【正文】 提升機(jī)速度控制理論分析及抗干擾保護(hù) 煤礦副 井提升機(jī)經(jīng)常被用來接送上下班的工人，因此在保證提升機(jī)的安全性之外舒適性也很重要。監(jiān)控內(nèi)容主要包括：超速監(jiān)視、過載監(jiān)視、松繩監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、深度指示器失效監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時(shí)，通過報(bào)警畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 43 回路報(bào)警或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)。 PLC 控制部分采用日本三菱 FX2N— 80MR，主要接受外部控制信號(hào)，改變相應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)啟動(dòng)、等速運(yùn)行、減速、爬行、停車等。它與 PLC通過模擬量輸入接口相連，提升機(jī) S 形速度給定曲線由 PLC 通過軟件編程產(chǎn)生通過變頻器模擬量輸入器對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。確定基于 PLC 控制的大功率礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成。在本文中主要探討了 PLC 所要完成的保護(hù)控制功能及其極為重要的提升機(jī)速度控制理論與實(shí)現(xiàn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 42 總結(jié) 本文所作的主要研究工作礦井副井提升機(jī)調(diào)速電控系統(tǒng)采用交流繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速當(dāng)中存在的提升機(jī)調(diào)速性能差、故障率高、能耗大等問題展開的。 PLC 以軟件可編程的方式代替了大量的交流接觸器進(jìn)行控制，克服了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)的控制電路復(fù)雜，破損率高等缺點(diǎn)，提高了電力傳動(dòng)控制系統(tǒng)的可靠性和 安全性。能夠使提升機(jī) S 形速度給定很好的得到實(shí)現(xiàn)。采用變頻調(diào)速后，電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的軟啟動(dòng)和平滑調(diào)速。 變頻調(diào)速控制 系統(tǒng)進(jìn)行恒加速變頻調(diào)速啟動(dòng)，恒減速變頻調(diào)速停車及行程變頻調(diào)速運(yùn)行等。提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由動(dòng)力裝置、液壓站、變頻器、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)等組成。主程序完成系統(tǒng)初始化、自檢、故障診斷、調(diào)速系統(tǒng)控制等工作。 式中： mX 為電機(jī)的激磁阻抗。③電感器和電容器構(gòu)成的串聯(lián)諧振頻率離逆變橋輸出脈沖電壓 (即 LC 濾波電路的輸入電壓 )中的最低次諧波頻率越遠(yuǎn)越好，圖 濾波器結(jié)構(gòu)圖也就是使 LC 濾波器中的高次諧波電流盡可能小。 圖 濾波器結(jié)構(gòu)圖 輸出正弦濾波器中電感 L 和電容 C 參數(shù)的選擇 受以下條件的約束 :①電感器上基波電壓降越小越好。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 如果不加入輸出濾波器，三電平變頻器輸出時(shí)，電機(jī)電流總諧波失真可以達(dá)到 17%左右，會(huì)引起電機(jī)諧波發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，輸出電壓跳變臺(tái)階為一半直流母線電壓，電壓跳變率較大，會(huì)影響電機(jī)絕緣。從提高變 頻器安全可靠運(yùn)行角度，相比較而言，進(jìn)線電抗器起主要作用。變頻器二次側(cè)安裝的負(fù)載電抗器，又稱輸出電抗器。 輸入輸出濾波 變頻器輸出交流電后應(yīng)加入濾波器，然后再將濾波后的交流電送入電機(jī)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。變頻器的安裝應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離對(duì)噪聲敏感的裝置。以減少振動(dòng)對(duì)其性能的影響。所以必須加裝除濕裝置，防止變頻器和 PLC 停止工作時(shí)結(jié)露。針對(duì)不同的 PLC，阻容吸收回路的參數(shù)可能不同，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以自行調(diào)整。為了防止變頻器對(duì) PLC 的干擾， PLC 的安裝應(yīng)盡量遠(yuǎn)離變頻器。PLC 工作靈敏度高，很容易受到各種電磁干擾，引起誤動(dòng)作。它具有斷相保護(hù)，清晰度補(bǔ)償，脫扣指示功能，并能自動(dòng)與手動(dòng)復(fù)位。 