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矿井提升机电力拖动系统的设计


矿井提升机电力拖动系统的设计
摘要
【摘要】矿井提升机是矿山生产的关键设备,其运行的安全性和可靠性对 矿山生产起着至关重要的作用。传统的矿井提升机系统控制精度不高、 调速性能较差、 安全保护和监测环节都不够完善。 调速系统采用变频调速 方式,提高了提升机运行的稳定性,同时降低了能源消耗。控制系统采用 PLC 控制方式,设计了双 PLC 冗余控制系统,极大保障了

提升机运行的可靠 性;此外,推导出行程给定中理想 S 形速度曲线的数学模型,并在 Matlab 中进行仿真, 验证了该控制系统的可行性。上位机监控通过工业以太网与 PLC 通信,实时显示提升机的运行参数和状态,支持在线 WEB 发布功能,实 现系统远程监控。经过以上改造设计,该矿井提升机安全性和稳定性大幅 提高,不仅节能效果显著,还提高了生产效率。

【关键词】矿井提升机、变频调速、PLC 控制、上位机监控

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目录
第一章 浅谈矿井提升机电力拖动的发展现状......................................3 第二章 矿井提升机电力拖动系统的基本状况......................................7 第三章 矿井提升机调速控制系统分析..................................................8 3.1 引言......................................................................................................8 3.2 提升机电控系统总体结构..................................................................9 3.3 提升机电控系统变频器选择.............................................................10 3.4 变频控制部分设计.............................................................................10 3.4.1 变频调速主系统设计......................................................................11 3.4.2 变频器外部电路设计......................................................................14 3.5 PLC 控制部分设计........................................................................... 15 3.5.1 基本控制功能.................................................................................16 3.5.2 位置检测电路.................................................................................17 3.6 硬件调速控制系统保护措施............................................................18 3.7 小结....................................................................................................21 第四章 提升机调速控制系统软件实现................................................21 4.1 引言....................................................................................................21 4.2 矿井提升机中 S 型速度曲线建模及实现........................................22 4.2.1 速度曲线的选择.............................................................................22 4.2.2 提升机理想 S 形速度曲线数学模型.............................................24 4.2.3 理想速度曲线的实现.....................................................................29 4.3 调速控制系统软件流程....................................................................33
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第一章 浅谈矿井提升机电力拖动的发展现状 矿井提升设备作为一个典型的机械、电气为一体的设备,担负着 提升煤炭的重要任务,素有“矿井咽喉”之称,而提升机是它的重要 组成部分。随着科学技术的进步和矿井生产现代化要求的不断提高, 人们对提升机工作特性的认识进一步深化,各种新技术、新工艺逐步 应用于矿井提升设备中。特别是模拟技术、微电子技术、微电脑技术 在提升机控制中的应用己成为必然的发展方向。 现就矿井提升机电力 拖动技术中的各种拖动方式和提升机的发展现状作已阐述。 1.1、交流绕线型异步电动机拖动 这是矿井提升机电力拖动发展的第一阶段, 由于鼠笼型异步电动 机很难满足提升机起动和调速性能的要求, 因此矿井提升机多采用绕 线型异步电动机进行拖动。 绕线型异步电动机转子回路串电阻后能限 制起动电流和提高起动转矩,并能在一定范围内调速。这种系统具有 结构简单,坚固耐用,建筑面积小,维护方便,价格低廉,安装调试 方便等优点。缺点是启动阶段电能损耗较大,当用于要求频繁启动或 不同运行速度的多水平提升机时,这个问题就更为突出。由于靠切除 转子回路电阻进行调速,所以系统的调速性能不好,调速范围小且为 有级调速。目前,在我国中小型矿山或中等深度以下的矿井中,这种 拖动系统还有一定的市场。受交流开关容量的限制,单台交流拖动的 电动机容量一般不大干 1O000kW ,当功率超过 lO00kW 而又选用这 种拖动方式时,可利用 2 台绕线型异步电动机组成双机拖动系统。 1.2、发电机一电动机直流拖动
