【正文】 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 39 圖 54變頻器系統(tǒng)組成圖 The pose diagrarn of frequency converter system 控制是由數(shù)字量輸入完成， 2個(gè)輸入 Din1,Din2用于選擇運(yùn)行方向； Din3,Din4,Din5用于選擇兩段運(yùn)行速度； Din6用于 DC直流注入制動(dòng)。 MM440變頻器內(nèi)置了制動(dòng)單元，用戶只需選擇制動(dòng)電阻就可以實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電制動(dòng)，因此可以節(jié)約系統(tǒng)成本。西門子新型一代 MM440變頻器可以控制電機(jī)從靜止到平滑起動(dòng)期間提供 200％ 3秒鐘的過載能力。 R S TUVWL F R S TUVW C Fa) b) 圖 53電流型與電壓型的儲(chǔ)能方式 a)電流型 b)電 壓型 Fig 53 Energy storage way of electric current and voltage type 變頻器（ MM440）在提升系統(tǒng)中的應(yīng)用 在典型的升降系統(tǒng)的轎廂控制中，要與配重相結(jié)合，系統(tǒng)表現(xiàn)為很大的慣性復(fù)雜系統(tǒng)。 3） 按直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能方式分 電流型直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件是電感線圈 Lf，如圖 53a 所示。 PWM(脈寬調(diào)制 ) 變頻器輸出電壓的大小通過改變輸出脈沖的占空比來進(jìn)行調(diào)制。 2） 按輸出電壓的調(diào)制方式分 PAM(脈幅調(diào)制 ) 變頻器輸出電壓的大小通過改變直流電壓的大小來進(jìn)行調(diào)制。它是先把頻率固定的交流電整流成直流電，再把直流電逆變成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。其主要優(yōu)點(diǎn)是沒有中間環(huán)節(jié)，故變換效率高，但其連續(xù)可調(diào)的頻率范圍窄，一般為額定頻率的 1/2 以下 (0~fN/2)，故它主要用于容量較大的低速拖動(dòng)系統(tǒng)中。 AC AC M運(yùn)行指令整流器 逆變器控制電路DC控制指令控制指令網(wǎng)側(cè)變流器Ⅰ 中間直流環(huán)節(jié)Ⅲ 負(fù)載側(cè)變流器Ⅱ M 圖 52變頻器的使用 Use of the frequency converter 變頻器的分類 1） 按變換環(huán)節(jié)分 交－交變頻器又稱為直接式變頻器。高性能的變頻器目前己經(jīng)采用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行全數(shù)字控制，盡可能簡(jiǎn)化硬件電路，主要依靠軟件來完成各種功能。其主要任務(wù)是完成對(duì)逆變器的 開關(guān)控制、對(duì)整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能等。所以又稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動(dòng)機(jī)之間總會(huì)有無功功率的交換。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 37 3） 中間直流環(huán)節(jié)由于逆變器的負(fù)載為 同 步電動(dòng)機(jī)，屬于感性負(fù)載。最常見的結(jié)構(gòu)形式是利用六個(gè)半導(dǎo)體主 開關(guān)器件組成三相橋式逆變電路。 1） 整流器電網(wǎng)側(cè)的變流器Ⅰ是整流器，它的作用是把三相 (也可以是單相 )交流電整流成直流電。本系統(tǒng)選用西門子 MM440 變頻器，西門子變頻器具有較合理的價(jià)格，完整的理論計(jì)算書及輔件推薦值，有利于用戶合理選用。如圖 51所示，變頻器的輸入端 (R. S. T)接至頻率固定的三相交流電源，輸出端 (U. V. W)輸出的是頻率在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的三相交流電，接至電動(dòng)機(jī) [13]。因此可以說在電氣調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域內(nèi)，以變頻器應(yīng)用技術(shù)為 代表的交流調(diào)速傳動(dòng)已經(jīng)成為電氣調(diào)速傳動(dòng)的主流。