1、毕业设计（论文）说明书毕业设计（论文）题目基于PLC控制的变频调速系系统在矿井提升机中的应用年级专业09机电一体化学生姓名指导教师平顶山工业职业技术学院2011年5月25日平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）任务书姓名专业机电一体化任务下达日期2011年2月26日设计（论文）开始日期2011年2月26日设计（论文）完成日期2011年5月29日设计（论文）题目基于PLC控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用A编制设计B设计专题（毕业论文）指导教师系部主任年月日平顶山工业职业技术学院毕业设计论文评语第页共页学生姓名专业机电一体化年级09级毕业设计论文题目基于PLC控制的变频调速系统在
2、矿井提升机中的应用评阅人指导教师签字年月日成绩系院主任签字年月日毕业设计论文及答辩评语平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录系专业,学生于年月日进行了毕业设计论文答辩。设计（论文）题目基于PLC控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用专题论文题目指导老师答辩委员会根据学生提交的毕业设计论文材料,根据学生答辩情况,经答辩委员会讨论评定,给予学生毕业设计论文成绩为。答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）答辩委员会副主任（签字）答辩委员会委员，平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第1页目录目录1摘要3前言4第一章十一矿新副井提升绞车电控系统概况811十一矿新副井绞
3、车电控系统简介812十一矿新副井原来转子切电阻调速电动机运行方式813十一矿新副井绞车原来使用拖动系统系统框图及功能9第二章双馈变频调速系统技术方案1121变频技术简介1122变频调速的基本原理1523双馈调速系统结构图和运行原理1924电平双PWM变换器2125全控双馈调速系统构成2226双馈调速系统运行方式2327矢量控制全控双馈调速方案2428全控双馈调节系统结构2529多PLC网络控制系统27第三章操作台及外部设备的作用3131操作台3132上位机监视部分3233外部传感器的安装与作用33第四章两种方案比较34平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第2页总结37参考文
4、献39致谢40平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第3页基于PLC控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用摘要目前我国矿井提升机中的大多交流异步电机拖动系统，采用的电气控制系统采用转子串、切电阻调速，由继电器一接触器构成逻辑控制装置。本文以安全、可靠、高效、经济为出发点，以可靠性原则为依据，对矿井交流提升机电控系统中转子电路串电阻调速部分，进行改革，由可编程控制器PLC控制的变频调速控制代替原有的串，切电阻的调速方式。本文以JKMD35X4LE型多绳摩擦提升机为例，提出了研究设计方案，并且在中平能化集团十一矿新副井提升绞车上成功实施。PLC变频调速电控系统主要有一下几方面的优
5、点1能耗明显降低；2生产效率大提高；3调速性能好，无机械冲击；4电机定子、转子温度均下降很多，使电机运行的故障率大幅减少；5系统自动化高，保护齐全，安全性高，减少了人工操作失误率。关键词矿井交流提升机变频调速PLC电控技术研究平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第4页前言在煤矿生产中，矿井提升机起着非常重要的作用。矿井提升是矿井生产过程中的一个重要环节，它的任务是提升有用矿物和矸石；升降人员和设备；下放材料等。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，是矿井安全生产中重中之重的一大环节。我国目前正在服务的矿井提升机的电控系统
6、主要有以下3几种方案转子电路串电阻的交流调速系统、直流发电机与直流电动机组成的GM直流调速系统和晶闸管整流装置供电的VM直流调速系统。中平能化十一矿新副井以前就是采用转子电路串电阻的交流调速系统。而这种电控系统存在着很多的问题（L电机转差功率全部消耗于转子电阻回路中，而提升机有较长时间运行在重载加速、减速的工况下，此时转差功率非常大，这就造成了巨大的能源浪费。根据有关调查研究，我国2006年的电能消耗中，6070为动力电；而在总容量高达58亿KW的电动机总容量中，却只有不到2000万KW的电动机是采用节能型的变频调速方式。电机节能，特别是大型电机系统节能是降低国家能源消耗的重要手段。（2电阻分