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由于绕线型异步电动机的调速性能不够理想, 所以人们便开始采 用这种拖动方式。直流电动机的机械特性为直线,调速性能更好,工 作更加可靠。发电机一电动机直流拖动系统,主提升电动机为他励式 直流电动机,由同步电动机驱动的直流发电机对其直接供电,通过改 变直流发电机的励磁大小来改变直流电动机电枢两端的电压, 从而改 变电动机的转速,达到提升机的调速目的。 这种系统采用磁放大器和电机放大机两级放大的速度闭环调速 方式。给定部分送来的信号,加到双拍磁放大器的给定绕组,经放大 后供给电机放大机的给定绕组,经再次放大后接发电机的励磁绕组。 磁放大器和电机放大机的反馈绕组按负反馈接法分别接到各自的输 出端,磁放大器构成外反馈环节,电机放大机构成电压负反馈环节, 使磁放大器和电机放大机具有较理想的特性。 通过与提升机硬轴连接 的测速发电机获得测速反馈信号, 加到磁放大器速度反馈绕组和给定 信号进行综合比较,构成速度负反馈环节。发电机一电动机直流拖动 系统的特点是过载能力强,所需设备均为常规定型产品,供货容易, 运行可靠,技术要求不高,对系统以外的电网不会造成有害的影响。 缺点是效率低,平均只有 75%左右;调速范围由于剩磁影响不能过 大,设备复杂、庞大、占地面积大等。目前,这种系统己较少采用。 1.3、晶闸管整流装置供电的直流拖动 自 20 世纪 60 年代初到 7O 年代,在这近 20 年的时间里,伴随 着电力电子技术的飞速发展, 晶闸管整流装置供电的直流拖动系统得 到迅速发展和普及,这是矿井提升机电力拖动发展的第二阶段。为获
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得可逆运行特性以实现四象限调速, 这种系统通常有两种电气控制方 案:一种是电枢可逆自动调速方案,通过改变直流电动机的电枢电压 的极性,改变提升机运行方向;另一种是磁场可逆自动调速方案,通 过改变直流电动机励磁电流方向,来改变提升机的运行方向。不论采 取哪种方案,调速方法一般以调压为主,调磁为辅。 电枢可逆方案需改变电动机电枢回路电流的方向, 由于电枢回路 电感较小,时间常数小(约几十毫秒),反向过程进行快,因此适用于 频繁启动、制动的多水平提升系统。但是,这种方案主回路需要两套 容量较大的晶闸管变流装置,一次性投资较大,提升机容量越大,这 个问题就越突出。 磁场可逆方案,主回路只用一套晶闸管变流装置,励磁回路采用 两套晶闸管变流装置。由于励磁功率较小,所以设备总容量比电枢可 逆方案小得多, 一次性投资较少。 但是, 由于励磁回路电感量比较大, 时间常数大(约零点几秒到数秒),因此,这种系统反向过程较慢,在 采用强迫励磁之后,其快速性可得到一定程度的补偿,但切换时间仍 在几百毫秒以上。应当指出,磁场可逆系统在电动机反转过程中,当 励磁电流改变方向时,应使电动机的电枢电压为零,以防止电动机在 切换过程中由于失励磁而“飞车” ,这不仅增大了反向过程的死区, 也增加了控制系统的复杂性。矿井提升机一般容量较大,且对快速性 要求不高,因此,磁场可逆方案采用更为普遍。 用范围广;调速平滑,精度高。易于实现最佳控制和自动化,安 全可靠,节电显著,5-8 年可回收设备投资,是矿井节电的有效途径。
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其缺点在于:功率因数低,如三相桥平均功率因数只有 0.45 左右: 无功冲击大,高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用顺序控制和多 脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使其抑制在一定 的允许范围内。用范围广;调速平滑,精度高。易于实现最佳控制和 自动化,安全可靠,节电显著,5-8 年可回收设备投资,是矿井节电 的有效途径。其缺点在于:功率因数低,如三相桥平均功率因数只有 0.45 左右:无功冲击大,高次谐波对电网影响大。这些缺点可采用 顺序控制和多脉冲整流的方法以及在电网上加谐波滤波器等措施使 其抑制在一定的允许范围内。 1.4、交一交变频器供电的交流拖动 如前所述, 晶闸管整流装置供电的直流拖动系统存在功率因数低 的缺点。尽管采用了顺序控制技术,但功率因数仍然较低,需要由电 网吸收大量的无功功率,对电网品质因数产生严重的影响。矿井提升 机的容量越大,这个问题就越突出。另一方面,直流电动机电枢回路 的整流子限制了提升机容量的进一步增加, 随着深井开采的趋势不断 扩大,提升机单机容量将不断加大,电动机的换向整流子就成了一个 薄弱环节。面对上述两个问题,迫使人们又重新考虑发展交流拖动的 矿井提升机,2O 世纪 8O 年代初期,人们开始采用交一交变频器供 电的交流拖动方式。l982 年,世界上第一台交一交变频器供电的同步 电动机拖动的矿井提升机在西德问世并投入使用, 一举获得了巨大成 功。从此,矿井提升机的电力拖动进入了第三个发展阶段,即交流变 频拖动阶段。这种拖动系统的优点是:①提升容量几乎不受限制,最
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大可达 lO0o0kw, 提升速度可达 20m/s 以上, 提升高度 1200m 以上, 滚筒直径达 6.5m,这是直流系统难以达到的,②没有整流子和碳刷 这一薄弱环节,保证了电机的可靠运行和降低了运行消耗,③功率因 数高,可达 0.9~l,极大地节省了电能,④动态品质好(和直流系统 相同),系统可在四象限平滑过渡和无级调速;⑤ 由于机械特性好, 故起动转矩大。⑥ 同步机的价格和有色金属的消耗低干直流机,⑦ 调速范围宽。因此,多数专家认为,变频同步机拖动调速系统是大型 提升机拖动的必然发展方向。 这种拖动系统的缺点是:① 必须有专用的变频电源;②在恒转 矩调速时,低速段电机的过载倍数有所降低;③ 高次谐波对电网有 影响,需在电网上加滤波器等补偿措施加以缓解。 第二章 矿井提升机电力拖动系统的基本状况 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 阻的上产生相当大的功耗。 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;速时机械特性较软,静差率较大;电阻 上消耗的转差功率大,节能较差;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。
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传统的矿井提升机的电控系统主要有以下几种方案:转子回路 串电阻的交流调速系统、 直流发电机与直流电动机组成的 G-M 直流 调速系统和晶闸管整流装置供电的 V-M 直流调速系统等。