在近 20 年的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)歷了由模擬控制到全數(shù)字控制和由采用 BJT 到采用 IGBT 兩個(gè)大的進(jìn)展過程。 4）失步保護(hù)子程序 當(dāng) PLC檢測(cè)到電機(jī)失步時(shí)，設(shè)置的失步保護(hù)接觸器立刻閉合，直線電機(jī)的三相繞組短接導(dǎo)致電機(jī)制動(dòng)停車，從而起到了失步保護(hù)的作用 [8]。位置傳感器是否有信號(hào)根據(jù)電機(jī)是否到達(dá)該位置來確定，配合位置檢測(cè)程序可以準(zhǔn)確給電機(jī)定位，從而準(zhǔn)確的控制電機(jī)組供電。 子程序的設(shè)計(jì) 基本的控制程序和失步保護(hù)程序共有 4個(gè)分別為：上升子程序、下降子程序、停車子程序和失步保護(hù)子程序，下面逐個(gè)分析。本設(shè)計(jì)中是將直線電機(jī)的三相繞組短接，相當(dāng)于在直線電機(jī)的初級(jí)中通入頻率為 0Hz 的電壓，由公式 ?fv 2? 可知電機(jī)的運(yùn)行速度為 0，從而實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制停車。這樣就可以知道永磁直線電動(dòng)機(jī)的動(dòng)子運(yùn)行的速度和具體位置。鐵芯的長(zhǎng)度和兩組電機(jī)間的間隔是固定的，可以求出兩個(gè)位置傳感器間的距離 L 為鐵芯長(zhǎng)度即初級(jí)長(zhǎng)度 60m 與 電機(jī)組間隙 60* 之和 ，等于 90m。 運(yùn)行和檢測(cè)原理 永磁直線同步電動(dòng)機(jī)的次級(jí)運(yùn)行速度與供電頻率成正比，即： ?fvs 2? (44) 本系統(tǒng)中的極距為 ? =10m，變頻器的設(shè)定曲線參數(shù)值為：加速時(shí)間為 1s，基準(zhǔn)頻率 為5Hz。 第一階段為直線電機(jī)啟動(dòng)階段，變頻器的供電頻率由 0Hz上升到 5Hz，上升的時(shí)間為1秒。 位置檢測(cè)程序的設(shè)計(jì)思路 電機(jī)的提升重物的過程分為三個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)、勻速運(yùn)行和停車制動(dòng)，在整個(gè)過程中，變頻器的供電頻率如圖 41 所示，第一階段為電機(jī)的啟動(dòng)階段，頻率由 0Hz 上升到 5Hz，上升時(shí)間為 1秒，即直線電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間為 1 秒；第二階段為勻速運(yùn)行階段，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)頻率為 5Hz，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行速度是穩(wěn)定的，由同步電機(jī)的基本原理知運(yùn)行速度 2svf?? ；第三階段為停車制動(dòng)階段，停車制動(dòng)時(shí)變頻器的頻率有 5Hz 下降到 0Hz，制動(dòng)時(shí)間 也是 1秒。永磁直線同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于礦井提升機(jī)是對(duì)傳統(tǒng)提升系統(tǒng)的一次重大變革，與傳統(tǒng)的提升系統(tǒng)相比有以下一個(gè)特點(diǎn)： 1）啟動(dòng)性能好； 2）電機(jī)自身有良好的防護(hù)性能，可以在比較惡劣的條件下工作； 3）無污染、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、成本低； 4）可多臺(tái)并用，互不干擾，也不存在負(fù)載分配不均等問題； 5）使用靈活性較大； 6）節(jié)能 。 變頻器采用西門子 MM440 型變頻器，主要完成直線電機(jī)運(yùn)行速度的控制、回饋電 網(wǎng)電能和過載保護(hù)等功能。 控制系統(tǒng)的硬件組成及工作原理 變頻器直線電機(jī) 罐籠計(jì)算機(jī)速度位置傳感器S 7 300A / D D / A 圖 32控制系統(tǒng)原理方框圖 Principle blockdiagram of the control system 控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 32所示，有 PLC、計(jì)算機(jī)、速度位置傳感器、變 頻器 A/D、D/A 模塊組成，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)罐籠的向上、向下運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行速度給定值的計(jì)算，以及運(yùn)行位置和速度的檢測(cè)，計(jì)算后向變頻器發(fā)送控制信號(hào)，并監(jiān)視 PLC 的運(yùn)行情況。 