【正文】 設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 變頻器外部接線電路 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(shè)有聲光報(bào)警輸出口及制動(dòng)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警器和安全制動(dòng)，更有效的對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全保護(hù)，外部電路連接如圖 所示。為了保護(hù)報(bào)警輸出的觸點(diǎn)，在接觸器的線圈兩端，并聯(lián)阻容吸收電路（即 RC 震蕩電路）。另外如果其他設(shè)備出現(xiàn)故障，經(jīng) PLC 檢測(cè)出來后，繼電器 K4 動(dòng)作，報(bào)警回路接通 同樣也有聲光報(bào)警。 另外繼電器線圈和電笛線圈的兩端，也需要并聯(lián)阻容吸收電路，以保護(hù)變頻器內(nèi)部報(bào)警繼電器觸點(diǎn)。這時(shí)： 電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)在頻率剛減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 機(jī)狀態(tài)。從電動(dòng)機(jī)的角度來看，處于再生制動(dòng)狀態(tài)。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。所以，從變頻調(diào)速系統(tǒng)的角度來 看，拖動(dòng)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速下降時(shí)減少的動(dòng)能，由電動(dòng)機(jī)“再生”電能后，在變頻器的直流電路中被消耗掉了。用于消耗電動(dòng)機(jī)再生電能的電路，就是能耗制動(dòng)電路。制動(dòng)單元用于采集直流母線上的電壓有多大，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，制動(dòng)單元內(nèi)部的大功率晶閘管導(dǎo)通，通過制動(dòng)電阻進(jìn)行放電，避免直流母線 上電壓過高而損壞變頻器。本次設(shè)計(jì)選用變頻器功率為 110KW，所以需要外置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。 能耗制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單，對(duì)電網(wǎng)污染??；缺點(diǎn)是：電能浪費(fèi)，使制動(dòng)電阻周圍環(huán)境溫度升高。 (1)直流制動(dòng)原理： 所謂直流制動(dòng)，就是向電動(dòng)機(jī)的定子繞組內(nèi)通入直流電流，使 異步電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線后產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，直流磁場(chǎng)本身具有吸住轉(zhuǎn)子的作用，可以有效地消除轉(zhuǎn)子的蠕動(dòng)。 (2)直流制動(dòng)功能預(yù)置 A、直流制動(dòng)的起始頻率，通常直流制動(dòng)都是和再生制動(dòng)配合使用的。轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率即為直流制動(dòng)的起始頻率，如圖所示 。 B、直流制動(dòng)強(qiáng)度即預(yù)置在定子繞組上施加直流電壓或直流電流的大小，它決定了直流制動(dòng)的強(qiáng)度，如圖 所示。一般情況下，直流電壓以不超過 50 V 為宜。預(yù)置直流制動(dòng)時(shí)間 的主要依據(jù)是負(fù)載是否有“爬行”現(xiàn)象，以及對(duì)克服“爬行”的要求，要求越高者，應(yīng)適當(dāng)長(zhǎng)一些。 圖 直流制動(dòng)功能預(yù)置 三、變頻器與旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)合 旋轉(zhuǎn)編碼器與電機(jī)的軸相連，可以直接測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器和電動(dòng)機(jī)之間通過 l軸編碼器引入了速度閉環(huán) ,從而使得變頻器工作于閉環(huán)編碼器反饋矢量控制方式 ,該控制方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)零速時(shí)仍然具有額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載能力；速度控制的精度更高；速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能得到改善。旋轉(zhuǎn)編碼器通過 PG 卡與變頻器連接。 主令操作控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)提升機(jī)與操作臺(tái)之間的指令傳遞，向提升系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的指令，并改變相應(yīng)電控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，使提升機(jī)按照預(yù)定的力圖和速度圖安全運(yùn)行，運(yùn)行方式可分為啟動(dòng)、等速運(yùn)行、減速、爬行、停車。 