熱繼電器的整定值 fzI 一般為電動(dòng)機(jī)額定電流值 0I 。 本系統(tǒng)采用熱繼電器對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)措施主要是通過切斷電動(dòng)機(jī)電源的方法實(shí)現(xiàn)保護(hù)。若用自動(dòng)空氣開關(guān)保護(hù)，應(yīng)選用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 37 帶長延時(shí)脫扣器的自動(dòng)空氣開關(guān)。 二、熱繼電器過載保護(hù) 礦山提升機(jī)由于負(fù)載沉重而需要限制起動(dòng)時(shí)間，又容易堵轉(zhuǎn)， 且又長期處于頻繁起動(dòng) 停止?fàn)顟B(tài)，容易出現(xiàn)過載現(xiàn)象，所以需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。因此，用來控制電動(dòng)機(jī)時(shí)，其額定電流 (即指主觸頭的額定電流 )選擇得大于或等于電動(dòng)機(jī)額定電流 ～ 倍即可。 （ 2）當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，保護(hù)裝置不應(yīng)動(dòng)作。在初次調(diào)試時(shí)，兩個(gè)減速點(diǎn)和同步開關(guān)的位置都應(yīng)設(shè)定好。通過顯示器顯示出來，供操作員參考。 5125 100 HDD C?? 式 () 用 PLC 將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將采集到的位置可以用于 S 型速度曲線的變速調(diào)節(jié)；將采集到的速度可用于速度保護(hù)部分，即過速保護(hù)。計(jì)算方法見式 (),其中D100 中的數(shù)值為速度脈沖信號(hào)在 0． 2 s 內(nèi)的積分結(jié)果， D125 中的數(shù)值為速度值。若提升罐籠從井口下放到井底高 速計(jì)數(shù)器 C251 記錄的全程脈沖數(shù)為 C，則當(dāng)提升容器下放時(shí)，若 C251 的當(dāng)前值是 X,則提升容器在井筒中的位置高度 XHh C? 式 () 當(dāng)容器上提時(shí)，若 C251 的當(dāng)前值是 X，則提升容器在井筒中的位置高度 39。提升機(jī)初次使用時(shí)先手動(dòng)低速運(yùn)行一個(gè)循環(huán)，從而得出滿行程時(shí) C251 的當(dāng)前值，即滿行程對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)，然后利用比例關(guān)系分析計(jì)算即可知道罐籠在井筒中的當(dāng)前位置。 圖 脈沖編碼器輸出波形 本控制系統(tǒng)中通過 2軸編碼器檢測(cè)提升機(jī)卷筒轉(zhuǎn)速， 2軸編碼器的輸出脈沖由 PLC 內(nèi)部的可逆高速計(jì)數(shù)器 C25l 計(jì)數(shù)，罐籠在井筒中的運(yùn)行方向與 C251 的計(jì)數(shù)方向及特殊輔助繼電器 M8251 的狀態(tài)對(duì)應(yīng)，罐籠在井筒中上行時(shí) C251 加計(jì)數(shù)， M8251 常開觸點(diǎn)接通；罐籠在井筒中下行時(shí) C251 減計(jì)數(shù)， M8251 常閉觸點(diǎn)接通。先進(jìn)行相位輸出。）的電氣角相位差，可以根據(jù)這個(gè)相位差來判斷編碼器旋轉(zhuǎn)的方向是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時(shí)， A 相超前B 相 90176。編碼器軸每旋轉(zhuǎn)一圈， A 相和 B 相都發(fā)出相同的脈沖個(gè)數(shù)，但是 A 相和 B 相之間存在一個(gè) 90176。如果在一個(gè)參考點(diǎn)后面的脈沖數(shù)被累加，計(jì)算值就代表了轉(zhuǎn)動(dòng)角度或行程的參數(shù)。光電元件接受這些明暗相間的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為交替變換的電信號(hào)。脈沖發(fā)生器通過十字連接頭或鍵與伺服電動(dòng)機(jī)相連。與圓光柵相對(duì)，平行放置一個(gè)固定的扇形薄片，稱為指示光柵。測(cè)速回路的核心元件是光電式軸編碼器，光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將轉(zhuǎn)軸的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖 所示 在一個(gè)圓盤上有規(guī)則地刻著透光或不透光的線條，稱為圓光柵。 2軸編碼器安裝于卷筒側(cè)，用于檢測(cè)卷筒轉(zhuǎn)速，卷筒轉(zhuǎn)速對(duì)時(shí)間積分后可以得出提升罐籠在礦井中的深度。 位置速度檢測(cè)電路 為了保證速度控制的精度及低速運(yùn)行時(shí)變頻器輸出電流不減小 ,使畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 得電動(dòng)機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩仍能滿足負(fù)載機(jī)械的要求。