7、级切换，为有级调速，设备运行不平稳，容易引起电气及机械冲击。（3继电器、接触器频繁动作，电弧烧蚀触点，影响接触器使用平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第5页寿命，维修成本较高。（4交流绕线异步电动机的滑环存在接触不良问题，容易引起设备事故。（5电动机依靠转子电阻获得的低速，其运行特性较软。（6提升容器通过给定的减速点时，由于负载的不同，而将得到不同的减速度，不能达到稳定的低速爬行，最后导致停车位置不准，不能正常装卸载。上述问题使提升机运行的可靠性和安全性不能得到有效的保障。因此，需研制更加安全可靠的控制系统，使提升机运行的可靠性和安全性得到提高。在提升机控制系统中应用计算
8、机控制技术和变频调速技术，对原有提升机控制系统进行升级换代。在八十年代后期，特别是九十年代以来，随着半导体技术的发展，交直交变频技术发展越来越成熟，应用也越来越广。因此，以全数字变频控制技术来代替传统的TKD控制方式已经成为一种趋势。其控制方式为“全数字变频调速多PLC冗余控制上位机监控”全数字电控系统。与原系统相比较新系统存在能耗小、噪音低，特别是配备全数字控制系统时可靠性更高、维护极为方便的优点。矿井变频调速提升机全数字电控系统有如下特点（1）硬件结构简单，故障点少，可靠性高全数字调速电控系统的硬件电路均采用大规模和超大规模集成电平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第6
9、页路，元器件少，结构简单，故障点少，可靠性高；传统TKD系统则以分立元件为主，元器件多，线路复杂，故障点多，可靠性差。（2）可控精度高，工作稳定性好全数字调速电控系统设有微处理器，整个控制功能与调速算法均由软件完成，控制参数一经确定，就不会发生改变，所以控制精度高，工作稳定性好；而老式电控系统的控制功能与调速算法均由硬件实现，控制参数离散性大，控制精度低，工作稳定性差。（3）故障自诊断能力强，大大降低使用维护成本全数字调速电控系统中，硬件工作状态可以通过软件来反映，软件运行情况也可以通过硬件来监视，这样硬、软件故障可以通过指示直接反映出来，维护方便。（4）具有较高的可构置性，扩展方便，运行灵活
10、性高全数字电控系统硬件采用以总线联系的模块化结构，控制算法和系统控制采用软件完成，具有较高的可构置性，在系统投入运行以后，随着科学技术的发展和系统要求的提高，可以进行功能扩展，具有较高的运行灵活性；而原电控系统一经设计完成，就无法进行功能扩展，具有功能单一，运行灵活性差的缺点。（5）可与其它系统联网，实现现代化管理全数字调速电控系统容易实现数字通讯，并与其它系统联网，它可将系统中的运行参数、运行状态传递到网络上，便于实现现代化管平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第7页理，而模拟调速电控系统就很难实现联网功能。（6）性能价格比高一方面，随着电子技术的发展，集成器件的成本越来
11、越低，这样全数字调速电控系统的成本将越来越低；另一方面，全数字调速电控系统技术先进、可靠性高、功能强大，因此具有很高的性能价格比。进一步来说，全数字调速电控系统在技术上已经发展成熟，因此在传动领域采用全数字调速电控系统并大力发展是一种必然趋势，它终将取老式调速电控系统。尽管矿井变频调速提升机全数字电控系统具有以上特点，但针对我国矿山常用的高压绕线式异步电动机拖动的提升机而言，仍然因元件耐压等因素而难以实现，采用电平叠加的方式解决了耐压问题，但终究因变压器、器件等损耗而使得效率较低，且价格昂贵。随着以IGBT为代表全控器件组成的PWM变换器具有谐波分量小的显著优点，于是针对高压绕线异步电动机转子
12、双馈变压变频调速成为可能，也就解决了上述问题，特别适合我国国情。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第8页第一章十一矿新副井提升绞车电控系统概况11十一矿新副井绞车电控系统简介十一矿新副井绞车是一套主导轮直径为35米的落地式摩擦轮交流绞车，型号为JKMD354（）E（PDS），电机功率800KW，提升高度为724米，最大提升速度为646米/秒；以前的电控系统采用焦作华飞电力电子工业有限公司的TKD系统，采用“绕线异步电机转子串电阻加速高压接触器换向低频拖动减速”的控制方式；转子切电阻调速，能耗高，效率低。按照09年安全治理项目计划，对新副井电控系统进行改造，新系统为“全数字