PLC 還完成各種保護(hù)監(jiān)視功能。 另外對(duì)于 PLC 的模擬量輸入輸出模塊，本次設(shè)計(jì)中選用 FX2N4DA模塊進(jìn)行模擬量的處理。 一、起動(dòng)，停車 多數(shù)變頻器不能適應(yīng)上電運(yùn)行功能， 所以應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)加入保護(hù)功能。由于電機(jī)的功率過大，直接啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，所以啟動(dòng)時(shí)選用軟啟動(dòng)方式。 二、上提升，下放 在控制回路中 利用正轉(zhuǎn)繼電器 K1 的常閉輔助觸點(diǎn)控制反轉(zhuǎn)繼電器K2 的線圈；利用反轉(zhuǎn)繼電器 K2 的常閉輔助觸頭控制正轉(zhuǎn)繼電器 K1 的線圈。 其動(dòng)作過程如： 當(dāng)要下放工人到井下時(shí)，按下下降按鈕，繼電器 K2 吸合，其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開。同時(shí)斷開繼電器 K1 回路，形成下降閉鎖；當(dāng)按下上升按鈕時(shí)，K2 吸合，斷開 K1 回路，形成上升閉鎖。當(dāng)按下停止按鈕時(shí)，所有繼電器復(fù)位，為下一次提升做準(zhǔn)備。正常工作狀態(tài)，為變頻調(diào)速運(yùn)行。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，按下工頻開關(guān)，使 KM2 斷開， KM3 閉合，電機(jī)進(jìn)入工頻狀態(tài)。 四、保護(hù)及連鎖功能 (1)上過卷、下過卷保護(hù)：在離井口安全處和離井底一定距離處分別裝上位置傳感器，作為 PLC 的接收信號(hào)。當(dāng)深指過卷傳感器動(dòng)作時(shí)，聲光報(bào)警加強(qiáng)，工作人員進(jìn)行手動(dòng)的抱閘停車。此時(shí)，鋼絲繩下沉，壓下開關(guān)，此時(shí)聲光報(bào)警，顯示屏上顯示故障信息。 (3)過載保護(hù)：熱繼電器常閉觸點(diǎn)串接于安全控制回路，當(dāng)電機(jī)因負(fù)載過重，電機(jī)堵轉(zhuǎn)等故障 而使負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，熱繼電器動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開，使安全回路動(dòng)作，保護(hù)提升機(jī)不受損壞。當(dāng)機(jī)械抱閘不成功時(shí)，故障顯示，檢測(cè)出來并報(bào)警，工作人員進(jìn)行手動(dòng)制動(dòng)。 (6)當(dāng)提升機(jī)因發(fā)生故障在中途停車，而且提升容器位于減速段行程內(nèi)時(shí)，排除故障后允許司機(jī)按上次開車方向選擇開車，并且只能低速開車；若提升容器不在減速行程內(nèi)，由井口發(fā)出開車信號(hào)，允 許司機(jī)高速開車。 (8)盤式制動(dòng)器的工作制動(dòng)力矩可調(diào)，緊急制動(dòng) (安全制動(dòng) )能產(chǎn)生二級(jí)制動(dòng)，避免機(jī)械沖擊。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 本次設(shè)計(jì)使用的開門電機(jī)的型號(hào)是 YB28014。此 次電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)控制通過 PLC 來控制，并且要保證在開門 電機(jī)動(dòng)作的時(shí)候，拖動(dòng)電機(jī)不 能運(yùn)行，以防出現(xiàn)事故。開關(guān)門電機(jī)動(dòng)作時(shí)，拖動(dòng)電機(jī)不能運(yùn)行，防止 出現(xiàn)事故。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間通過 l軸編碼器引入了速度閉環(huán) ,從而使得變頻器工作于閉環(huán)編碼器反饋矢量控制方式 ,該控制方式的優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)零速時(shí)仍然具有額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載能力；速度控制的精度更高；速度控制和轉(zhuǎn)矩控制的動(dòng)態(tài)性能得到改善。 （ 1）旋轉(zhuǎn)編碼器的工作原理 測(cè)速回路用以測(cè)量提升機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，并進(jìn)行過速保護(hù)。在圓光柵兩側(cè)，安放發(fā)光元件和光敏元件。上面有相差 1／ 4 節(jié)距的 2 個(gè)狹縫 (辨向狹縫 )。 圖 7.電路板 當(dāng)圓光柵與工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光線透過 2 個(gè)光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈光電編碼器輸出的脈沖個(gè)數(shù)與圓光柵畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 上透光線條數(shù)相等。 (2)旋轉(zhuǎn)編碼器的選型 本控制系統(tǒng)所用軸編碼器是歐姆龍公司的 E6A2 一 CWZ6C360P／ R 型軸編碼器，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周該編碼器可以產(chǎn)生 360 個(gè)脈沖，該編碼器可以生成 A、 B 兩相脈沖，分別對(duì)應(yīng)被控裝置的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。（電氣角的一周期為 360176。先進(jìn)行相位輸出，反轉(zhuǎn)時(shí)， B 相超前 A 相 90176。編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈， Z 相只在一個(gè)固定的位置發(fā)一個(gè)脈沖，所以可以作為復(fù)位相或零位相來使用。 （ 2）罐籠在井筒中的位置測(cè)量 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 35 卷筒轉(zhuǎn)速及提升容器在井筒中的位置由 E6A2 一 CWZ6C 360P／ R 型軸編碼器測(cè)量。 設(shè)井筒深度為 H(本系統(tǒng)中井筒深 400 m)。 (1 )XhH C?? 式 () （三） 速度檢測(cè) 提升容器在井筒中運(yùn)行速度測(cè)量的原理是將 2編碼器輸出的編碼信號(hào)對(duì)時(shí)間求積分．而后再乘以修正系數(shù)。為了提高速度檢測(cè)的精度 ,本控制系統(tǒng)中對(duì)速度脈沖在 內(nèi)求積分，由于實(shí)際上速度相當(dāng)于 1s 內(nèi)的行程值 ,故數(shù)據(jù)寄存器 D100中的內(nèi)容需要乘以 5 后再轉(zhuǎn)換為速度。同時(shí)，計(jì)數(shù)值也能夠經(jīng)過計(jì)算得出目前罐車所在的位置及提升機(jī)運(yùn)行速度。另外，為了減小累計(jì)行程誤畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 差，分別在井筒和井底安裝了兩個(gè)同步開關(guān)，對(duì)行程位置進(jìn)行校準(zhǔn)，同時(shí)這兩個(gè)同步開關(guān)還用作兩個(gè)減速點(diǎn)用。 硬件調(diào)速控制系統(tǒng)保護(hù)措施 一、空氣斷路器短路保護(hù) 短路 保護(hù)應(yīng)滿足以下要求： （ 1）當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生相間短路或在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地短路時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)能切斷故障電路?？諝鈹嗦菲骺梢杂脕眍l繁地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)．并對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)，由于有良好完備的滅弧裝置，操作速度也由彈簧機(jī)構(gòu)執(zhí)行，迅速可靠。即 ? 式中： kI — 空氣斷路器的額定電流（ A）； 0I — 電機(jī)正常工作時(shí)的額定電流（ A）； 空氣斷路器的額定電壓應(yīng)大于或等于電動(dòng)機(jī)額定電壓 1 .3 1 4 8 1 9 2 .4kI ? ? ?A 所以選用：富士康 SA203BA 斷路器，其最大額定電流： 225A，額定隔離電壓： AC 690V。 過載保護(hù)一般采用熱繼電器保護(hù)。對(duì)大功率的重要電動(dòng)機(jī)采用反時(shí)限特性的過電流繼電器進(jìn)行過載保護(hù)。在一些特殊場(chǎng)合，也可以通過發(fā)出警報(bào)或使電動(dòng)機(jī)自動(dòng)減載來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。一般情況下，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流的 ～ 倍選取熱繼電器的額定電流。 即： fzI = 0I 根據(jù)電機(jī)實(shí)際負(fù)載與工藝流程的要求，也可上下波動(dòng) 5%，本系統(tǒng)取 倍電流保護(hù)，即： fzI = =*148= 另外，根據(jù)礦山提升系統(tǒng)的要求，還應(yīng)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行斷相保護(hù)，因此應(yīng)選 用帶斷相保護(hù)裝置的熱繼電器，本控制系統(tǒng)選用樂清市三亞電器制造廠生產(chǎn)的： 。 二、調(diào)速控制系統(tǒng)抗干擾處理 對(duì)于 PLC 和變頻器組成的控制系統(tǒng)來說，抗干擾處理非常重要。目前市場(chǎng)上出售的變頻器輸出電流中含有多種諧波，是強(qiáng)電磁干擾源。 變頻器和 PLC 周圍的控制回路的接觸器，繼電器的線圈、觸點(diǎn)在開閉時(shí)，會(huì)因電流急劇變 化而產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，有時(shí)會(huì)使變頻器和 PLC 的控制回路產(chǎn)生誤動(dòng)作，需要在這種干擾源的線圈、觸點(diǎn)兩端并聯(lián)一組阻容吸收回路，以起到濾波作用，可以濾除變頻器對(duì)輸出點(diǎn)電源的干擾。