【正文】 min）101P100110280210P100220560 提升機系統(tǒng)變頻器外部電路設計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有聲光報警輸出及制動單元能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報警器和安全制動，更有效的對控制系統(tǒng)進行安全保護,： 提升機系統(tǒng)變頻器外部接線圖 提升機調(diào)速系統(tǒng)的聲光報警回路變頻報警輸出的動斷（常閉）觸電“RL1AC”串聯(lián)在KM1的線圈電路內(nèi)，當變頻器因故障不能正常工作時，發(fā)出報警；同時報警輸出的常閉觸電動作，使KM1線圈失電，將變頻器與電源斷開，進行安全保護。為了使變頻調(diào)速穩(wěn)定，保證提升機的正常運行，加入光電編碼器模塊形成PG閉環(huán)控制系統(tǒng)，使得變頻器的輸出更加可靠。本系統(tǒng)中的調(diào)速采用PLC+脈沖編碼器脈沖技術模塊配合變頻器進行，通過PLC輸出脈沖信號來控制變頻器啟停。取加速度，則達到最大速度需要7s，既；,加速度大小不變方向取反，則從最大速度減速到爬行速度，既；設定爬行時間，停車時間；最后根據(jù)計算得出以上升的時間。由于提升機是大慣性負載，在啟動時負載轉(zhuǎn)矩較大，所需要的電動機輸出轉(zhuǎn)矩較大，所以選擇半S形方式。S形方式：在開始和結束階段升速（降速）過程較緩慢，中間階段按線性方式升速（降速），升速（降速）呈S形。升速（降速）有三種方式：線性方式、S形方式和半S形方式。時間越短，頻率變化越快，越容易過電流。升速（降速）時間。如果頻率上升（下降）過快，由于慣性，電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速跟不上同步轉(zhuǎn)速的上升，使轉(zhuǎn)差太大，導致升速電流超過允許值，可能產(chǎn)生過電流。參數(shù)設置如下表所示： BOP參數(shù)設置參數(shù)名稱參數(shù)號設置參數(shù) 選擇命令源P07001在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，通過逐漸升高（降低）頻率來實現(xiàn)升速（降速）過程。BOP具有5位數(shù)字的七段顯示，用于顯示參數(shù)的序號和數(shù)值、報警和故障信息，以及參數(shù)的設定值和實際值。參數(shù)的復位，將變頻器參數(shù)恢復到出廠狀態(tài)下的默認值的操作?？紤]到礦用電機性能上的差異及機械負載的波動， 倍，按照本系統(tǒng)電動機功率，選用150kW 以上的變頻器。 提升機變頻器的選擇在一臺變頻器驅(qū)動一臺電機的情況下，變頻器必須同時滿足下列三項要求。所以變頻器控制方式的選擇上選擇V/F控制。礦井提升機需要具有良好的調(diào)速性能。由于DTC直接著眼于轉(zhuǎn)矩控制，對轉(zhuǎn)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。3． 矢量控制矢量控制是一種建立在轉(zhuǎn)子磁鏈定向的基礎上，通過一系列的坐標變換，實現(xiàn)電機定子電流轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量的解耦的控制方法，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(zhuǎn)矩的控制。2． 轉(zhuǎn)差頻率控制轉(zhuǎn)差頻率控制是檢測異步電動機的轉(zhuǎn)速，調(diào)速精度要求較高，且系統(tǒng)容易穩(wěn)定，即能在寬廣的調(diào)速范圍內(nèi)，將電動機的轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)及效率控制在最佳狀態(tài)。 在變頻調(diào)速領域，異步電機的控制方式多種多樣，但從轉(zhuǎn)矩的響應性和過渡特性來看，變頻調(diào)速的控制方式分為以下幾種：1． V/F控制V/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V/F 為常數(shù)，來保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。異步電動機的實際轉(zhuǎn)速總低于同步轉(zhuǎn)速，而且隨著同步轉(zhuǎn)速而變化。其實質(zhì)不是間接的控制電流、磁鏈等量，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控制量來實現(xiàn)的。它能實現(xiàn)功率因數(shù)為1，輸入電流為正弦且能四象限運行，系統(tǒng)的功率密度大。它不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型。目前，該技術已成功地應用在電力機車牽引的大功率交流傳動上。4． 直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式 1985年，德國魯爾大學的DePenbrock教授首次提出了直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術。矢量控制方法的提出具有劃時代的意義。其實質(zhì)是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度，磁場兩個分量進行獨立控制。但控制電路環(huán)節(jié)較多，且沒有引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，所以系統(tǒng)性能沒有得到根本改善。 2． 電壓空間矢量(SVPWM)控制方式 它是以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，一次生成三相調(diào)制波形，以內(nèi)切多邊形逼近圓的方式進行控制的。