13、转子双馈变频调速多PLC冗余控制上位机监控”全数字电控系统。改造后可降低能耗2030，生产效率、调速性能可大大提高，系统自动化程度，减少人工操作失误率。12十一矿新副井原来转子切电阻调速电动机运行方式提升机电动机的运行方式,主要根据系统的力图来确定。（1）加速阶段。提升时为正力,采用电动加速。下放时为负力,若负力值较小,可考虑自由加速,并配合使用盘式制动器,若负力值较大,则采用动力制动加速。加速阶段不实行闭环调节,而以时间、速度为函数,逐步短接转子附加电阻,使提升电动机从零速升至全速。（2）匀速阶段。提升时为正力,采用电动拖动。下放时为负力,采用能耗制动、闭环控制,单闭环速度控制系统由与距离有
14、关的理想速度给定电路、平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第9页速度负反馈电路、PID调节器、移相触发电路及双向可控硅能耗制动电路组成,下放速度由PID调节。（3）主减速阶段。提升时为正力,采取逐级接入转子附加电阻和机械制动的方式。下放时为负力,一方面接入转子附加电阻,另一方面增大制动电流并辅以机械制动方式减速。（4）爬行阶段。当为正力时,转子接入几段附加电阻,由PLC控制运行当为负力时,在能耗制动方式下接入转子附加电阻。13十一矿新副井绞车原来使用拖动系统系统框图及功能图1转子切电阻调速系统原理图高压电网控制电源高压馈电开关柜高压和低频换向柜控制端子必要的外部低压双PLC
15、控制柜磁力站低频电源柜金属电阻变压器编码器操作台主控部分绕线转子电动机平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第10页（1）主控部分包括操作台和双PLC控制柜，是该系统的心脏。它取代了传统的操作台、给定装置、控制屏、稳压电源、深度指示器、后备保护、轴瓦温度指示、安全回路动作指示、故障记录仪等，还能完成传统系统根本不可能实现的许多功能。（2）高压馈电开关柜6KV高压进线开关，有使用和备用两路输入，具有失压、过流、短路等保护功能，且具有计量检测仪表。（3）高压、低频换向柜在加速、等速向电机定子施加交流高压，并完成换向功能在减速段和爬行段向电机定子施加直流或低压电源，使电机处于可控制
16、状态。（4）低频电源柜可调幅值的低频电源，完成减速段负力时的制动，为晶闸管交交无环流低频电源。（5）磁力站用于改变转子回路金属电阻接入量的大小，用来调节电动机转速。一般为5至10组低压交流开关构成。（6）金属电阻转子回路的三组调速电阻，每组分成8级或5级、10级；一般为生铁电阻，用于速度调节。（7）变压器将6000V高压变成与低频电源相适应的低电压。（8）编码器与主滚筒及导向轮同轴，将旋转量变成数字变化量加到PLC中，给出容器位置、按行程的速度给定和计算出当前速度。（9）必要的外部控制端子诸如到位开关、减速点开关、过卷开关、液压站控制端子、轴瓦磨损开关、松绳开关等必须的外部控制端子。（10）低
17、压电源三相四线制380V控制电源。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第11页（11）主电机提升机拖动电动机为绕线转子型。第二章双馈变频调速系统技术方案21变频技术简介目前，在高耗能的大功率交流提升系统领域，采用节能降耗的高效变频电控设备已成为大趋势，国内外主流的大功率变频设备主要有以下几种1交交变频由晶闸管（SCR）组成的交交变频器可满足交流提升的四象限运行要求，调速性能较好，但需选配低速电机，运行时谐波大，对电网污染严重，功率因数低，必须加装谐波抑制和无功补偿装置，目前国外已不再推广交交变频产品，其原有产品也已即将停止备件供应和相关售后服务。其系统原理图如图2所示图2交
18、交变频系统原理图平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第12页2交直交变频由全控器件组成的交直交变频装置逐渐成为大功率变频器的发展方向，由于目前功率器件的耐压等级问题，往往采用相应的多电平拓扑结构来满足大功率、高电压的实际应用要求，其系统原理图如图3所示图3交直交变频系统原理图其成熟产品主要有以下几种A多管直接串联两电平高压变频器图4多管直接串联两电平高压变频器原理图SA1SA2SA3SA4SB1SB2SB3SB4SC1SC2SC3SC4C1C2NABC平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第13页优点主回路拓扑简单，易于实现矢量控制，采用相同结构的前端全控
19、整流单元可实现四象限运行，系统整体功率密度水平和效率较高。缺点需施加动、静态均压措施，系统可靠性较差，输出波形畸变率较大，DU/DT高，输出电压、电流谐波含量大，对高压电机绕组绝缘有潜在威胁，实际应用需加装正弦波输出滤波器，同时EMI影响较重，威胁自身控制系统和其他电子设备的正常运行。（B）多独立电源级联型多电平高压变频器图5多独立电源级联型多电平高压变频器原理图优点采用单元化结构设计，将多个单相全桥单元叠加起来，采用载波移相等PWM调制技术，可实现多电平叠加输出，系统电平数越多，输出波形越接近于正弦，DU/DT低，可不用输出滤波器而直接应用于普通电机，系统平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕
20、业设计（论文）说明书第14页冗余度较好。缺点较难实现高性能矢量控制，目前大多应用于调速要求不高的风机、水泵等应用场合。系统功率器件数量众多，如对每个独立的直流电源配置前端全控整流以实现高性能能量回馈和网侧功率因数控制功能，则系统所用功率器件和传感器数量将会急剧扩大，系统功率密度低，移相变压器制造工艺复杂，系统占地面积大，故障点多，可靠性一般。（C）钳位型多电平高压变频器图6钳位型多电平高压变频器优点系统采用结构化设计，功率布局配置合理，功率密度高，符合大功率变频器的发展方向。输出波形畸变率、DU/DT、EMI等指标较两电平方式有较大改善。采用背靠背双三电平结构可按照“电网变频器电机”一体SA1
21、SA2SA3SA4SB1SB2SB3SB4SC1SC2SC3SC4C1C2ONABCE/2E/2平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第15页化方式进行协调控制，在实现高性能矢量控制的同时，对于网侧谐波含量、网侧功率因数等关键指标均有良好控制效果。缺点随着电平数的扩展，系统输出波形质量有进一步的改善，但算法复杂程度急剧上升，一般实际应用限制在七电平，国外成熟产品以三电平为主。DU/DT对高压电机的绝缘影响仍不容忽视，在6KV及以上高压应用场合仍需选配正弦波输出滤波器。22变频调速的基本原理异步电机的VVVF调速系统一般简称变频调速系统。由于在变频调速时转差功率不变，在各种异步
22、电机调速系统中效率较高，同时性能也最好，故是交流调速的主要发展方向。交流调速系统的控制量最基本上是转矩、速度、位置，根据不同的用途适当组合可构成各种闭环系统。异步电动机定子对称的三相绕组中通入对称的三相交流电，在电机气隙内会产生一个旋转磁场，其旋转速度为同步转速PFN1060式中1F定子绕组电源频率P电机磁极对数。异步电动机转差率00NNNS平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第16页则异步电动机转速160110SPFSNN由上式可知，异步电动机调速方法有如下几种A变同步转速0N变极P、变频1F、B变转差率S定子调压、转子串电阻、电磁转差离合器、串极调速。由电机学可知，转差
23、功率2CUEMSPSPP式中EMP电磁功率CU2转子铜耗。由式可知，变频调速与变极调速为转差功率不变型不论其转速高低，转差功率消耗基本不变，因此调速效率为最高。由电机与电力拖动可知，异步电动机等效电路如图7所示，平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第17页图7异步电动机等效电路对交流异步电动机进行变频调速，交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速表达式为PNFN1160式中1N同步转速R/MIN1F定子频率HZPN磁极对数。而异步电动机的转速为160111SNFSNNP式中S异步电动机的转差率11NNNS改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。当然，也
24、可以通过改变转差率，和磁极对数N，来改变异步电动机的转速。但是变极对数和变转差率在调速领域内的应用范围较小，而变频调速具有高效率、高范围和高精度的调速性能，是比较合理的调速方法。交流变频器正是通过均匀的改变输入异步电动机定子的供电频率来调节电动机转速的。对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负荷能力下降磁通太强，则由于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第18页子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力要下降。异步电动机的气隙磁通主磁通是定、转子合成磁
25、动势产生的。由电机理论知道，三相异步电动机定子每相电动势的有效值为M111444NFE式中1E定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值V1F定子频率HZ1N定子相绕组有效匝数M每相磁通量WB。由上式可见,M的值是由E1和F1共同决定的，对E1和F1进行适当的控制,就可以使气隙磁通M保持额定值不变。下面分两种情况说明1基频以下的恒磁通变频调速这是考虑从基频电动机额定频率AN向下调速的情况，为了保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁通M不变，这就要求降低供电频率的同时降低感应电动势，保持E1/F1常数，即保持电动势和频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。但是，E1
