【文章內(nèi)容簡介】 采煤機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 16 7) 在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時，低速段電動機(jī)的過載能力大為降低。 與其它調(diào)速方法的比較 交流電動機(jī)的調(diào) 速方法有三種：變極調(diào)速、改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。其中，變頻調(diào)速最具優(yōu)勢。這里僅就交流變頻調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)做一比較。 在直流調(diào) 速系統(tǒng)中，由于直流電動機(jī)具有電刷和整流子，因而必須對其進(jìn)行檢查 電機(jī)安裝環(huán)境受到限制。例如：不能在有易爆氣體及塵埃多的場合使用。此外，也限制了電機(jī)向高轉(zhuǎn)速、大容量發(fā)展。而交流電機(jī)就不存在這些問題，主要表現(xiàn)為以下幾點： 第一 直流電機(jī)的單機(jī)容量一般為 12 14MW，還常制成雙電樞形式，而交流電機(jī)單機(jī)容量卻可以數(shù)倍于它。 第二 直流電機(jī)由于受換向限制，其電樞電壓最高只能做到 一千多伏，而交流電機(jī)可做到 6 10kV。第三，直流電機(jī)受換向器部分機(jī)械強(qiáng)度的約束，其額定轉(zhuǎn)速隨電機(jī)額定功率而減小，一般僅為每分鐘數(shù)百轉(zhuǎn)到一千多轉(zhuǎn)，而交流電機(jī)的達(dá)到每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)。第四，直流電機(jī)的體積、重量、價格要比同等容量的交流電機(jī)大。最后，特別要指出的是交流調(diào)速系統(tǒng)在節(jié)約能源方面有著很大的優(yōu)勢。一方面，交流拖動的負(fù)荷在總用電量中占一半或一半以上的比重，這類負(fù)荷實現(xiàn)節(jié)能，可以獲得十分可觀的節(jié)電效益。另一方面，交流拖動本身存在可以挖掘的節(jié)電潛力。在交流調(diào)速系統(tǒng)中，選用電機(jī)時往往留有一定余量，電機(jī)又不總是在最 大負(fù)荷情況下運行；如果利用變頻調(diào)速技術(shù)，輕載時，通過對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，就能達(dá)到節(jié)電的目的。工業(yè)上大量使用風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，其用電量約占工業(yè)用電量的 50%；如果采用變頻調(diào)速技術(shù)，既可大大提高其效率，又可減少 10%的電能消耗。 合理應(yīng)用 交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國已得到廣泛應(yīng)用。美國有 60% 65%的發(fā)電量用于電機(jī)驅(qū)動，由于有效地利用了變頻調(diào)速技術(shù)，僅工業(yè)傳動用電就節(jié)約了 15% 20%的電量。 采用變頻調(diào)速，一是根據(jù)要求調(diào)速用，二是節(jié)能。它主要基于下面幾個因素： 1) 變頻調(diào) 速系統(tǒng)自身損耗小，工作效率高。 2) 電機(jī)總是保持在低轉(zhuǎn)差率運行狀態(tài)，減小轉(zhuǎn)子損耗。 3) 可實現(xiàn)軟啟、制動功能，減小啟動電流沖擊 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 17 交流變頻調(diào)速在電牽引采煤機(jī)上的應(yīng)用 從上世紀(jì) 80 年代開始，交流變頻調(diào)速技術(shù)在電牽引采煤機(jī)上獲得了應(yīng)用和推廣。然而目前多數(shù)的交流電牽引的采煤機(jī)由于受到所用的交流器件的限制，只能在坡度平緩的煤層條件下運行。我國煤層廣闊，煤層條件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傾斜煤層占有相當(dāng)大的比例，因此開發(fā)研制適合大傾角工作面使用的交流牽引采煤機(jī)顯得十分重要，而開發(fā)這類采煤機(jī)又在于懸著選擇合適的交流 調(diào)速技術(shù)。 1 傾角與制動功率關(guān)系 采用交流變頻調(diào)速的電牽引采煤機(jī)，大多數(shù)為了選用通用型變流變頻器作為牽引調(diào)速的控制器。在工作面煤層傾角平緩的情況下，這種變頻器均能滿足采煤機(jī)運行的需求。當(dāng)采煤工作面傾角較大時，往往會由于自重而產(chǎn)生下滑。 NFfM 1M 2α 圖 24 采煤機(jī)在大傾角工作時受力分析 Fig. 2 4 Shearer big dip in the work force analysis 因此，這種工況下作為牽引控制用的變頻器，必須具備制動能力，即必須具 備使受控牽引對象制動能力，即必須具備使受控牽引電機(jī)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)矩的能力。這個能力用功率來衡量。如圖。 假設(shè)采煤機(jī)與刮板運輸機(jī)之間的動摩擦系數(shù) μ＝ ，一臺重量為 40t 的采煤機(jī)在這個工作面上將產(chǎn)生的下滑力： )()25c ( s i )c os( s i nc oss i n KNumgmgmgF ????? ??????? ?? ????? (28) 若要求采煤機(jī)以 min/6mv? 