矿井提升机变频调速控制系统设计研究.docx

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矿井提升机变频调速控制系统设计研究

第1章绪论

1.1国内外矿井提升机发展现状...................................................................3

1.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状........................................................3

1.1.2国外提升机电气控制系统的现状..............................................................3

1.2课题研究的目的和意义...........................................................................4

1.3本论文承担的任务..................................................................................5

1.4小结.........................................................................................................6

第2章矿井提升机调速控制系统分析

2.1引言........................................................................................................6

2.2提升机工作原理及机械结构..................................................................6

2.3提升机调速控制方式及调速性能分析...................................................7

2.3.1提升机直流调速性能分析........................................................................7

2.3.2提升机交流调速性能分析........................................................................8

2.4提升机调速控制方案分析......................................................................9

2.4.1传统转子回路串电阻调速系统.................................................................10

2.4.2模糊控制调速系统.................................................................................11

2.4.3直接转矩控制系统................................................................................12

2.4.4矢量控制变频调速系统

2.5小结......................................................................................................13

第3章提升机调速控制系统硬件实现

3.1引言.......................................................................................................14

3.2提升机电控系统总体结构.....................................................................14

3.3提升机电控系统变频器选择.................................................................15

3.4变频控制部分设计................................................................................16

3.4.1变频调速主系统设计.............................................................................16

3.4.2变频器外部电路设计.............................................................................18

3.5PLC控制部分设计.................................................................................21

3.5.1基本控制功能.......................................................................................21

3.5.2位置检测电路.......................................................................................23

3.6硬件调速控制系统保护措施.................................................................25

3.7小结......................................................................................................28

第4章提升机调速控制系统软件实现

4.1引言......................................................................................................28

4.2矿井提升机中S型速度曲线建模及实现..............................................28

4.2.1速度曲线的选择及给定方法...................................................................28

4.2.2提升机理想S形速度曲线数学模型.........................................................30

4.2.3理想速度曲线的实现..........................................................................33

4.3调速控制系统软件流程.........................................................................35

4.4小结.......................................................................................................37

第5章全文总结

参考文献...................................................................................................39

第1章绪论

1.1国内外矿井提升机发展现状

矿井提升机对安全性、可靠性和调速性能的特殊要求，使得提升机电控系统的技术水平在一定程度上代表一个厂或国家的传动控制技术水平，因此世界各大公司纷纷将新的、成熟的技术应用于提升机电控系统[1]。

下面就国内外矿井提升机电控系统情况作一介绍。

1.1.1我国矿井提升机电气控制系统的现状

在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用，它是矿山生产的关键设备。

提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。

目前，矿井提升我国机90%以上是采用单机容量在1000KW以下传统的交流异步电机拖动，采用转子串、切电阻调速，由继电器—接触器构成逻辑控制装置。

其中多半为电动机—发电机组（F-D机组）供电，采用晶闸管整流传动（SCR-D）的只占一部分。

传统交流拖动系统的显著缺点是：

调速性能差，调速时能量要大量消耗在电阻上，给定方式落后，控制精度低，安全保护和监测环节不完善，安全可靠性差，维护工作量大，而且运行不经济。

由于异步电动机在低速运行时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效的制动力矩，因而难于准确地控制提升机的停车位置。

目前多采取动力制动或低频拖动加制动的方式来完成减速、爬行和停车。

目前在用的动力制动及低频电源大多数为采用模拟技术控制的晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大的问题。

传统交流电控系统可靠性差的另一原因是安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。

1986年以来，针对制约提升安全的主要环节，陆续增设了深度指示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提升容器的定点位置监测及几项重要安全保护的双线制，使提升安全状况有所改善。

在实施提升机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步的意识紧盯国际先进水平，也要考虑我国国情，依靠自己的力量，加强与先进国家的合作，采取引进、消化吸收、合作生产、联合改造等多种形式，实现符合中国国情的煤矿提升机电控系统现代化。

1.1.2国外提升机电气控制系统的现状

国外从70年代开始，随着微机技术的发展，微机控制技术己逐步应用于矿井提升机中。

目前，国外己达到相当成熟的阶段，使整个拖动控制产生一次变革。

其应用主要体现在以下几方面:

（1）提升工艺过程微机控制

在交流变频装置中，提升工艺过程大都采用微机控制。

由于微机功能强，使用灵活，运算速度快，监视显示易于实现，并具有诊断功能，这是采用模拟控制无法实现的。

（2）提升行程控制

提升机的控制从本质上说是一个位置控制，要保证提升容器在预定地点准确停车，要求准确度高，目前的控制误差小于2cm。

采用微机控制，可通过采集各种传感信号，如转角脉冲变换、钢丝绳打滑、滚筒及钢丝绳磨损等。

将信号进行处理，可计算出容器准确的位置而施以控制和保护。

在箕斗提升时可实现无爬行提升，大大提高了提升能力。

如SIEMENS,ABB,AEG等公司己采用32位微机来构成行程给定器。

除此之外还提供性能不尽相同的机械行程控制器。

一般过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完成，从而提高了系统的可靠性。

（3）提升过程监视

由于近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视与安全回路一样，是现代提升机控制的重要环节。

提升过程采用微机主要完成如下参数的监视：

a、提升过程中各工况参数（如速度、电流）监视；b、各主要设备运行状态监视；c、各传感器（如井筒同步校正开关、停车开关）信号的监视。

使各种故障在出现之前就得以处理，防止事故的发生，并对各被监视参数进行存储、保留或打印输出。

甚至与上位机联网，应用于矿井监测系统中。

（4）安全回路

安全回路是指提升机在出现机械、电气故障时控制提升机进入安全保护状态，此环节极为重要。

为确保人员和设备的安全，对不同故障一般采用不同的处理方法。

安全回路是保护的最后环节之一，现在大多公司都采用两台PLC构成安全回路，使安全回路具有完善的故障监视功能，无论是提升机还是安全回路本身出现故障时都能准确地实施安全制动。

（5）全数字化系统调速控制

德国AEG公司的LogidynD（32位机）、西门子公司的SiemadynD（16位机）以及ABB公司的DCR（16位机）系统都己应用于提升机上。

全数字化系统具有硬件结构单一、参数稳定且调整方便、可方便地与上位机联网等优点。

当然此类系统要求维护人员有更高的技术水平和计算机知识。

1.2课题研究的目的和意义

矿井提升机是煤矿，有色金属矿生产过程中的重要设备。

提升机的安全、可靠、有效高速运行，直接关系到企业的生产状况和经济效益。

矿井提升系统具有环节多、控制复杂、运行速度快、惯性质量大、运行特性复杂的特点，且工作状况经常交替转换。

虽然矿井提升系统本身有一些安全保护措施，但是由于现场使用环境条件恶劣，造成了各种机械零件和电气元件的功能失效，以及操作者的人为过失和对行程监测研究的局限性，使得现有保护未能达到预期的效果，致使提升系统的事故至今仍未能消除。

一旦提升机的行程失去控制，没有按照给定速度曲线运行，就会发生提升机超速、过卷事故，造成楔形罐道、箕斗的损坏，影响矿井正常生产，甚至造成重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大的经济损失。

所以提升机调速控制系统的研究一直是社会各届人士共同关注的一个重大课题。

电气控制方式在很大程度上决定了提升机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运行，避免了严重的机械磨损，防止较大的机械冲击，减少机械部分维修的工作量，延长提升机械的使用寿命。

随着矿井提升系统自动化，改善提统的性能，以及提高提升设备的提升能力等的要求，对电气传动方式提出了更高的要求。

对矿井提升机电气传动系统的要求是：

有良好的调速性能，调速精度高，四象限运行，能快速进行正、反转运行，动态响应速度快，有准确的制动和定位功能，可靠性要求高等。

目前，我国地下矿山矿井提升机的电气传动系统主要有：

对于大型矿井提升机，主要采用晶闸管变流器—直流电动机传动控制系统和同步电动机矢量控制交一交变频传动控制系统。

这两种系统大都采用数字控制方式实现控制系统的高自动化运行，效率高，有准确的制动和定位功能，运行可靠性高，但造价昂贵，中小矿井难以承受。

对于中、小型提升机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速的交流电气传动系统，即TKD电控系统。

这种电气传动系统设备简单，但属于有级调速，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会造成过放或过卷事故。

提升机频繁的启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相当严重的能耗，另外转子串电阻调速控制电路复杂，接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏，影响生产效益。