26、难于检测和直接控制。当EL和F1值较高时，定子的漏阻抗压降相对比较小，如果忽略不计，则可以近似的保持定子相电压U1和频率F1的比值为常数即可。这就是恒压频比，是近似的恒磁通控制。当频率较低时，U1和E1都变小，定子漏阻抗压降主要是定子电阻压降不能再忽略,这种情况下，可以适当的提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响,使气隙磁通基本保持不变。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第19页23双馈调速系统结构图和运行原理图8全数字转子双馈变频调速电控系统结构图传统双馈电机即为绕线式转子异步电动机，因其定、转子各有一套绕组与外部电源（电网或变频器）相连，功率流向可分别由定、转子馈入或馈
27、出，故称双馈电机。早期得到较广泛应用的绕线式转子异步电动机串级调速其实为双馈调速的一种方式，因其只能从转子侧馈出能量，只能运行在同步转速以下，没有制动停车功能，可理解为狭义双馈。与之相对应的广义双馈是指电机定、转子均可进行能量的双向流动。结构形式通常为电机定子侧接入恒压恒频电网，转子侧接入变压变频装置。通过控制转子附加电势的频率、幅值和相位进行调速和平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第20页功率因数控制。M3转子侧功率变换单元T1CU1CU2图9双馈调速系统运行原理示意图上图为由晶闸管功率器件组成的六拍逆变双馈调速系统，转子侧功率变换单元由CU1和CU2组成，当转子侧馈入
28、功率时，CU1工作在逆变状态，CU2工作在整流状态；当转子侧馈出功率时，CU1工作在整流状态，CU2工作在逆变状态。此外，另一种由晶闸管功率器件组成的转子侧功率变换单元为交交变频器，由于变频器自身的特点，一方面可以自然实现功率双向流动，另一方面会给电网带来较大的谐波，在功率较大的场合需使用谐波抑制装置。目前使用晶闸管功率器件的双馈调速系统在实际生产中有一定数量的应用，但已不再推荐使用。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第21页24电平双PWM变换器以IGBT为代表全控器件组成的PWM变换器具有谐波分量小的显著优点。近年来，随着全控器件的容量不断提高，使得在高压大功率调速应
29、用场合也有可能使用PWM变换器进行变压变频调速，其效率、功率因数、电压利用率等各项指标均优于晶闸管半控器件组成的相控变换器。_EDWC1C2S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D32UV图10二极管中点钳位三电平变换器的基本结构传统的两电平逆变器的大功率运用中存在许多问题需要笨重、耗能、昂贵的变压器，为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗，而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。三电平变换器由早期的两电平变换器演化而来，在变换器的桥臂上有4个电力半导体开关器件。每个期间三电平变换器
30、作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到高质量的输出波形的同时，克服了两电平逆变器的诸多缺点无须输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第22页关器件应力小，系统效率高等。其主要优点是电平数越高，输出的电压谐波含量越低，开关器件的开关频率低，开关损耗小，器件应力小，无须动态均压。采用不同的控制方式，可使三电平变换器工作在逆变状态或整流状态。在逆变运行状态，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合实现多电平阶梯波电压输出，从而使得输出的电压波形更加接近正弦波。在整流运行状态，可在直流输出电压可控的基础上，实现网测功率
31、因数调节。目前，在电力系统中正越来越多的使用由三电平全控整流器构成的有源滤波器。25全控双馈调速系统构成全控双馈系统构成与图1类似，只是其中的功率变换单元均由全控器件组成的三电平变换器构成。当转子馈出能量时，变换器CU1工作在全控整流状态，CU2工作在变压变频的逆变状态；当转子馈入能量时，两个变换器的工作状态与上述相反。由CU1和CU2组成的双三电平PWM变换器的结构如下图所示C1C2S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D32S11S12S13S14S24S23S22S21S31S32S33S34D11D12D21D22D31D