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 變頻器和 PLC 安裝于礦山提升系統(tǒng)中，常處于高濕度的場(chǎng)所，常發(fā)生絕緣劣化和金屬部分腐蝕。另外在提升機(jī)周圍振動(dòng)大，需在變頻器和 PLC側(cè)加裝隔振器或防振橡膠。 將變頻器安裝在封閉的開 關(guān)柜內(nèi)，既可以防止電磁輻射的污染，也可以屏蔽外來干擾，但是附加投資較高，散熱性能變差，一般用于戶外或粉塵污染嚴(yán)重等較為惡劣場(chǎng)所。 變頻器、電動(dòng)機(jī)和變頻器負(fù)荷電纜屏蔽層的兩端必須就近可靠接地，規(guī)范的接地方式不但可以保證人身安全，而且可以減少電磁輻射和嗓聲，必要時(shí)可考慮設(shè)置變頻器專用接地裝置。變頻器的一次側(cè)安裝進(jìn)線電抗器，可以降低諧波電流，改善功率因數(shù)，最大限度地減少諧波 對(duì)電動(dòng)機(jī)以及其他弱電設(shè)備的影響；抑制電網(wǎng)電壓的電流沖擊，有效地保護(hù)變頻器，免受其他產(chǎn)生諧波的設(shè)備諧波的影響。它補(bǔ)償長(zhǎng)導(dǎo)線充電電流，從而限制電纜容性充電電流，使電動(dòng)機(jī)在引線較長(zhǎng)時(shí)電動(dòng)機(jī)免受過電壓、 PWM 電壓脈沖的電氣應(yīng)力、過熱和定子絕緣惡化等損害；同時(shí)，吸收輸出諧波，降低電動(dòng)機(jī)噪聲；限制電動(dòng)機(jī)繞組電壓上升率；起限流器的作用，在電動(dòng)機(jī)短路的情況下保護(hù)變頻器；減緩短路電流上升率，保護(hù)電路有時(shí)間對(duì)短路作出反應(yīng)；會(huì)吸收電動(dòng)機(jī)負(fù)載引起的電流浪涌，可避免變頻器誤跳閘。正確選用合適的電抗器與變頻器配套使用，提高了變頻器系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)行性能和效率，延長(zhǎng)了變頻器和電動(dòng)機(jī)的壽命。輸出濾波器有 du/dt 濾波器和正弦濾波器兩種 ,本系統(tǒng)采用的是正弦濾波器，其濾波器結(jié)構(gòu)如圖 所示。②電容器中的基波電流越小越好。④在逆變橋脈沖突然封鎖時(shí)，電容 C 不能與電動(dòng)機(jī)發(fā)生振蕩電壓幅值超過 l0kV 的自激振蕩，即電容 C 的選擇應(yīng)參考電動(dòng)機(jī)的激磁電感參數(shù)。 調(diào)速控制系統(tǒng)軟件流程 主程序流程圖如圖 所示，其中包括兩個(gè)主要的功能模塊：中斷子程序功能模塊和故障處理子程序功能模塊。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 40 圖 PLC 工作流程圖 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 41 小結(jié) 礦井提升機(jī)是在繁重而復(fù)雜的條件下工作的設(shè)備，是礦井的咽喉。本章介紹了提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路實(shí)現(xiàn)，包括變頻調(diào)速部分、 PLC 可編程控制器部分及安全保護(hù)和抗干擾部分。變頻調(diào)速范圍寬、調(diào)節(jié)精度高。變頻器調(diào)速還可通過軟件很方便地改變輸出轉(zhuǎn)矩 (即調(diào)整轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線 )和加減速時(shí)間、目標(biāo)頻率、上下限頻率等。 PLC 控制安全保護(hù)系統(tǒng)由動(dòng)力裝置、液壓站、操作臺(tái)和控制監(jiān)視系統(tǒng)等組成。另外憑其強(qiáng)大的控制功能，除能實(shí)現(xiàn)一般的過壓、欠壓、過載、短路等保護(hù)外，還設(shè)有聯(lián)鎖保護(hù)、自動(dòng)限速保護(hù)功能等，能在很大范圍內(nèi)對(duì)提升機(jī)進(jìn)行安全保護(hù)和智能控制，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。借助于現(xiàn)已成熟的變頻調(diào)速技術(shù)，并嘗試將可編程控制器（ PLC）強(qiáng)大的控制功能與變頻技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)中，以求能夠改善礦井提升機(jī)電控系統(tǒng)性能。全文主要工作如下： 提升機(jī)電控系統(tǒng)主電路部分 結(jié)合煤礦生產(chǎn)實(shí)際情況，分析提升機(jī)工作過程及工作特點(diǎn)。 變頻調(diào)速單元采用森蘭 SB61系列 SB61G110KW 通用變頻器。另外變頻器外接電路能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器故障報(bào)警及提升機(jī)能耗 制動(dòng)控制。 PLC 還完成各種保護(hù)監(jiān)視功能。 調(diào)速系統(tǒng)將 PLC 與變頻器相結(jié)合，大大減少了硬件器件和連接控制線，極大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性。本文對(duì)這種理想的 S 形速度曲線在提升機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析論證，確定采用 S 形速度控制方式能夠進(jìn)一步提高提升機(jī)運(yùn)行的安全性、舒適性