的速度向下勻速運行，所需的制動功率： )(23 ?????? (29) 趙巖： 采煤機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 18 這就是說，若能提供這樣大小的制動功率，則采煤機(jī)就能在這一傾角的工作面安全工作運行。由于計算可知，傾角越大，所需的制動功率越大。若同樣的采煤機(jī)在傾角為 35176。時，則所需的制動功率應(yīng)為： KWvFP )35c ( s i ????????????? (210) 2 制動方式淺析 眾所周知，異步電動機(jī)的制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)有三種：即回饋制動、能耗制動以及反接制動。其中共同的特點是電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩 M 與轉(zhuǎn)速 n 的方向相反。當(dāng)制動運轉(zhuǎn)時，電動機(jī)從軸上吸收機(jī)械能量并轉(zhuǎn)化為電能，此時的電動稱為在作發(fā)電機(jī)運 行。當(dāng)采煤機(jī)作下滑運動時，牽引電機(jī)就處于制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)。顯而易見，比較適合采煤機(jī)運行的制動方式為能耗制動和回饋制動。在采用能耗制動時，電動機(jī)把從軸上吸收的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能后，必須通過外加的電阻將電能消耗掉。而在采用回饋制動時，這部分電能則通過定子繞組回饋到電網(wǎng)上。無論是外加電阻上的能耗或是回饋電網(wǎng)的結(jié)果，均能在電動軸上產(chǎn)生機(jī)械制動轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到制動的目的。當(dāng)異步電動機(jī)由交流變頻器控制時，無論采用能耗制動或是回饋制動，都必須在交流變頻器上增加相 1） 能耗制動 采用能耗制動時，必須在交流變頻器的直流回路上增加接 一個動態(tài)制動單元，并配有一組制動電阻。如圖 24 所示。當(dāng)電動工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時，其電流通過 IGBT 的并聯(lián)反相二極管，反送到直流回路，并向濾波電容充電。在直流回路的電壓到達(dá)規(guī)定值時，制動電源的開關(guān)管 T 導(dǎo)通，直流回路上的電能通過 T 在制動電阻上消耗掉，從而獲得了制動轉(zhuǎn)矩。這個方案從費用上比較經(jīng)濟(jì)，但在實際中卻有許多限制。 a)制動單元不可長期工作 制動單元由于受體積和功率器件散熱條件的限制制動工作一段時間后，必須停止使用一段時間，以保證功率器件的冷卻。 b)制動電阻體積大，散熱困難 由前述計算可知，一臺 40t 的采 煤機(jī)在 35176。傾角的工作面上以 min/6mv? 的速度下行時，所需的制動功率為 。為了安全可靠起見，選用電阻的功率按經(jīng)驗一般為所需制動功率的兩倍，即為 35KW 左右。這樣，其電阻的體積十分龐大，再考慮其防爆措施和冷卻手段，制動電阻就成為采煤機(jī)布置上的很大負(fù)擔(dān)。 2） 回饋制動 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 19 采用回饋制動時，在交流變頻器的電壓輸出端和直流回路之間需要增加一個逆變環(huán)節(jié)，如圖 25 所示，軟件上要增加相應(yīng)的程序控制。當(dāng)電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時，其發(fā)出的電能使交流變頻器的直流回路電壓上升，在電壓達(dá)到 了規(guī)定值時，通過這個逆變環(huán)節(jié)將能量反送到電網(wǎng)而獲得制動轉(zhuǎn)矩。 3） 綜合比較分析 選擇能耗制動還是回饋制動的焦點主要在傾角大小。從能耗制動的局限性分析可知， 2 5 10 15 20 305101520 2530制動時間（m i n )制動時間（s )不能使用 圖 26 日本東洋公司 VFGB5044 制動單元制動 /停用時間要求 6 A Japanese pany VFGB5044 brake brake modules / out time requirements 圖 27 采用回饋制動的交流變頻器原 理圖 7 Using regenerative braking of AC Converter diagram 這個傾角只要滿足采煤機(jī)在工作面上的下滑力和阻止下滑的動摩擦力相等即可，也就是： 0c oss in ????? ??? mgmg (211) 或者： 趙巖： 采煤機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 20 0c oss in ??? ??? (212) 即： ?? arctan? 式中： ? —— 動摩擦系數(shù)。 這個角度當(dāng)然不是絕對的。在稍大于這個角度的情況下，采用能耗制動當(dāng)然也是可行的，畢竟能耗制動成本較低，比較經(jīng)濟(jì)。但一定要配置足夠功率的制動單元和完善的制動電阻冷卻手段。從綜合比較分析可知，一般應(yīng)考慮如下兩點： 1） 運行在工作面傾角不太大的電牽引采煤機(jī)，以采用能耗制動比較適宜，采煤機(jī)下行時，牽引電機(jī)基本處于電動運行狀態(tài)，制動單元主 要用于快速停車和短時間的制動。這種工況下，制動單元完全可以滿足制動時間和停用時間的相關(guān)要求而且制動功率比較小，制動電阻的體積也不是很大。 2） 若運行在工作面傾角較大的電牽引采煤機(jī)則應(yīng)選擇回饋制動比較是適宜。當(dāng)采煤機(jī)下行時，牽引電機(jī)基本處于制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)，回饋制動提供足夠的制動功率，使采煤機(jī)能安全勻速的下行。 