32、32双馈电机转子逆变/整流变压器图11双三电平PWM变换器平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第23页26双馈调速系统运行方式双馈控制所具有的一个突出优点是电机在调速的同时，能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数。由于电机定子侧直接接入恒压恒频电网，因此在实际应用中，合理地选择转子电流的控制方式，使系统获得某种能量指标最优。一般双馈调速系统有以下四种运行方式（1）全补偿工作方式即全部补偿定子的无功功率，使定子无功电流为零。在转子不过流的情况下，电动机的输出转矩将小于额定转矩。这种工作方式控制简单，较易实现，比较适用于负载变化不大的场合。（2）转子电流量最小工作方式这
33、种工作方式的实际意义在于降低转子侧功率变换器的容量。由于转子有功电流分量取决于负载，因此，当转子电流无功分量为零时，转子电流达到最小值。在这种情况下，当转矩为额定时，转子的全电流即为额定的有功电流。（3）转子电流恒定工作方式当负载变化时，转子电流幅值不变，但相位改变。重载时，转子电流的转矩分量较大。满足负载要求，在不过流，发挥改善功率因数的作用；轻载时，则提供较大的超前无功电流，尽量发挥改善功率因数的作用，这种工作方式特别适合负载变动较大，经常轻载而电网又常常需要补偿功率因数的场合。（4）最小损耗工作方式这种工作方式的基本原理是通过调节转子典雅的幅值和相位，合理的分配定子电流的有功分量和无功分
34、量，使得在任何夫在下双馈调速的异步电动机的损耗为最小。这种控制方式效率最高，但控制复杂。上述四种工作方式各有特点，在使用中应根据实际情况进行选择，也可采平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第24页用多方式切换来满足不同工况的需要。27矢量控制全控双馈调速方案对于双馈电机而言，由于电机的定子接在工频电网上，转子接在可控的三相电源上，在动态过程中有转子侧引起的磁场波动必将在定子侧进行解耦补偿，考虑到冲击性负载及电网在瞬间畸变情况下磁链应具有很强的抗扰特性，因此选定磁链矢量作为同步定向坐标轴系。磁链定向方法可分为转子磁链定向，定子磁链定向和气隙磁链定向。在双馈调速中，一般应用定子
35、或气隙磁链定向进行转矩分量和励磁分量的解耦。ASR有功电流调节器无功电流调节器SJE2/3双三电平PWM变换器M3PGSINCOS磁通运算有功/无功电流运算STISMISMISTIRTIRMIRIRIRIAIBICISISU图12双馈调速矢量控制示意图当采用磁链定向后，转子电流MT分量的解耦控制直接对应于定子电流在有功与无功电流方向上的正交控制。因此，分别采用有功和无功电流调节器可以使系统对无功电流的调节构成更好的实时控制效果。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第25页28全控双馈调节系统结构系统主处理单元脉冲触发处理单元信号处理接口单元功率驱动接口单元通信接口单元模拟量
36、接口单元显示操作接口单元系统总线图13全控双馈调节系统结构全控双馈调节系统由以下几部分构成系统主处理单元使用MPC5554，32位RISC主处理器，实现速度调节、开停机条件检查及控制、设备运行状况监视。该模块通过信号处理接口单元和现场具体信号相连。模拟量接口单元提供16路模拟量输出，将系统运行信息通过模拟量供给外部仪表和操作设备。通信借口单元提供CAN和PROFIBUS工业控制总线，和绝大多数PLC实现无缝连接。显示操作接口单元提供设备显示和操作键盘接口。功率驱动接口单元为脉冲触发处理单元提供必要的输入信号，并将其输出的脉冲触发信号进行功率放大。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文
37、）说明书第26页脉冲触发处理单元为系统的核心单元，其结构如下图所示DSPFPGA可编程在片系统外部扩展总线16BITADDDRESSBUS16BITDATABUS16BITCONTROLBUS双口RAM总线驱动8路数字量输入8路数字量输出8路模拟量输出8路模拟量输入脉冲控制单元功率器件过流信号过流检测过流检测过流检测三相同步电压信号同步检测同步检测同步检测三路电流、电压检测信号PWM脉冲输出脉冲输出脉冲输出脉冲输出数字锁相环单元12BITA/D16BITD/A锁存滤波调制及驱动单元V/F变换V/F变换V/F变换图14脉冲触发单元示意图如图所示，脉冲触发单元的输入信号包括三路零电流，三路同步，三