矿井提升机电控系统分为矿井提升机直流电控系统和矿井提升 机交流电控系统。交流提升机电控系统的类型很多,目前国产用于单 绳交流提升机的电控系统主要有 TKD-A 系列、 TKDG 系列、 JTKD-PC 系列,用于多绳交流提升机的电控系统主要有: JKMK/J-A 系列、 JKMK/J-NT 系列、JKMK/J-PC 系列等。单绳提升机电控系统又分为 继电器控制和 PLC 控制。 提升机交流电控系统主要由高压开关柜〔空气或真空〕 、高压换 向柜〔空气或真空〕 、转子电磁控制站、制动电源、操纵台、液压站、 润滑油与制动液泵站、 启动电阻运行故障诊断与报警装置等电气设备 组成。主要完成矿井提升机的启动、制动、变速及各种保护。

第三章 矿井提升机调速控制系统分析
3.1 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
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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。 3.2 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

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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:

3.3 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。 3.3.1 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

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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。 3.3.2 提升机交流调速性能分析
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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。 二、变频调速方法 变频调速是改变电动机定子电源的频率, 从而改变其同步转速的 调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器,变频器 可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类, 目前国 内大都使用交-直-交变频器。其特点:1、效率高,调速过程中没 有附加损耗;2、应用范围广,可用于笼型异步电动机;3、调速范围
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大,特性硬,精度高;4、技术复杂,造价高,维护检修困难。 三、改变转差率调速 改变转差率的方法主要有三种:定子调压调速、转子电路串电阻 调速和串级调速。下面分别介绍。 a、定子调压调速方法 当改变电动机的定子电压时,可以得到一组不同的机械特性曲 线,从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比,因此 最大转矩下降很多,其调速范围较小,使一般笼型电动机难以应用。 为了扩大调速范围,调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机,如 专供调压调速用的力矩电动机,或者在绕线式电动机上串联频敏电 阻。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源,目前常用的 调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶 闸管调压方式为最佳。调压调速的特点:1、调压调速线路简单,易 实现自动控制;2、调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻 中,效率较低。3、调压调速一般适用于 100KW 以下的生产机械。 b、转子电路串电阻调速方法 绕线式异步电动机转子串入附加电阻,使电动机的转差率加大, 电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大,电动机的转速越低。 此方法设备简单,控制方便,但转差功率以发热的形式消耗在电 阻上,属有级调速,机械特性较软。 c、串级调速 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势