其動(dòng)作過程如下： 下放 重物時(shí)：與 提升 重物的通電順序相反，依次為 5和 4電機(jī)，4和 3電機(jī)， 3和 2電機(jī)， 2和 1電機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)子（罐籠）的向 上 運(yùn)動(dòng) ； 提升 重物時(shí)：電機(jī)的工作順序依次為， 1和 2電機(jī)， 2和 3電機(jī)， 3和 4電機(jī)， 4和 5電機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)子（罐籠）的向 下 運(yùn)動(dòng)。 假設(shè)相鄰的初級(jí)間距為 L，那么初級(jí)的長(zhǎng)度為 2L，罐籠兩側(cè)的直線電機(jī)的次級(jí)長(zhǎng)度為 3L。 直線電動(dòng)機(jī)提升系統(tǒng) 直線電機(jī)提升系統(tǒng)的工作原理 圖 31 提升系統(tǒng)示意圖 a：直立圖 b：水平圖 Promotion system of sketch map a: Erectness chart b: Horizontal plane 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 21 礦井提升機(jī)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M圖如圖 31a 所示 [4]，一共有五組定子，相當(dāng) 于 電機(jī)的電樞繞組 ， 罐籠相當(dāng) 于轉(zhuǎn) 子。若次級(jí)移動(dòng)的速度基于 PLC技術(shù)的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 20 用 V 表示 ，轉(zhuǎn)差率用 s 表示，則有 ssvvs v?? （ 31） ss svvv ?? （ 32） svsv )1( ?? （ 33） 直線永磁同步電機(jī) 永磁直線同步電機(jī)（ PMLSM）兼有永磁電機(jī)和直線電機(jī)的雙重優(yōu)點(diǎn)，近年來受到研究人員的重視，由于其提升高度和速度等不受限制，將其應(yīng)用到諸如電梯、礦井等提升系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)提升系統(tǒng)的變革，具有廣闊的前景， 其 理論價(jià)值和帶來的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是不可估量的。 假定次級(jí)為珊行次級(jí)，次級(jí)導(dǎo)條在行波磁場(chǎng)的切割下，將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流，而所有導(dǎo)條的電流和氣隙磁場(chǎng)相互作用便產(chǎn)生電磁推力。與旋轉(zhuǎn)電機(jī)不同的是該磁場(chǎng)是 平 移的，稱為行波磁場(chǎng)。不考慮由于鐵心兩端開斷而引起的眾相邊端效應(yīng)時(shí)，這個(gè)氣隙磁場(chǎng)的分布情況與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的類似，即可看成沿展開的直線方向呈正弦分布。但由于短初級(jí)在制造成本上、運(yùn)行費(fèi)用上均比短次級(jí)低得多，因此，目前初特殊場(chǎng)合外，一般均采用短初級(jí)、長(zhǎng)次級(jí)。制造直線電機(jī)時(shí)既可以是初級(jí)短、次級(jí)長(zhǎng)，也可以是初級(jí)長(zhǎng)、次級(jí) 短。 出 于對(duì)安全的考慮，一般情況下直線電機(jī)的氣隙不能做得很小。 直線感應(yīng)電機(jī)的初級(jí)鐵芯由帶槽的電工鋼片疊成，槽內(nèi)為三相繞組；次級(jí)為鋼板，上覆以一薄的鋁板，上層的鋁板作為導(dǎo)體使用，下 層 的鋼板作為磁路的一部分，以減少次級(jí)的漏磁。這樣就得到了有旋轉(zhuǎn) 電機(jī)演變而來的最原始的直線電機(jī)。直線電機(jī)在許多應(yīng)用方面上所取得的成功，充分顯示了它的優(yōu)越性，如機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)性能好，過載能力強(qiáng)，故障上， 安全可靠等。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 19 3 直線 同 步電機(jī)及其提升系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介 直線電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理 直線電機(jī)是近十余年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)。 