38、路电压、电流，输出为三相正反组触发脉冲（桥式变流器为36路触发脉冲，零式变流器为18路触发脉冲）。在脉冲触发单元中需完成矢量控制，电流调节，触发脉冲分配等任务。脉冲触发单元由TMS2812，32位DSP为主运算单元，主要进行矢量控制和电流调节任务，脉冲触发分配由FPGA硬件实现，最大程度的保证系统响应的实时性。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第27页整个调节系统通过16位并行总线和高速串行总线相连，具有很强的实时数据处理能力和可扩展性。29多PLC网络控制系统提升机是矿山咽喉设备，为满足其高可靠性、高安全性要求，建立以网络为连接纽带的多PLC冗余控制系统，用于完成提升机
39、行程控制、逻辑操作和故障保护、液压制动控制以及其他辅机设备自动控制等。PLC网络控制系统中，由多台西门子S7300PLC构成，所有PLC均通过MPI和PROFIBUS双网连接，从而保证了重要数据的同一性，每台PLC的基本配置有电源模块、CPU模块、数字量I/O模块、A/D和D/A模块以及通讯模块等。（1）PLC提升行程控制要由行程监控PLC、叁个轴编码器两个装在驱动轮上，另一个装在天轮上和井筒同步开关（装在减速点前）构成。叁台轴编码器将提升机钢绳在线速度和行程位置转换成脉冲信号分别送入PLC中，PLC将部分操作信号、保护信号以及设定的一些行程参数与轴编码器信号结合起来进行逻辑运算处理，自动产生
40、提升机所需的速度给定信号即运行曲线,为了尽量减少起动、制动过程中的机械冲击，提高提升机控制精度，速度给定信号的加速、减速段为“S”型曲线，减速段行程通过PLC实际运算来调节减速度以保证其为一固定值，从而保证了停车点不变和停车点的精度。主要技术参数为传感器平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第28页（1）增量式轴编码器2048脉冲/转（2）行程测量范围0000099999,分辨率001M（3）速度测量范围00001999,分辨率001M/S主要功能为（1）与操作保护PLC之间相互保护、相互监视。（2）产生速度包络曲线对提升机的速度进行连续监视。（3）提升机进行法定试验时，可以
41、更安全、可靠和容易，通过启动一个试验开关，就可以将井筒长度“缩短”到一个特定预置的数值，提升容器以任何试验速度接近“缩短”了的井筒端部时，就会使提升机停车，这样，在试验时，各种保护的效果，以及制动系统的效果，可以得到可靠的保护。（4）补偿由于运行磨损带来的钢丝绳和滚筒直径的变化及钢丝绳滑动引起的位置变化。具体做法是，当提升容器在井筒底部时按下标定按钮，提升机慢速提升一个循环即可，这种操作在软件中得到了充分的安全保护。（2）操作保护PLC操作保护PLC的主要功能是（1）执行操作程序，生成开车信号和方向；（2）实现各种故障保护及闭锁。（3）与行程监控PLC之间相互保护、相互监视。（3）安全保护回路
42、由操作保护PLC、闸控PLC与继电器构成双线制提升机安全保护回路。来自提升机各部分的保护信号分为立即施闸、井口施闸、电气制动和报警4类。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第29页其中井口施闸、电气制动和报警类事故信号直接引入到PLC中，PLC将其处理后送监视器显示故障类型并控制声光报警系统报警并施闸，而立即施闸类事故信号除引入到PLC中处理、显示、报警外，还直接引入到安全直动回路，动作施闸系统施闸。系统的安全回路有两套，一套由PLC构成，另一套为继电器直动回路，如图所示。各种保护信号重事故信号轻事故信号PLC操作保护系统电气制动施闸类故障提升终了施闸类故障抱闸信号报警类故
43、障立即施闸类故障继电器安全回路液压制动系统警笛时速度S/M1图15各类保护示意图系统的主要保护有（1）立即施闸类故障保护（就是说发生下列各类故障时，系统能立即进行安全制动停车）高、低压电源断电；整流逆变故障主回路过电压或接地整流器过电流逆变器过电流；调节装置电源故障整流装置故障错向操作制动油路系统故障轴编码器故障平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第30页提升容器过卷变压器调闸提升速度超过最大速度15及减速段过速10提升容器达到终端位置时的速度超过2M/S；钢丝绳滑动超限按下安全制动按钮定子、转子回路故障；（2）终端施闸类故障保护就是说发生下列各类故障时，允许一次提升循环结