但是，這種控制方式在低頻時，由于輸出電壓較低，轉(zhuǎn)矩受定子電阻壓降的影響比較顯著，使輸出最大轉(zhuǎn)矩減小。變頻器主電路是給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器主要由整流器、平波電路、逆變器、控制電路四大部分組成，整流器將工頻電源變?yōu)橹绷麟?，平波電路吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動，逆變器將直流電變換為工作所需的交流電，控制電路是給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。 提升機變頻控制部分設計變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器。變頻器通過該信號可以計算出提升機的速度是否達到要求，做出知否補償?shù)呐袛?。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。 變頻器：是動力站的能量供給單元，通過它可將輸入工頻電能轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)的電能提供給交流電動機，以達到控制交流電動機轉(zhuǎn)速的目的。礦井提升機系統(tǒng)框圖主要包括主電動機、動力制動電源、PLC、旋轉(zhuǎn)編碼器、換向器和操作臺等。礦井提升機運行性能的優(yōu)劣，不僅直接影響到礦山的正常生產(chǎn)與產(chǎn)品質(zhì)量，而且還與設備及人身安全密切相關。3 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)硬件設計礦井提升機也稱礦井卷揚機。因此本次設計選用交流電動機交－交變頻調(diào)速系統(tǒng)。采用PLC與變頻器相結合的控制方案對傳統(tǒng)電控系統(tǒng)進行改造，變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率，成功實現(xiàn)了提升電動機大范圍的無級平滑調(diào)速，在運行過程中能隨時根據(jù)電動機的負載情況，使電機始終處于最佳運行狀態(tài)，能夠滿足提升機特殊工作環(huán)境的要求且有著明顯的節(jié)電效果。同時還可以實現(xiàn)大范圍的高效連續(xù)調(diào)速控制，并且能夠達到節(jié)能的效果。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈調(diào)節(jié)器采用滯環(huán)比較器，會造成轉(zhuǎn)矩脈動，在電動機運行一段時間之后,電機的溫度升高,定子電阻的阻值發(fā)生變化,使定子磁鏈的估計精度降低，也會導致電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的脈動，同時逆變器開關頻率低也會造成轉(zhuǎn)矩脈動。結構圖如下圖所示： 變頻器的基本結構 礦井提升機調(diào)速系統(tǒng)的確定轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速方法調(diào)速范圍小，串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，而且調(diào)速效率較低。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結構圖如下圖所示： 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結構圖 變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。實現(xiàn)模糊控制的原理框圖如下圖所示： 模糊控制原理框圖 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制產(chǎn)生脈寬信號，直接對逆變器的開關狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動能性態(tài)。與傳統(tǒng)控制方式相比，模糊控制是一種非線性的控制方法，工作范圍寬，適用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。： 轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速圖 模糊控制調(diào)速系統(tǒng)在對提升機的轉(zhuǎn)速控制中，采用二維的輸入變量即使用誤差和誤差變化率。如果要求提升機低速運行，則需在轉(zhuǎn)子回路中串較大電阻。常用的控制方式主要有：轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速、模糊控制、直接轉(zhuǎn)矩等。目前在實際生產(chǎn)中得到應用的很多，其中有高精度的還有一般性能的，種類五花八門，價格也高低相差懸殊。具備必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié)。要能夠方便的進行自動、半自動、手動、驗繩、調(diào)繩等工作方式的轉(zhuǎn)換，操作方便，控制靈活，不至于因工作方式的轉(zhuǎn)換影響正常生產(chǎn)。迅速安全制動停車，即所謂要具備挖土機機械特性)。5. 特性曲線要硬。提升機不同于其他機械，穩(wěn)定運行的要求。要求速度平穩(wěn)，調(diào)速方便，調(diào)速范圍大，能滿足各種運行方式及提升階段(加速、減速、等速、爬行等)。立井升降物料時，提升容器的最大速度，不得超過用下列公式所求得的數(shù)值： （） v最大提升速度，m/s； H提升高度，m。