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来改变电动机的转差,达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附 加电势所吸收,再利用装置,把吸收的转差功率返回电网或转换为其 它能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式,串级调速可分为电机 串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式。应用中多采用晶闸 管串级调速,其特点为:1、可将调速过程中的转差损耗回馈到电网 或生产机械上,效率较高;2、装置容量与调速范围成正比,投资小, 适用于调速范围在额定转速 70%-90%的生产机械上;3、调速装置 故障时可以切换至全速运行,避免停产;4、晶闸管串级调速功率因 数偏低, 谐波影响较大。 综上所述, 直流调速的电枢和励磁是分开的, 能够精确控制; 且直流调速转矩速率特性好并能在大范围内平滑地调 速,因此在矿井提升系统中得到广泛应用。电刷是直流电动机的一个 重要部件,但在实际应用中,电刷磨损严重,且在负载工作条件下, 出现打火现象,甚至形成环火,极易造成电枢两极短路,危及整个系 统的安全。 但交流电机不存在电刷损坏的问题, 因此也得到广泛应用, 但交流调速性能离直流电机优越的调速性能还有差距。 随着电子科技 技术的发展,运用现代控制理论,将直流调速原理应用于交流调速控 制系统中,使交流调速在很大程度上得到发展。 3.4 提升机调速控制方案分析 为了使提升机调速控制系统能取得良好的控制性能, 不同类型的 负载应根据具体要求选择不同的控制方案, 控制方式是决定提升机使 用性能的关键所在。目前在实际生产中得到应用的很多,其中有高精

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度的还有一般性能的,种类五花八门,价格也高低相差悬殊。所以在 选用调速控制系统时要按负载的特性要求,并结合矿井的生产规模, 以达到经济、实用为准。常用的控制方式主要有:转子回路串电阻调 速、模糊控制、直接转矩等。 3.4.1 传统转子回路串电阻调速系统 转子回路串电阻调速的主电路结构如图 2—2 所示

图 2—2 转子回路串电阻调速图 在加速过程中,交流接触器 KM1,KM2,KM3,KM4 逐级吸合,转子 回路电阻依次减小,以保证加速力矩的平均值不变。如果要求提升机 低速运行, 则需在转子回路串较大电阻。 为了解决减速段的负力要求, 通常采用动力制动方案, 即将定子侧的高压电源切除, 施加直流电压, 或在定子绕组上施加低频电源,让电动机工作在发电状态。这种拖动 方案存在的问题是:1)开环有级调速,加速度难以准确控制,调速 精度差;2)触点控制,大量使用大容量开关,系统维护工作量大,可 靠性差;3)运行效率低,在低速时大部分功率都消耗在电阻上;4)电 机的机械特性偏软,一般电阻上消耗的功率约为电动机输出功率的 20~30%。虽然这种调速方案技术性能差,且运行效率低,但控制方
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式简单、初期设备投资小,许多中小矿井的提升机仍采用这种调速方 案。 3.4.2 模糊控制调速系统 一、模糊控制的基本思想 模糊控制(Fuxxy Control)的基本思想是把人类专家对特定的被 控对象或过程的控制策略总结成一系列以“IF(条件)THEN(作用) ” 表达式形式表示的控制规则,通过模糊推理处理得到控制作用集,作 用于被控对象或过程控制,作用集为一组条件语句,状态条件和控制 作用均为一组被量化了的模糊语言集,如“正大” 、 “负大” 、 “高” 、 “低” 、 “正常”等。一般的模糊算法包括以下五个步骤: A、定义模糊子集,建立模糊控制规则; B、由基本论域转化为模糊集合论域; C、模糊关系矩阵运算; D、模糊推理合成,求出控制输出模糊子集; E、进行逆模糊运算、模糊判决,得到精确控制量; 二、提升机模糊控制系统原理图 在对提升机的转速控制中, 采用二维的输入变量即使用误差和误 差的变化率。实现模糊控制的原理框图如图 2—3 所示:

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PLC 通过采样获取被控量的精确值,然后将此量与给定值进行比 较得到误差信号 e、误差变化率 de/dt,把误差信号和误差变化率的 精确量模糊化变成模糊量 E、Ec 再经过模糊推理得到模糊控制量 U, 进行解模糊处理得到控制信号 u,送入变频器从而对被控对象实施控 制。与传统控制方式相比,模糊控制是一种非线性的控制方法,工作 范围宽,适用范围广,特别适合于非线性系统的控制。但信息简单的 模糊处理导致系统的控制精度降低和动态品质变差,若要提高精度, 则必然增加量化级数,从而导致规则搜索范围扩大,降低决策速度, 甚至不能实时控制。 3.4.3 直接转矩控制系统 1985 年,德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩 控制(Direct Torque Control, 简称 DTC)变频技术。 直接转矩控制也称之 为“直接自控制” ,这种“直接自控制”的思想是以转矩为中心来进 行磁链、转矩的综合控制。直接转矩控制通过检测电机定子电压和电 流,借助瞬时空间矢量理论计算电机的磁链和转矩,并根据与给定值 比较所得差值,实现磁链和转矩的直接控制。直接转矩控制系统结构 图如图 2—4 所示
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直接转矩控制系统的控制效果取决于转矩的实际状况, 所以它的 控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速 且无超调,是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。但是目 前直接转矩控制技术在理论上尚不成熟、不够完善,直接转矩控制系 统的固有缺陷, 一直阻碍着 DTC 系统的进一步发展。 所面临的主要问 题是:低速性能不尽人意,转矩脉动比较严重。目前关于 DTC 系统无 速度传感器技术的研究尚不多见,还需要开展大量的工作。 在实际应用中还有一些非智能控制方式在变频器的控制中得以 实现,例如自适应控制、最优控制、差频控制、环流控制、频率控制 等。智能控制方式主要有神经网络控制、最优控制、专家系统、学习 控制等。 由于调速系统是在公众场合下应用的一种需要高质量、 高精度和 高可靠性的系统,尤其用在矿井提升机这样要求安全系数高的场所, 更要保证其系统的安全可靠运行。 3.4.4 矢量控制变频调速系统 矢量控制的基本思路是以产生相同的旋转磁动势为准则, 将异步 电动机在静止三相坐标系上的定子交流电流通过坐标变换等效成同
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步旋转坐标系上的直流电流并分别加以控制, 从而实现磁通和转矩的 解耦控制,以达到直流电机的控制效果。 三相异步电动机定子三相绕组嵌在定子铁芯槽中, 在空间上互差 120o 电角度,当在定子三相绕组上加三相交流电时,异步电动机在空 间上产生的是旋转磁场,根据直流电动机的电枢电流与磁场垂直,将 异步电动机物理模型等效变换为 M、T 坐标下的两相绕组模型,如图 2-5 所示。

该模型有两个垂直的绕组:M 绕组和 T 绕组,且以角速度ω 1 在 空间上旋转。M、T 绕组分别通以直流电流 mi、ti。mi 沿 M 绕组轴线 方向产生磁势,ti 沿 T 绕组轴线方向产生磁势。mi 与 ti 相互垂直,而 且分别可调、可控,当 mi 保持恒定不变,控制 ti 即可很方便地控制 电动机的转矩。 由异步电动机两相绕组模型可得出矢量变换控制的思路是: 把异 步电动机的三相绕组等效为在空间上互相垂直的两个静止的α 、 β 绕 组,三相绕组的电流和两相α 、β 绕组电流有固有的变换关系。再经

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过旋转坐标变换,将两相静止α 、β 绕组电流,等效变换为磁场方向 与 M 轴、T 轴方向一致的同步旋转两相 M、T 绕组电流。这样,通过 控制 M 轴,T 轴两个方向的电流大小来等效地控制三相电流 Ai、Bi、 Ci 的瞬时值,从而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的。 矢量控制, 具体是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场 的电流分量 Mi(励磁电流)和产生转矩的电流分量 Ti(转矩电流)分 别加以控制, 同时控制两分量间的幅值和相位, 即控制定子电流矢量, 所以称这种控制方式为矢量控制方式。 矢量控制又分为无速度传感器 的矢量控制和有速度传感器的矢量控制。 无速度传感器的矢量控制如 图 2—6 所示:

如果在生产要求不是十分高的情形下, 采用无速度传感器的矢量 控制变频调速是非常合适的,其控制结构简单,可靠性高。 带速度传感器的矢量控制如图 2—7 所示:

带速度传感器的矢量控制变频调速是一种比较理想的变频调速 控制方式。主要优点包括: (1)可以从零转速起进行速度控制,即在 低转速下亦能可靠运行,调速范围很宽广,可达 100:1 或 1000:1;(2)
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可以对转矩实行精确控制;(3)系统的动态响应速度快;(4)电动机的 加速度特性好。 3.5 小结 本章结合煤矿生产实际情况,分析提升机工作过程及工作特点; 并给出提升机机械传动结构图,使提升机的工作原理更加清晰。传统 提升机电控系统是古老的转子串电阻调速,存在很多的安全隐患,急 需改进。改进后的电控系统采用什么控制方案更加合理,采用交流还 是直流调速,到底哪种调速方法调速性能更好。针对这种种疑问,文 中分别对提升机直流调速和交流调速的调速性能进行分析, 并就目前 存在的几种高精控制系统进行分析, 并与目前技术已经成熟的提升机 变频调速控制系统做比较, 这些工作对确定提升机控制方案提供了很 大帮助。设计中同时考虑到串电阻调速系统控制器件多、电路复杂的 缺点,所以将可编程控制器应用于控制系统。最后确定提升系统的整 体控制方案为:基于 PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系 统。

第四章 提升机调速控制系统软件实现
4.1 引言 软件控制是提升机调速控制的灵魂。 PLC 系统控制软件由主程序 和中断子程序构成,并集成了 PLC 故障处理功能,能够有效的避免 许多干扰因素的影响,确保提升机调速电控系统的有效运行。

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4.2 矿井提升机中 S 型速度曲线建模及实现 4.2.1 速度曲线的选择及给定方法 (1)速度曲线选择 传统上,矿井提升机箕斗的运行速度曲线,根据加减速特性的不 同,可分为 3 阶段速度图、5 阶段速度图和 6 阶段速度图。其中,5 阶段速度图又可分为对称和非对称 5 阶段速度图。 运行非对称 5 阶段 速度是矿井提升机应用最为广泛和典型的运行方式。 它包括启动加速 段、匀速段、一次减速段、匀速爬行段和二次减制动段 5 个阶段,构 成了矿井提升机一次完整的运行周期[11]。 矿井提升机在启动加速阶段不外乎有 5 类主要运行速度曲线: 加 速度-时间曲线和加加速度-时间曲线两组曲线(见图 4—1) 。由图可 以看出从矿井提升机运行的安全、效率、乘坐舒适感、维护和使用寿 命等综合考虑,应选择图 4—1(d)所示曲线实现提升机理想 S 形速 度曲线运行。

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图 4—1 矿井提升机箕斗 5 类运行曲线 (2)矿井提升机速度给定方式 矿井提升机的实际速度运行曲线是由其控制部分的给定速度曲 线决定。所以,要实现按理想 S 形速度曲线运行,只需速度给定曲线 是理想 S 形速度曲线即可。在现代矿井提升机的控制系统中,S 形速 度的给定方式一般有两种。第一种是直接给定所需速度值,并经过控 制系统中传动装置的软件包中的斜坡函数发生器( Ramp Function Generator)平滑后生成(见图 4—2)

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图 4—2 斜坡函数发生器

该种方式由传动装置提供直接应用平台,并受其制约;第二种 S 形速度给定方式(即本文所研究的控制方式) ,是通过软件方式直接 生成所需的理想 S 形速度给定曲线,其由 PLC 控制实现,特点是可 根据用户需要进行编程,应用灵活。 4.2.2 提升机理想 S 形速度曲线数学模型 根据前述分析可知,将图 4—1(d)所示运行曲线应用于矿井提 升机非对称 5 阶段速度图, 就可得到所需的非对称 5 阶段理想 S 形速 度曲线(见图 4—3)

