diǎn)動(dòng)作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進(jìn)行安全保護(hù)。為了保護(hù)報(bào)警輸出的觸點(diǎn)，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(bào)警電路由報(bào)警輸出的動(dòng)合（常開）觸點(diǎn)“30B30A”控制，當(dāng)變頻器跳閘時(shí)，觸點(diǎn)“30B30A”閉合，將報(bào)警指示燈HL和電笛HA接通，進(jìn)行聲光報(bào)警。與此同時(shí)，斷電器KA1得電，其觸點(diǎn)將聲光報(bào)警電路自鎖，使變頻器斷電后，聲光報(bào)警能持續(xù)下去，直到工作人員按下ST1為止，報(bào)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(hù)變頻器內(nèi)部報(bào)警繼電器觸點(diǎn)。圖35 變頻器外部電路連接二、制動(dòng)控制回路提升機(jī)負(fù)載由于慣性較大，當(dāng)變頻器的輸出頻率下降至0Hz時(shí)，常常停不住，而有“蠕動(dòng)”現(xiàn)象，在礦山提升機(jī)這種大負(fù)載機(jī)械中，蠕動(dòng)現(xiàn)象有可能造成十分危險(xiǎn)的后果。為此，變頻器調(diào)速時(shí)應(yīng)設(shè)置能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)功能。能耗制動(dòng)電路的作用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)，是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的。提升機(jī)減速制動(dòng)時(shí)，在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180176。，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降。從電動(dòng)機(jī)的角度來看，處于再生制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)向變頻器回饋能量，這些能量一般儲(chǔ)存在變頻器儲(chǔ)能元件中，如不及時(shí)處理，會(huì)使直流側(cè)電壓急劇上升，損壞變頻器元器件。為了抑制這個(gè)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(qiáng)對電網(wǎng)的污染。因此，當(dāng)直流電壓超過一定值時(shí)，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(dòng)轉(zhuǎn)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(gè)制動(dòng)過程中，直流側(cè)電壓在安全范圍內(nèi)。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(dòng)單元和制動(dòng)電阻組成。圖36 泵升電壓抑制電路原理圖1）制動(dòng)單元圖36虛線框內(nèi)設(shè)備為制動(dòng)單元，主要由以下幾部分組成：① 功率管 VB，用于接通與關(guān)斷能耗電路，是制動(dòng)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(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，得到控制VB導(dǎo)通或截止的指令信號(hào)。③ 驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路用于接受“取樣與比較電路”給