44、束后再停车制动油油温超限；电机温度和主轴承温度超限运行过程中通风机故障变压器温度偏高。闸盘故障（3）电气制动类故障保护就是说发生下列各类故障时，系统自动降低速度到1米/秒,然后再施闸停车信号电源欠压液压制动系统油温偏高液压制动系统油位偏低（4）制动控制系统对液压站各阀进行控制和调节的电气控制系统能与制动系统协调一致，对接收的信号在控制器中加以处理，并对制动系统进行控制。自动送闸/施闸油压值的调整，实现恒制动力制动液压站的故障信号。制动系统的屏幕显示包括在提升机电控系统中并由不间断电源供电。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第31页第三章操作台及外部设备的作用31操作台操作
45、台采用操作方便的分体式结构，共由左操作台、右操作台和指示台三部分构成，左操作台上有制动手柄，高压送电按钮、磁场送电按钮，快开控制按钮，安全复位按钮、紧停按钮、灯试验按钮、闸试验按钮、过卷旁通按钮等。右操作台上有主令操作手柄、工作方式选择开关、控制方式选择开关、自动控制按钮和信号联络按钮等。右侧为工业控制计算机，中间指示台上有运行参数显示仪表、重要操作信号和故障信号指示灯，显示仪表有深度指示器包括一套柱式显示器（粗针）和一套数字显示器（精针）；速度表；液压表；可调闸毫安表；定子电流表；转子电流表；6KV电源电压表。重要操作信号和故障指示灯有1高压柜指示；锭子送电指示；转子送电指示；液压站正常指示
46、；润滑站正常指示；辅助电压工作指示；安全回路正常指示；满仓指示；主令零位闸把零位等。司机可操作操作台上的开关及按钮来控制提升机运行，并通过指示灯和显平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第32页示仪表以及工业控制计算机及时了解提升机的运行状态及运行参数。32上位机监视部分由上位计算机实现人机对话，它可显示提升系统全貌及介绍；主回路及励磁回路；低压系统；提升系统全貌；速度图、力图液压制动系统图；生产报表；故障信息；帮助（如何阅读画面）等。上述所有画面都是动态画面，它们反映了提升机所有的运行参数和运行状态以及故障类型和故障发生时间，工业控制计算机能使司机对提升机的运行状况一目了然
47、，若发生故障，司机能及时从上位计算机上了解到故障类型及位置，能及时通知维修人员排除故障，从而缩短排除故障时间，提高劳动生产率。33外部传感器的安装与作用（1）井筒开关选用磁性非接触开关，分别设置在井筒中过卷、齐平、同步、减速点等位置。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第33页（2）轴编码器选用2台坚固型编码器分别安装在导向轮和驱动轮上。（3）测速机选用与轴编码器一体化的进口产品，安装在驱动轮上。轴编码器PG1信号进入行控，轴编码器PG3信号进入主控PLC2，作为两路完全独立的行程和速度监测信号，行控PLC3实现速度控制，PLC2、PLC3分别实现有关行程和速度的监视保护。
48、通过网络通讯，PLC2和PLC3进行行程和速度参数的相比较，实现钢绳滑动监视及PG1和PG3的相互监视。测速机（TG1）信号同时进入主控PLC1和PLC2，用于速度的监视保护，及测速机和轴编码器的相互监视。（4）轴编码器PG3信号输入调速控制计算机，用于闭环调速控制。（5）装设一套井筒开关，用于完成控制与保护功能，包括过卷开关、减速开关、停车开关、同步校正开关。平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第34页第四章两种方案比较（1）能耗明显降低矢量控制全控双馈调速方案与串电阻调速方式相比，节约了消耗于转子电阻回路中的能量，且在制动过程中可以发电并回馈电网，每年可节约电能消耗约2
49、030。（2）生产效率大提高目前系统的速度图如下平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第35页图16新系统速度图从改造前后的速度图可看出1以上为改造后的速度图，在最大速度没有增加的情况下，加减速均取保守值。2提升时间T总551072991591773313547S改造后速度图V（M/S）VBH748M/SV103M/SV215M/SVP110M/SVP205M/SVP3022M/SAM/S20020600480044005006SM1543266304486204TS368296911511352T总3682969115113521439S图17老系统速度图较目前系统提人163S和提物15562S减少运行时间为2753和2015秒目前绞车速度运行速度每勾因重量不同，速度在6米/秒至646米/秒之间，所以每勾时间不固定。改为转子双馈变频系统后，调速性能同直流系统，速度按设定的S曲线运行，加速、减速、等速段固定，速度可控制为646米/秒，VM65M/S平顶山工业职业技术学院成人教育学院毕业设计（论文）说明书第36页每勾时间固定，减少每勾运行时间。（3）调速性能传统TKD在启动和减速时都属于有极调速，失量控制可实现类似直流拖动控制系统的优良调速性能，实现无级调速。系统能自动