将变频调速技术应用于矿井提升机是矿井提升机电气传动系统的发展方向。

对于现采用TKD电控系统的中小型矿井，随着变频调速技术的发展，交一直一交电压型变频调速技术已开始在矿井提升机改造中应用。

变频器的调速控制可以实现提升机的恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻造成的能耗，具有十分明显的节能效果[10]。

变频器调速控制电路简单，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点，降低了故障和事故的发生。

因此，变频器在提升机调速系统中的应用具有十分广阔的前景。

本文介绍变频器在提升机调速控制系统中的应用。

1.3本论文承担的任务

本课题拟解决的关键问题是控制策略研究，提升机是矿山生产中的关键设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提升机要按所要求的速度图运行，否则在系统中容易产生大的惯性力，降低机器的寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。

控制策略研究就是要通过电液控实时地、准确地使提升机按给定的速度图运行，使控制系统的精度和稳定性满足提升机运行的要求。

本论文的研究目标是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿山实际生产中，对现有的提升机电控系统进行改造设计，提高精度，在更安全的范围内保证矿山生产的顺利进行。

设计中充分考虑到保护系统恶劣的使用环境，采用控制功能强大的PLC来代替传统的大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰措施，包括采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。

尤其在软件中采用提升机电控系统中断模块及故障处理模块，使超速报警更加科学合理。

为了更直观的显示提升机的工作状态及故障来源，增加了提升机监视控制系统，通过显示器对整个提升系统进行监控。

本论文承担的主要任务如下：

1．提升机电控系统主电路部分

结合煤矿生产实际情况，分析提升机工作过程及工作特点。

给出提升系统的整体控制方案；确定基于PLC控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统组成。

确定各部分所要完成的控制功能，并给出控制电路连接电路图，分析其功能的实现。

并采取一些提高系统安全运行和抗干扰能力的措施。

2．控制系统软件设计部分

可编程控制器PLC有强大的可编程控制功能，它是编程软件STEP—7来完成的。

对于复杂的矿山提升机变频调速电控系统采用PLC控制，在本文中设计出程序控制功能流程图，并给出其它基本控制功能的梯形图及控制程序编程语言。

提升机系统是一个对安全性要求极高的控制单元，所以在软件设计部分应有对其系统的故障诊断处理内容，在出现故障时应能及时报警或停车。

3．提升机速度给定方式分析

由于矿山生产过程中，提升机所承受的载荷不同、提升的方式及提升行程不同，提升机的牵引力也就不同，应对其进行适当调节，提升速度也应能及时进行控制；如不做相应的处理和调整，系统将在较小的范围内产生极大的累计误差，导致系统的巨大波动，造成过载或松绳等，甚至导致矿车脱轨或过卷等重大事故，而造成巨大的损失。

所以要寻求一种控制方法来提高控制精度。

在实际中经常采用的转子串电阻调速因其为有级调速，调速不连续，且对电网冲击大。

所以寻求一种理想的速度给定方式极为重要，以求能够提高电控系统控制性能，改善控制品质。

4．保护及抗干扰措施

传统交流电控系统可靠性差，其安全保护、闭锁及监测系统不完善，均为单线系统，且与控制系统相混联，多数共用一套线路，互相影响。

本文针对制约提升安全的主要环节设置减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护措施，增加监视系统，对提升机的运行状态及故障来源进行时时监视，使提升安全状况有所改善。

为了保证其安全生产，在系统设计上应采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰措施。

安全回路应具有双重冗余功能。

1.4小结

本章详细介绍了当前国内外提升机调速控制系统的研究现状与应用情况，阐述了本课题研究的目的意义。

在此基础上提出了本文所承担主要任务和研究的主要内容为：

提升机电控系统主电路设计部分、控制系统软件设计部分、提升机速度给定方式分析、保护及抗干扰措施。

在完成以上设计内容时，此调速控制系统才能成为一个有机的整体，才能安全可靠的工作，并达到预期的控制效果。

第2章矿井提升机调速控制系统分析

2.1引言

目前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提升，传统斜井提升机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻的投切用继电器—交流接触器控制。

这种控制系统由于调速过程中交流接触器动作频繁，设备运行的时间较长，交流接触器主触头易氧化，引发设备故障。

另外，提升机在减速和爬行阶段的速度控制性能较差，经常会造成停车位置不准确；提升机频繁的起动﹑调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相当大的功耗，节能较差；这种交流绕线式电机串电阻调速系统属于有级调速，调速的平滑性差；低速时机械特性较软，静差率较大；起动过程和调速换挡过程中电流冲击大；中高速运行震动大，安全性较差。