根據(jù)本次設(shè)計的需要，采煤機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)采用三菱公司的 FRA540L 系列變頻器可以根據(jù)下表的具體參數(shù)進(jìn)行選擇其具體的型號。其參數(shù)如下表 31 所示。根據(jù)表所示的具體參數(shù)我們選用的變頻器的具體型號為 FR－ A540L90K。 表 21 FR－ A540L 系列 Tab. 2 1 FRA540L Series 型號FRA540L□□K 75 90 110 132 160 220 280 375 450 530 600 670 750 800 最大輸出功率（ kW ）（注 1） 75 90 110 132 160 220 280 375 450 530 600 670 750 800 輸 額定容量 （ kV） 110 137 165 198 248 329 417 550 660 770 878 988 1097 1210 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 21 出 額定電流（ A） 144 180 216 260 325 432 547 722 866 1010 1152 1296 1440 1584 過載能力（注3） 150％ 60 秒， 200％ 秒（反時限特性） 電壓（注 4） 三相， 380V 至 480V 50HZ/60HZ 電 源 額定輸入交流電壓，頻率 三相， 380V 至 480V 50HZ/60HZ 交流電壓允許波動范圍 323 至 528V 50HZ/60HZ 允許頻率波動范圍 %5? 電源容量(kVA)（注 5） 110 137 165 198 248 329 417 550 660 770 878 988 1097 1210 保護(hù)結(jié)構(gòu) 開放型（ IP00） 冷卻方式 強(qiáng)制風(fēng)冷 大約質(zhì)量(kg) 75 75 75 115 115 155 235 490 500 1060 1060 1100 1100 1200 趙巖： 采煤機(jī) PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計 22 3 PLC 的選擇 PLC 概述 可編程序控制器（ PLC）是近十幾年發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制器。由于它把計算機(jī)的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣等優(yōu)點與繼 電器系統(tǒng)的控制簡單、使用方便、抗干擾能力強(qiáng)、價格便宜等優(yōu)點結(jié)合起來，而其本身又具有體積小、重量輕、耗電省等特點，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛。 PLC 的定義 可編程序控制器是在繼電器控制和計算機(jī)控制的基礎(chǔ)上開發(fā)的產(chǎn)品，逐漸發(fā)展成為以微處理器為核心，把自動化技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)融為一體的新型工業(yè)自動化控制裝置。 國際電工委員會（ IEC）曾于 1982 年 11 月頒發(fā)了可編程序控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿，1985 年 1 月又發(fā)表了第 2 稿， 1987 年 2 月發(fā)表了第 3 稿。草案中對可編程序控制器的定義是： “ 可編程序控 制器是一中數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計。它采用了可編程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字式或模擬式的輸入 /輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備，都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計。 ” 可編程序控制器的特點 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)是復(fù)雜多樣的，他們對控制的要求也各不相同?？删幊绦蚩刂破饔捎诰哂幸韵绿攸c而深受工廠工程技術(shù)人員和工人歡迎。 1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng) 這往 往是用戶選擇控制裝置的首要條件。 PLC 生產(chǎn)廠商在硬件和軟件上采取了一系列抗干擾措施，使它可以直接安裝于工業(yè)現(xiàn)場而穩(wěn)定可靠地工作。 2）適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用靈活 由于 PLC 產(chǎn)品均成系列化生產(chǎn)，品種齊全，多數(shù)采用模塊式的硬件結(jié)構(gòu)，組合和擴(kuò)展方便，用戶可根據(jù)自己的需要靈活選用，以滿足系統(tǒng)大小不同遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 （論文） 23 及功能繁簡各異的控制系統(tǒng)要求。 3）編程方便，易于使用 PLC 的編程可采用與繼電器電路極為相似的梯形圖語言，直觀易懂，深受現(xiàn)場電氣技術(shù)人員的歡迎。近年來有發(fā)展了面想對象的順序控制流程圖語言（ Sequential Function Chart），也稱功能圖，使編程更簡單方便。 4）控制系統(tǒng)設(shè)計、安裝、調(diào)試方便 PLC 中含有大量的相當(dāng)于中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)器等的 “ 軟元件 ” 。又用程序（