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图 4—3 非对称 5 阶段理想 S 形速度曲线 图中 v、a、ρ 分别为速度、加速度和加加速度; 4.2.3 理想速度曲线的实现 提升机每次运行的距离不尽相同, 这就要求系统能够根据不同距 离通过计算求取不同的速度曲线。这可以由软件编程实现。具体做法 是根据不同的运行距离自动将距离分成三段,即加速段、匀速段和减 速段。由前述可知加速段和减速段具有对称性,这可以简化程序。然 后按照上述 S 形速度曲线公式确定每段所需运行时间及各拐点时间, 求出各拐点速度,再按插值法求出速度曲线并存入 CPU 的 RAM 中。
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在系统运行的时候就可以用实测速度与给定速度曲线上对应的速度 进行比较求得的差值按一定的算法求出控制量去调节变频器的给定 频率从而改变电机转速,使之按给定速度曲线运行。 矿井提升机速度给定曲线的优劣对其性能的好坏有着重要影响, 应用上述理想 S 形速度给定曲线可极大地改善矿井提升机运行特性, 延长其使用寿命。在实际应用中,只要根据实际情况适当地调整最大 加速度、加加速度及它们之间的比值,就能快速、方便地得到一条优 良的 S 形速度给定曲线。另外,在程序实现上,尽管其数学模型相对 复杂,浮点计算量大,但随着 CPU 性能的突飞猛进,PLC 编程越来越 容易,且不会大幅增加其 CPU 循环周期。 (I)提升机给定速度 根据上述数学模型,按照《煤矿安全生产技术标准》要求,并结 合矿井实际情况,选取提升机运行速度参数如下:提升机额定运行速 度 v1=7.0m/s,爬行速度 v4=2m/s, a1=0.9 m/,ρ 1=0.9 m/ 则在启动加速段 oabc 内ω =1, t1=1.5707s,t2=7.347s, t3=8.9184s,v2 =6.1m/s,Soc=31.3855m。 在 defg 减 速 段 内 ω =1 , t2=1.5707s, t2=5.1255s, t3=6.6962s, v3=2.9007m/s, Sdg =16.7389m。 在减速停车段,由于无匀加速段,故 v5 = v4/2=1m/s,由式 v5 = 解 得到=1.57s,=1.40s ,求解得到:shi=2m。由此得到实际 S 形速度给定曲 线(见图 4—4) ,其可以通过 PLC 编程控制实现,图中加速和减速段的 时间均在变频器上设置。
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图 4—4 矿井提升机工作时序图 (1)第一阶段 0~t3:串车车厢在井底工作面装满煤后,发一个 联络信号给井口提升机操作工人,操作工人在回复一个信号到井底, 然后开机提升。重车从井底开始上行,重车起动后,开始持续加速达 到变频器的设定频率 f2,在此期间提升机的速度逐渐加快。 (2)第二阶段 t3~t′:匀速运行阶段。上升时,电动机保持电动 状态,重车提升机以额定运行速度稳定运行。下放时,由测速发电机反 映转子下放速度,当速度高于 v1 时,增大励磁电流,提高制动力矩,使箕 斗在斜坡上匀速运行。一般,这段过程最长。 (3)第三阶段 t′~t3′:重车快到井口时减速阶段,重车减速 到低速,进入爬行阶段。如减速时间设置较短时,变频器制动单元和 制动电阻起作用,不致因减速过快跳闸。 (4)第四阶段 t3′~:重车以变频器频率为 f1 速度低速爬行,便 于在规定的位置停车。 (5)第五阶段~:到达停车位置时,变频器立即停车,重车减速 到零,制动系统闸制动。操作工人发一个联络信号到井下,整个提升
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过程结束。在软件编程中,对匀加速段、匀减速段采用查表法,其它 各段速度匀按距离给出,计算公式如前。这样既能避免计算量过大, 又能避免占用的内存量过大。此外,为了改善调速系统的跟随性,在 PLC 中用软件实现了对调速系统的微分前馈控制。综合以上步骤就可 以完成 S 形给定速度曲线的实现。 (II)提升机给定力 根据动力学方程式:

式中: Te—电动机产生的转矩; T1—单轴传动系统的负载转矩; J—单轴传动系统的转动惯量; ω —单轴传动系统的角速度; —飞轮惯量(飞轮转矩) ;

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图 4—5 提升系统给定力图 图 4—5 中(a),(b),(c)为提升机的给定力图。其中(a)为静负载力矩 比较大的情况, (b)为静负载力矩比较小的情况, (c)为下放重物的情况。 显然,随着提升物料的重量不同,要求电动机的拖动力矩不同,且在 一个提升循环中,在不同阶段电动机的拖动力矩的极性也在变化,矿 井提升机要求电力拖动系统能满足四象限运行的条件。 4.3 调速控制系统软件流程 主程序流程图如图 4—6 所示,其中包括两个主要的功能模块: 中断子程序功能模块和故障处理子程序功能模块。 主程序完成系统初 始化、自检、故障诊断、调速系统控制等工作。