表 22 輸入地址分配 Input allocation 輸入繼電器地址 外圍設(shè)備的名稱 位置傳感器 1 位置傳感器 2 . 位置傳感器 3 位置傳感器 4 位置傳感器 5 位置傳感器 6 上升按鈕 下降按鈕 停車按鈕 動(dòng)力制動(dòng)繼電器 失電保護(hù)傳感器 全自動(dòng)按鈕 全自動(dòng)停車按鈕 繼電器常閉觸點(diǎn) KM1 繼電器常閉觸點(diǎn) KM2 繼電器常閉觸點(diǎn) KM3 基于 PLC技術(shù)的礦井提升機(jī)電控系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 18 表 23 輸出地址分配 Output allocation 輸出繼電器地址 外圍設(shè)備名稱 1電機(jī)切換器 2電機(jī)切換器 3電機(jī)切換器 4電機(jī)切換器 5電機(jī)切換器 失電與動(dòng)力制動(dòng)接觸器 動(dòng)力制動(dòng)接觸器 失電保護(hù)接觸器 抱閘接觸器 變頻器下降控制端 變頻器上升控制端 變頻器停車控制端 綜上分析可知，所需要的可編程控制器共需 16 點(diǎn)輸入， 12 點(diǎn)輸出，該 CPU 共有 24 點(diǎn)數(shù)字量、 5 個(gè)模擬量輸入和 16 點(diǎn)數(shù)字量、 2 個(gè)模擬量輸出 ,除滿足該系統(tǒng)的要求還有一定的余量。對(duì)應(yīng)于失電與動(dòng)力制動(dòng)接觸器的可編程控制器的輸出繼電器為 ,對(duì)應(yīng)于動(dòng)力制動(dòng)接觸器的可編遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 17 程控制器輸出繼電器為 ，對(duì)應(yīng)于失電保護(hù)接觸器的可編程控制器輸出繼電器為，對(duì)應(yīng)于抱閘接觸器的可編程控制器的輸出繼電器設(shè)置為 ，對(duì)應(yīng)于變頻器下降控制信號(hào)的可編程控制器的輸出繼電器為設(shè)置為 ，對(duì)應(yīng)于變頻器上升控制信號(hào)的可編程控制器的輸出繼電器為設(shè)置為 ，對(duì)應(yīng)于變頻 器停車控制信號(hào)的可編程控制器的輸出繼電器設(shè)置為 。 輸出分析 要想使提升系統(tǒng)提升時(shí)，既電動(dòng)機(jī)的次級(jí)在電機(jī)組中上升運(yùn)行，而又不使電動(dòng)機(jī)空載運(yùn)行，分組切換電機(jī)既需要設(shè)置對(duì)應(yīng)的可編程控制器輸出繼電器。若需要提升系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，要有全自動(dòng)運(yùn)行按鈕，設(shè)置全自動(dòng)運(yùn)行輸入 ,全自動(dòng)停 ，常閉觸點(diǎn) KM1為 ，常閉觸點(diǎn) KM2 為 ，常閉觸點(diǎn) KM3 為 。在電動(dòng)機(jī)的次級(jí)既提升罐籠上安裝拉力傳 感器，當(dāng)拉力傳感器輸入信號(hào)為零時(shí)，可以測(cè)出同步電機(jī)失步，從而可編程控制器可執(zhí)行失步保護(hù)程序，分配輸入點(diǎn)號(hào)為 ,當(dāng)啟動(dòng)電機(jī)上升時(shí)，應(yīng)設(shè)置上升按鈕，故需要設(shè)置上升輸入信號(hào) ，下降輸入信號(hào)為 ,停車信號(hào)為 ，當(dāng)需要電機(jī)突然停車時(shí)要有制動(dòng)信號(hào)，設(shè)置動(dòng)力制動(dòng)信號(hào) 。 一個(gè)模擬量模塊最多有 8 個(gè)通道，從 256 開始，給每一個(gè)模擬量分配 16B（ 8 個(gè)字）的地址。 S7300 為模擬量模塊保留了專用的地址區(qū)域，字節(jié)地址范圍為 IB256～767。 模擬量模塊以通道為單位，一個(gè)通道占一個(gè)字地址，或兩個(gè)字節(jié)地址。以組成字和雙字的第一個(gè)字節(jié)的地址作為字和雙字的地址。 開關(guān)量除了按位尋址外，還可以按字節(jié)、字和雙字尋址 。地址標(biāo)識(shí)符 I表示輸入， Q 表示輸出， M 表示存儲(chǔ)器位。 除了帶 CPU 的中央機(jī)架（ CR），最多可以增加 3 個(gè)擴(kuò)展機(jī)架（ ER），每個(gè)機(jī)架可以插 8個(gè)模塊（不包括電源模塊、 CPU 模塊和接口模塊 IM）， 4個(gè)機(jī)架最多可以安裝 32個(gè)模塊。每個(gè)機(jī)架最多只能安裝 8