開門 電機(jī)的主電路圖如圖 ： 圖 開門電機(jī) 主電路圖 其電路 運(yùn)動(dòng)過程為，當(dāng)開門按鈕按下 后，接觸器 KM5 線圈通電，接觸器主觸頭閉合，電機(jī)正轉(zhuǎn)門打開，當(dāng)碰到開門到位行程開關(guān)后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開門過程結(jié)束；當(dāng)關(guān)門按鈕按下后，接觸器 KM6 線圈通電，接觸器主觸頭閉合，電機(jī)反轉(zhuǎn)門關(guān)閉。其參數(shù)如表 ： 表 YB28014 電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 額定功率 額定電壓 額定轉(zhuǎn)速 額定頻率 YB28014 380V 1390r/min 50HZ 對(duì)于開門 系統(tǒng)要控制門的打開與關(guān)閉， 即控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 對(duì)于開門系統(tǒng)，為了適應(yīng)礦井下面復(fù)雜的環(huán)境，本次設(shè)計(jì)使用防爆型電機(jī)， YB2 系列電機(jī)是全封閉自扇冷式鼠籠型隔爆三相異步電動(dòng)機(jī)。 (7)全礦停電時(shí)，由 PLC 保證提升機(jī)能實(shí)現(xiàn)安全制動(dòng)，并做好提升機(jī)的后備保護(hù)。 (5)對(duì)于超載保護(hù)，本次設(shè)計(jì)采用壓力傳感器來檢測(cè)提升機(jī)所載的重量，當(dāng)超過設(shè)定重量時(shí)報(bào)警且不能啟動(dòng)。 (4)機(jī)械抱閘是否動(dòng)作，本次設(shè)計(jì)采用電容式位移傳感器，可以檢測(cè)出機(jī)械抱閘的程度。操作員應(yīng)該及時(shí)降速或停車。 (2)松繩保護(hù)：用一根細(xì)絲和一個(gè)常開型開關(guān)，在鋼絲繩下放一定距離垂直鋼絲繩方向處架起，當(dāng)?shù)V車在緩道上行走，而電機(jī)下放速度過快時(shí)，就會(huì)出再松繩現(xiàn)象。對(duì)于過卷保護(hù)，安裝傳感器時(shí)采用兩級(jí)保護(hù) ，當(dāng)剛越過安全線時(shí)，傳感器動(dòng)作，同時(shí) PLC 控制安全畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 回路動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升系統(tǒng)的保護(hù)，并伴隨有聲光報(bào)警，引起人們的警覺與注意。這樣便于檢修和故障排除。此時(shí)接觸器 KM2 得電，KM3 失電，連接電機(jī)與三相動(dòng)力電源的 KM3 主觸頭斷開，變頻器接入調(diào)速回路，并接受操作臺(tái)控制信號(hào)及 PLC 反饋信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速控制。 三、工頻與變頻轉(zhuǎn)換 工變頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可使電 機(jī)轉(zhuǎn)速需在工頻運(yùn)行或變頻出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行自由切換。此時(shí) FWD 與 CM 相連，電機(jī)正轉(zhuǎn)上提煤車。此時(shí)變頻器 REV 與 CM 端相連，電機(jī)反轉(zhuǎn)下放重物。從而達(dá)到互鎖作用。所謂軟啟動(dòng)就是電壓由零慢慢提升到額定電壓，使電機(jī)啟動(dòng)的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，而是平滑的啟動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)需要開機(jī)運(yùn)行時(shí)，按下起動(dòng)按鈕 SB1，其輸出接觸器 KM1 線圈通電，接觸器 KM1 主觸頭閉合，將三相 AC380V 動(dòng)力電接入變頻調(diào)速回路中；當(dāng)減速停車，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械抱閘制動(dòng)后，可以將變頻器與動(dòng)力電源脫開，按下停止按鈕 SB2，使接觸器 KM1 的線圈失電，其主觸頭斷開，變畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 頻器便與動(dòng)力電源脫開。本次設(shè)計(jì)中需要采集的模擬量有用于閘瓦部分的電容式位移傳感器，和用來給定變頻器模擬量輸入，用來控制電機(jī)的速度。監(jiān)控內(nèi)容主要包括：超速監(jiān)視、過卷監(jiān)視、實(shí)時(shí)速度監(jiān)視、井筒過卷監(jiān)視、變頻器故障監(jiān)視、礦車行程監(jiān)視、過載監(jiān)視、深度指示器監(jiān)視等，以上監(jiān)視內(nèi)容出現(xiàn)故障時(shí)，通過報(bào)警回路報(bào)警或安全回路實(shí)現(xiàn)抱閘停車保護(hù)。 PLC 根據(jù)運(yùn)行方式對(duì)變頻器實(shí)現(xiàn) S 形速度給定 控制，實(shí)現(xiàn)箕斗運(yùn)行速度的準(zhǔn) S 形曲線。