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图 4—6 PLC 工作流程图
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第 5 章 全文总结 本文所作的主要研究工作是针对当前大多数中、 小型矿井矿山提 升机调速电控系统采用交流绕线式电机串电阻调速当中存在的提升 机调速性能差、故障率高、能耗大等问题展开的。借助于现已成熟的 变频调速技术,并尝试将可编程控制器(PLC)强大的控制功能与变 频技术相结合,应用于矿山提升机电控系统中,以求能够改善矿山提 升机电控系统性能。在本文中主要探讨了 PLC 所要完成的保护控制 功能及其极为重要的提升机速度控制理论与实现。并借助于 MATLAB 强大的动态仿真平台 Simulink 对矢量控制的三相异步电动 机变频调速系统做了仿真。为变频调速控制的实现准备了理论的基 础。全文主要工作如下: 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。确定 基于 PLC 控制的大功率矿井提升机变频调速控制系统由动力装置、 液压站、变频器、操作台和控制监视系统组成。 变频调速单元采用森兰 SB61 系列 SB61G110KW 通用变频器。它与 PLC 通过模拟量输入接口相连,提升机 S 形速度给定曲线由 PLC 通 过软件编程产生通过变频器模拟量输入器对电机实现调速控制。 另外 变频器外接电路能够实现变频器故障报警及提升机能耗制动控制。 PLC 控制部分采用德国西门子 (Siemens) 公司生产的模块式 PLC S7-300。主要接受外部控制信号,改变相应电控系统的工作状态,实
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现提升机启动、等速运行、减速、爬行、停车等。PLC 还完成各种保 护监视功能。监控内容主要包括:超速监视、过载监视、松绳监视、 井筒过卷监视、变频器故障监视、矿车行程监视、深度指示器失效监 视等,以上监视内容出现故障时,通过报警回路报警或安全回路实现 抱闸停车保护。 调速系统将 PLC 与变频器相结合,大大减少了硬件器件和连接控制 线,极大提高了系统的稳定性,可靠性。 2、控制系统软件设计部分 提升机变频调速控制系统软件编程采用 STEP — 7 ,同时根据 STEP—7MICRO/WIN32 软件工具包的结构化程序设计特点,大量采 用代码重用的方法,大大减少了系统的开发和维护。在本文中对提升 机变频调速控制系统给出了程序控制流程图, 并给出了部分控制功能 的梯形图及控制程序。同时为了确保调速控制系统的安全,在软件部 分设置了故障处理子程序模块,对调速系统进行功能性检测。 3、提升机速度控制理论分析及抗干扰保护 矿井提升机在矿山生产中不仅承担着运送煤及其它物料的作用, 还经常被用来接送上下班的工人, 因此在保证提升机的安全性之外舒 适性也很重要。 本文对这种理想的 S 形速度曲线在提升机调速控制系 统中的应用进行分析论证, 确定采用 S 形速度控制方式能够进一步提 高提升机运行的安全性、舒适性。

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为了保证其安全生产,在系统设计上采用隔离、滤波、屏蔽、接 地等抗干扰措施。 安全回路采用软件安全回路和继电器硬件安全回路 双重冗余结构。 虽然经过以上的设计和研究本调速控制系统能用于矿山的实际 生产,但在功能上及控制的精度上和同类先进产品还有一定的差距, 还需要在后续工作中进一步完善。

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参考文献 【l】王朝晖.矿井提升机系统新技术及装备【M】 .煤炭工业出版社, 1999. 【2】马健编著.矿井提升机变频调速系统数学模型的建立及仿真研 究【M】 ,焦作工学院学报,l999.6. 【3】周祖德,邓坚.机电传动控制 【M】.华理工大学出版社,2011.2 【4】吴忠智 吴加林.《变频器原理及应用指南》 【M】.中国电力出版 社 【5】张选正,张金远.《变频器应用经验》 【M】 .中国电力出版社 【6】史国生.《电气控制与可编程控制器技术》 【M】.化学工业出版 社

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