【文章內容簡介】 步轉速 (r/min)。 1f — 定子頻率 (Hz)。 pn — 磁極對數(shù)。 成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 10 而異步電動機的轉速為 : )1(60)1( 11 sn fsnn p ???? 式中 : s 異步電動機的轉差率 11nnns ?? 改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉速，實現(xiàn)調速運行。當然，也可以通過改變轉差率，和磁極對數(shù) n ，來改變異步電動機的轉速。 但是變極 對 數(shù)和變轉 差率在調速領域內的應用范圍較小，而變頻調速具有高效率、高范圍和高精度的調速性能，是比較合理的調速方法。交流變頻器正是通過均勻的改變輸入異步電動機定子的供電頻率來調節(jié)電動機轉速的。對異步電動機進行調速控制時，希望電動機的主磁通保持不變。 磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負荷能力下降 。磁通太強，則由于過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負載分量，為使電動機不過熱，負載能力要下降。異步電動機的氣隙磁通 ( 主磁通 )是定、轉子合成磁動勢產生的。由電機理論知道，三相異步電動 機定子每相電動勢的有效值為 : m111 ?? NfE 式中 1E — 定子每相由氣隙磁通感應的電動勢的均方根值 (V) 。 1f — 定子頻率 (Hz) 。 1N — 定子相繞組有效匝數(shù) 。 Φ m— 每相磁通量 (Wb)。 由上式可見 ,Φ m的值是由 E1 和 f1共同決定的，對 E1和 f1進行適當?shù)目刂?,就可以使氣隙磁通Φ m保持額定值不變。下面分兩種情況說明 : 這是考慮從基頻 (電動機額定頻率 AN)向下調速的情況，為了保持電動機的負載能力， 應保持氣隙主磁通Φ m不變， 這就要求降 低供電頻率的同時降低感應電動勢，保持 E1/ f1 = 常數(shù)， 即保持電動勢和頻率之比為常數(shù)進行控制。 這種控制又稱為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。 但是， E1難于檢測和直接控制。當 El和 f1值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如果忽略不計，則可以近似 的保持定子相電壓 U1和頻率 f1的比值為常數(shù)即可。這就是恒壓頻比，是近似的恒磁通控制。當頻率較低時， U1和 E1都變小， 定子漏阻抗壓降 (主要是定子電阻壓降 )不能再忽略 ,這種情況下，可以適當?shù)奶岣叨ㄗ与妷阂? 補償定子電阻壓降的影響 ,使氣隙磁通基本保持不變， 。 這是考慮由基頻開始向上調速的情況，頻率由額定值 . f 1N向上增大，但電成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 11 壓 U1受額定電 壓 U1N的限制不能再升高，只能保持 U1 =U1N不變。必然會使主磁通隨著 f1的上升而減小，相當于直流電動機弱磁調速的情況，屬于近似的恒功率調速方式。 綜合兩種情況，異步電動機變頻調速的基本控制方式如圖 22所示，為恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)，低頻調速時通過電壓補償?shù)姆绞絹肀３趾戕D矩。 圖 22 異步電動機變頻調速時的控制特性 第三節(jié) 變頻調速控制方式分類 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 U/F 控制 U/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 U/F為常數(shù)，來保證轉子磁通的恒定。然而 U/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，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速精度不高的場所。 ②轉差頻率控制 轉差頻率控制是檢測異步電動機的轉速，對轉差頻率采取閉環(huán)控制。與 U/F控制相比，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，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，實成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 12 現(xiàn)電機定子電流轉矩分量和磁通分量的解藕的控制方法，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禍運算的復雜性，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。 異步電動機用變頻器傳動的方塊圖，如圖 23 所示，變頻器由變流器、平滑電路、逆變器 、控制器四大部分組成，變流器將交流電變?yōu)橹绷麟?，平滑電路將此直流電平滑后，由逆變器將它變換為頻率可調的交流電，向電動機提供電壓、電流和頻率。 圖 23 變頻器的基本結構 第四節(jié) 變頻器按中間直流環(huán)節(jié)方式分類 電流型變頻器 當交 直 交變壓變頻裝置的中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時，直流電流波形比較平直，因而電源內阻抗很大，對負載來說基本上是一個電流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電流源型變頻器。有的交 交變頻裝置用電 抗器將輸出電流強制變成矩形波 或階梯波，具有電流源的性質，它也是電流源型變頻器。這種電流源型變頻器，其逆變器中的晶閘管每個周期工作 1200 ，屬于 1200導電型。 