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 PLC 控制部分設(shè)計(jì) 基本控制功能 PLC 是本控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的一環(huán)，其主要控制電路如圖附錄所示，本次設(shè)計(jì)采用三菱 FX2N80MR,主要的控制功能有如下幾項(xiàng)：主令操作控制、保護(hù)監(jiān)視控制。通過測(cè)量的電機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定的相比較構(gòu)成閉環(huán)回路 ，增強(qiáng)速度的控制精度。直流制動(dòng)功能預(yù)置參數(shù) F40 F40 F405 設(shè)置。 (3)直流制動(dòng)時(shí)間 即施加直流制動(dòng)時(shí)間的長短。預(yù)置直流制動(dòng)電壓 (或制動(dòng)電流 )的主要依據(jù)是負(fù)載慣性的大小，慣性越大者，直流制動(dòng)強(qiáng)度畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 (或 )也應(yīng)越大。預(yù)置起始頻率的主要依據(jù)是負(fù)載對(duì)制動(dòng)時(shí)間的要求，要求制動(dòng)時(shí)間越短，則起始頻率應(yīng)越高。即：首先用再生制動(dòng)方式將電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)速降至較低轉(zhuǎn)速，然后再轉(zhuǎn)換成直流制動(dòng)，使電動(dòng)機(jī)迅速停住。 直流制動(dòng)的應(yīng)用：一是準(zhǔn)確停車控制；二是對(duì)啟動(dòng)前的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)進(jìn)行制動(dòng)控制。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組切割磁力線的速度較大，所產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較強(qiáng)烈，從而可縮短停機(jī)時(shí)間。具體操作是，將電機(jī)與變頻器切斷后向定子繞組內(nèi)通入直流電流，定子磁場(chǎng)是靜止的。 二、直流制動(dòng)單元 能耗制動(dòng)和直流制動(dòng)配合使用能達(dá)到理想的制動(dòng)效果。通過變頻器手冊(cè)我們可以查詢到當(dāng)使用的電機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 為 75KW 時(shí)，需要的制動(dòng)電阻為 3 個(gè) 20 歐姆的電阻串聯(lián)，電阻的功率為18KW。當(dāng)變頻器的功率大于 22KW 時(shí)，變頻器就要使用外置的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。 制動(dòng)單元制動(dòng)電阻 圖 如圖 所示，上下兩根為圖變頻器內(nèi)部的直流母線，當(dāng)電機(jī)處于減速狀態(tài)時(shí)，電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，電機(jī)處于發(fā)電的狀態(tài)。歸根結(jié)底，是通過消耗能量而獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的，屬于能耗制動(dòng)狀態(tài)。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。 變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作狀態(tài)電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)如圖 所示與逆變管反并聯(lián)的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，由于直流電路的電能無法回輸給電網(wǎng)，盡管各部分電路還在消耗電能，但電容上仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵生電壓”，使直流電壓升高。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。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。 一、能耗制動(dòng)電路的作用以及構(gòu)成 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。 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。 (2)、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。 聲光報(bào)警回路 (1)、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；同是報(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)。 根據(jù)變頻器所需容量，查變頻器型號(hào)規(guī)格：選擇森蘭 SB61G110KW通用型變頻