升降物料時，加速度a≦,另外不得超過提升機的減速器所允許的動力矩。 顯然，隨著提升物料的重量不同，要求電動機的拖動力矩不同，且在一個提升循環(huán)中，在不同階段電動機的拖動力矩的極性也在變化，礦井提升機要求電力拖動系統(tǒng)能滿足四象限運行的條件。 (a)(b)（c） 提升機給定力圖圖中（a），（b），（c）為提升機的給定力圖。 提升機的受力情況 根據(jù)動力學方程式 ()式中 電動機電動力矩；傳動系統(tǒng)的靜阻轉(zhuǎn)矩；傳動系統(tǒng)的飛輪力矩，其中J為轉(zhuǎn)動慣量()，為重力加速度；傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩；加速度。到達停車位置時，變頻器立即停車，重車減速到零，制動系統(tǒng)閘制動。重車以變頻器頻率為速度低速爬行，便于在規(guī)定的位置停車。如減速時間設置較短的時，變頻器制動單位和制動電阻起作用，以防因減速過快而跳閘。階段：為主減速階段運行時間，即容器以最大提升速度減速運行的時間。下放時， 由測速發(fā)電機反應轉(zhuǎn)子下放速度，當速度高于時，增大勵磁電流，提高制動力矩，使箕斗勻速運行。階段：為勻速階段運動時間，即容器以最大提升速度 等速運行的時間。 提升機速度圖分為五個階段：階段：為主加速階段運行時間，此時加速度 較大，速度一直從0加速到最大的。目前，我國單繩纏繞式提升機，廣泛采用交流繞線式電動機拖動，提升過程一般包括：起動、加速、勻速、減速、爬行和停車幾個主要環(huán)節(jié)。后者的優(yōu)點是：可采用較細的鋼絲繩和直徑較小的摩擦輪，從而機組尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。摩擦式礦井提升機根據(jù)布置方式分為塔式摩擦式礦井提升機（機房設在井筒頂部塔架上）和落地摩擦式礦井提升機（機房直接設在地面上）兩種。摩擦式礦井提升機的提升繩搭掛在摩擦輪上，利用與摩擦輪襯墊的摩擦力使容器上升。雙筒的每個卷筒各配一根鋼絲繩，連接兩個容器，運轉(zhuǎn)時一個容器上升，另一個容器下降。纏繞式礦井提升機有單卷筒和雙卷筒兩種，鋼絲繩在卷筒上的纏繞方式與一般絞車類似。礦井提升機主要由電動機、減速器、卷筒（或摩擦輪）、制動系統(tǒng)、深度指示系統(tǒng)、測速限速系統(tǒng)和操縱系統(tǒng)等組成，采用交流或直流電機驅(qū)動。安全，可靠，高效和經(jīng)濟的礦井提升機速度控制系統(tǒng)的設計是本設計的追求目標。啟動和加速時的沖擊電流小，可使得礦井提升機在重載下從低速無級調(diào)速至最大速度。礦井提升機的設計能夠解決實際生產(chǎn)問題，其控制單元采用了目前適用的工業(yè)PLC控制單元來控制電動驅(qū)動系統(tǒng)，其電力拖動單元采用先進的變頻驅(qū)動器，優(yōu)化了礦井提升機速度控制性能。 保護及抗干擾措施 傳統(tǒng)交流電控系統(tǒng)可靠性差，其安全保護、閉鎖及監(jiān)測系統(tǒng)不完善，均為單線系統(tǒng)，且與控制系統(tǒng)相混聯(lián)，多數(shù)共用一套線路，互相影響。提升機系統(tǒng)是一個隊安全性要求極高的控制單元，所以在軟件設計部分應有對其系統(tǒng)故障診斷處理內(nèi)容。 控制系統(tǒng)軟件設計部分 可編程控制器PLC有強大的可編程控制功能，它是編程軟件STEP—7來完成的。給出提升系統(tǒng)的整體控制方案；確定基于PLC控制的大功率礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)組成。 本文承擔的任務 在本文中，以煤礦礦井提升機速度控制系統(tǒng)為背景，速度控制方法已經(jīng)非常成熟，但技術相對落后，基于PLC變頻調(diào)速在礦山通過拖議案提出的行程，速度和控制系統(tǒng)的應用，介紹了一種新的礦井提升機速度控制系統(tǒng)的設計和實施。因此，變頻器在提升機調(diào)速系統(tǒng)中的應用具有十分廣闊的前景[[] 史德嘉．礦井提升機電控系統(tǒng)的改造[J] ．礦業(yè)研究與開發(fā)。變頻器的調(diào)速控制可以實現(xiàn)提升機的恒加速或恒減速控制，消除了轉(zhuǎn)子串電阻造成的能耗，具有十分明顯的節(jié)能效果。 將交流調(diào)速技術應用于礦井提升機是礦井提升機電氣傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向。 目前，我國地下礦井提升機的電氣傳動系統(tǒng)主要有：對于大型提升機，主要采用晶閘管變流器—直流電動機傳動控制系統(tǒng)和同步電動機矢量控制交—交變頻傳動控制系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)大都采用數(shù)字控制方式實現(xiàn)控制系統(tǒng)的高自動化運行，效率高，有準確的制動和定位功能，運行可靠性高，但造價昂貴，中小礦井難以承受。隨著礦井提升系統(tǒng)的自動化，改善提高的性能，以及提高提升機設備的提升能力等的要求，對電氣傳動方式提出了更高的要求。 所以提升機調(diào)速控制系統(tǒng)的研究一直是社會中關注的一個重大課題。雖然礦井提升系統(tǒng)本身有一些安全保護措施，但是由于現(xiàn)場使用環(huán)境條件惡劣，造成了各種機械零件和電氣元件的功能失效，以及操作者的人為過失和對行程監(jiān)測研究的局限性，使得現(xiàn)有保護未能達到預期的效果，致使提升機系統(tǒng)的事故至今仍未能消除。提升機安全、可靠、有效高速運行，直接關系到企業(yè)的生產(chǎn)狀況和經(jīng)濟效益。安全回路是保護的最后環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)都采用兩臺PLC構成安全回路，使安全回路具有完善的故障監(jiān)視功能，無論是提升機還是安全回路本身出現(xiàn)故障時都能準確地實施安全制動。 4． 安全回路