鉴于此有必要对提升机的控制方式及调速性能做进一步的分析。

2.2提升机工作原理及机械结构

（1）提升机工作原理:

煤车厢与火车的运货车厢类似，只不过高度和体积小一些。

在井口有一绞车提升机，由电机经减速器带动卷筒旋转，钢丝绳在卷筒上缠绕数周后挂上一列煤车车厢（单提升，多数煤矿都采用单提升），在电机的驱动下将装满煤的列车从斜井拖上来；卸载完成后，再将空车在电机的拖动下沿斜井放下去。

当提升机需要停车时，从操作台发出停车指令，从而对卷筒进行抱闸制动。

矿井提升的整个过程可以分为五个阶段加速阶段、等速阶段、减速阶段、爬行阶段、停车抱闸阶段。

加速阶段是提升机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提升机的主要运行阶段，提升机以最高速度稳速运行；减速阶段是提升机从最高速度减速到爬行速度；爬行阶段是箕斗定位和准备安全停车阶段。

（2）矿井提升的工作特点:

箕斗在一定的距离（井深）内，以较高的速度往复运行，完成上升与下降的任务。

鉴于在矿井提升机的工作特点，为确保提升机能够达到高效、安全、可靠地连续工作，其必须具备良好的机械性能，良好的电气控制设备和完善的保护装置。

矿井提升机的基本参数是：

电机功率75kW，卷筒直径1200mm，减速器减速比24：

1，最高运行速度2.5m/s，钢丝绳长度为400m。

斜井提升机的机械传动系统结构示意图如图2—1所示：

2.3提升机调速控制方式及调速性能分析

矿井提升机电力拖动部分有两种调速控制方式：

直流调速和交流调速。

其各有优缺点，下面分别叙述。

2.3.1提升机直流调速性能分析

矿井提升机采用直流拖动的调速系统主要有：

G-M系统、V-M系统及直流脉宽调制（PWM）系统。

1、G-M系统（发电机—电动机调速系统）

此系统中，电源是旋转装置，由旋转电机即直流发电机供电。

通常，直流发电机由原动机拖动，以某一不可调的转速旋转，通过调节发电机的励磁电流fi的方向和大小来改变发电机输出电压的极性和大小。

原动机一般采用交流感应电动机或交流同步电动机，使直流电源以电机机组的形式构成。

这种直流调速系统称“发电机—电动机系统”简称“G-M系统”（G—generator,发电机；M—motor电动机）。

这种调速系统，设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打地基、运行有噪声、维护不方便。

2、V-M系统（晶闸管—电动机调速系统）

此系统中，电源是静止装置，通过调节触发器GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，而改变晶闸管可控整流器的控制角α，从而改变可控整流器输出电压的极性和大小，实现直流电动机M的平滑调速。

这种直流调速系统称“晶闸管—电动机调速系统”简称“V-M系统”（V—晶闸管整流装置）。

与G-M系统相比，此系统在经济性、可靠性及技术性能上也有较大的优势。

其设备简单，调速更快。

但此系统只允许电机在I、IV象限运行，不能满足提升机四象限运行的要求；且低速运行时，产生较大的谐波电流，引起电网电压小型畸变，形成污染。

3、直流脉宽调制（PWM）系统

此系统中，电源是静止装置，能过改变晶体管VT的导通及关断及通断比（即脉冲宽度调制，PWM）来改变输出电压的极性和大小。

与V-M系统相比，直流PWM调速系统性能更优越：

a、低速运行平稳，电机损耗及发热小b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强。

2.3.2提升机交流调速性能分析

矿井提升机调速系统采用交流异步电动机拖动，其交流异步电动机转速公式为：

n=60f/p（1-s）从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可达到改变转速的目的。

从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。

在生产机械上广泛使用的调速方法中，不改变同步转速的有：

绕线式电动机的转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。

改变同步转速的有：

变极对数调速，改变定子电压、频率的变频调速，无换向电动机调速等。

一、变极对数调速方法

这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，特点如下：

1、具有较硬的机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简单、控制方便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速方法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率的平滑调速特性