電流源型變頻器一個突出的優(yōu)點是當電動機處于再生狀態(tài)時，反饋到直流側的再生電能可以方便的回懊到交流電網(wǎng)，不需要主回路中附加任何設備，只要利成都電子機械高等專科學校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 13 用網(wǎng)側的可逆變流器改變其輸出電壓極性即可，這種電流型變頻器有制動發(fā)電能力，又能設置電流環(huán)提高承載能力，適合需要快速減速和調速范圍寬的場合，適配大功率電機，國內單機容量可達 120xxKW，國外達數(shù)萬 K W級。 電壓型變頻器 在交 直 交變 壓變頻裝置中，當中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個內阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類變頻裝置叫做電壓源型變頻器。一般的交 直 交變壓變頻裝置雖然沒有濾波電容，但供電電 源的低阻抗使它具有電壓源的性質，也屬于電壓源型變頻器。對負載電動機而言，變頻器是一個交流電壓源，在不超過電壓容量的情況下可以驅動多臺電動機并聯(lián)運行，具有不選擇負載的通用性。中小功率變頻器通常采用電容濾波即電壓型變頻器。逆變器開關器件己由晶閘管 （ SC R)、功率晶體管 （ GTR)，發(fā)展到 絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)，以至智能型功率模塊 (IPM)，集成門極換流晶閘管 (IGCT)等。 成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 14 第三章：系統(tǒng)設計 第一節(jié) 提升機電控系統(tǒng)總體結構 獨特的地理環(huán)境和構造給礦井主電路設計和維護帶來諸多不便，本設計中我們用 P L C 實現(xiàn)各種故障保護和對繼電器 I/O 口觸點的控制，大大節(jié)約了人力物力財力，使維護變得安全可靠。來自系統(tǒng)各部分的保護信號直接引入到 P L C中， P L C 將其處理后分為立即施閘、終端施閘、電氣制動和報警四類，根據(jù)不同故障控制閘控系統(tǒng) ， 控制聲光報警系統(tǒng)報警，并送監(jiān)視器顯示故障類型。由保護 P L C 根據(jù)系統(tǒng)的安全要求，構成軟件安全回路。還將由編碼器信號經(jīng)軟件計算后處理成罐籠在井筒中的在線速度， 進行后備位置、 速度保護?；赑LC 控制的大功率礦井提升機變頻調速控制系統(tǒng)由動力裝置、變頻器、操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成，系統(tǒng)框圖各部分功能如下： 動力裝置：包括主電機、電源模塊、制動器和底座，完成人、物、料的運輸任務。主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力； 變頻調速器：是動力裝置的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉換成頻率可調的電能提供給交 流電動機，以達到控制交流電動機轉速的目的。 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?？刂票O(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)。 成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 15 第二節(jié) PLC 外圍硬件設計 一 、 電源回路 電源部分采用雙回路供電模式，電源柜主要是給變 頻柜和動力柜供電，同時用來進行過流保護和電壓、電流測量。并且將操作臺中的主電源上電開關串入變頻柜送電斷路器的失壓脫扣線圈中，用來實現(xiàn)緊急停車。供電主回路示意圖如圖31 所示。 圖 31 主電路回路圖 動力柜主要是給油泵、風機和操作臺供電，同時具有斷相、缺相、過流保護和電機過熱保護。其中油泵有 :制動油泵兩個，潤滑油泵兩個。操作臺采用 UPS電源供電。 操作臺電源供電方式，如圖 32 所示，從動力柜來的 AC220V 電在操作臺中經(jīng)斷路器分六路供電，分別給兩套 PLC 電源模塊供電、給數(shù)顯儀表供 電、給開關電源 (AC220V 輸入， DC24V 輸出 )、給可調閘線性電源供電。其中 :開關電源分別給 DC24V 回路、液壓站電磁閥和現(xiàn)場儀表供電。 成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 16 圖 32 操作臺供電方式 二 位置信號采集及傳感器的信號采集 行程開關的設置 (1)深指器 (如圖 33(a)所示 )上一共安裝七個行程開關，依次分別是 :上過卷開關、上終端開關、減速點開關、上井口開關、下終端開關、下過卷開關、下井口開關。其中上過卷開關，減速點開關，上下井口開關分別接常閉觸點引入操作臺中。 (2)輥筒 (如圖 33(b)所示 )出繩口附近也安裝一個行 程開關，用來檢測松繩(延時 85)，輥筒離合器附近安裝三個行程開關，分別用做檢測離合器分、合狀態(tài)和調繩閉鎖。 圖 33 深指器和輥筒 成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 17 (3)室外井架上安裝兩上終端開關，兩個過卷開關，兩個極限過卷開關。外接線時用防爆接線盒與電纜對接。 圖 34 井架及井筒行程開關的設置 在左右裝卸位置安一個，作 為上下終端開關在左右裝卸位置往上 米 安一個，作 為上下過卷開關在左右過卷往上 米 安一個，作 為上下極限過卷 開關。 (4)井筒中包括井架上安裝 6 個防爆磁開關 (一般為常開帶記憶型的 )。分別在如下位置安裝 : 在左右爬行入口處各安一個，作 為上下井口開關 在左 右減速開始點位置各安一個，作 為上下減速點開關 在左右減速點開關前 5 米 各安一個，作 為上下深度校正開關。 如圖 34所示。 傳感器的安裝 傳感器的設置主要是針對液壓站和潤滑站兩部分。液壓站的主要作用是 :可以為盤式制動器提供不同的油壓值的壓力油，以獲得不同的制動力矩 。在事故狀態(tài)下，可以使制動器的油壓迅速降到預選設定的某一值 P。級，經(jīng)過沿時后制動器的全部油壓迅速回到零， 使制動器達到全制動狀態(tài)。 成都電子機械高等?？茖W校成教院畢業(yè)論文（設計） （ 基于 PLC 控制的變頻調速的系統(tǒng)設計 ） 18 圖 35 液壓站及潤滑站 A液壓站部分 (如圖 35(a)所示 )所