畢業(yè)設(shè)計（論文）-PLC礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計.doc

武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 1 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與與繼繼續(xù)續(xù)教教育育學(xué)學(xué)院院 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 論文題目 PLC 礦井提升機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 校 武漢理工大學(xué) 層 次 專 科 專 業(yè) 礦山機電 姓 名 聶國強 指導(dǎo)老師 侯勇 完成設(shè)計時間 二 0 一三年四月 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 1 摘要 礦井提升機是礦山最重要的設(shè)備 是溝通礦井上下的紐帶 礦井提升機的可 靠運行直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的安全 礦井提升機電控系統(tǒng)的可靠性和準確性是礦 井提升和安全運輸?shù)闹匾ＷC 當(dāng)前國內(nèi)礦井提升機主要還是以轉(zhuǎn)子回路串電阻 分段控制的交流繞線式電機繼電器 接觸器為控制系統(tǒng) 但是該系統(tǒng)的設(shè)備陳 舊 技術(shù)落后 已不能滿足煤礦的生產(chǎn)及安全需要 為了提高提升系統(tǒng)的安全性 本文以安全 可靠 高效 經(jīng)濟為出發(fā)點 對礦井提升機電控系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子電路串 電阻調(diào)速部分進行改造研究 把可編程序控制器 PLC 和變頻器應(yīng)用于提升機控 制系統(tǒng)上 由可編程控制器 PLC 控制變頻器進行變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 采用 PLC控制系統(tǒng) 減少了硬件和控制線和傳統(tǒng)繼電器接觸式控制系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié) 極 大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 可靠性 在故障保護上采用軟硬件相結(jié)合 電氣拖動單 元采用矢量控制變頻調(diào)速方案 PLC控制礦井提升變頻調(diào)速系統(tǒng)是運用高科技的新 型電控系統(tǒng) 其克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷 而且對提升機控制過程實現(xiàn)了程序 化 數(shù)字化 自動化 其控制精度高 對速度 行程等重要參數(shù)及提升狀態(tài)進行 監(jiān)控 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 礦井提升機 PLC 控制技術(shù) 變頻器 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 3 Abstract The shaft hoist is the foremost equipment of mines mine is the communication link from top to bottom The reliable operation of the mine hoist directly related to the coal mine safety mine hoist control system reliability and accuracy is mine and the importance of ensuring the safe transport Currently China mainly for mine hoist series resistance of rotor circuit in the exchange of sub wound motor control relay contactor to control the system but the system obsolete equipment and backward technology can not meet the needs of coal production and safety In order to enhance the system to improve security this safe reliable efficient and economic as the starting point of the mine hoist control system part of the rotor circuit series resistance to reform of speed the programmable logic controller PLC and the inverter elevator control system used by the programmable logic controller PLC control inverter frequency control system By PLC system reducing hardware and control lines and traditional relay contact control system in the middle part greatly improving system stability and reliability Adopted in the fault protection software and hardware combination electric drag unit is Vector Control program Frequency Mine PLC control system is the use of high technology in the new electronic control system and its electronic control system to overcome the traditional shortcomings of the control process but also to enhance the machine to achieve a programmed digital automatic its high control precision on the speed itinerary and other important parameters to monitor and improve the state Key words mine hoist PLC electric control techonlogy frequency transformer 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 1 目錄 1 緒論 1 1 1 課題研究的意義及現(xiàn)狀 1 1 2 本文設(shè)計的內(nèi)容和思想 2 2 礦井提升機的控制系統(tǒng)分析 3 2 1 礦井提升機的簡介 3 2 2 異步電動機的工作原理 3 2 3 提升機對電控系統(tǒng)的要求 4 3 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 10 3 1 提升機調(diào)速控制方案選擇 10 3 2 異步電動機變頻調(diào)速原理 12 3 3 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 15 4 PLC 設(shè)計原理及選型 18 4 1 PLC 的簡介 18 4 1 1 PLC 的特點和設(shè)計原則 18 4 1 2 PLC 的組成和工作原理 19 4 2 PLC 在調(diào)速中的應(yīng)用 21 4 3 控制系統(tǒng) I O 點數(shù)確定 21 4 4 PLC 的選型 23 5 變頻器設(shè)計原理及選型 24 5 1 變頻器的構(gòu)成及原理 24 5 1 1 變頻器的構(gòu)成 24 5 1 2 變頻器的工作原理 25 5 1 3 變頻器選型 26 6 PLC 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 29 6 1 系統(tǒng)的特點 29 6 2 PLC 控制速度曲線優(yōu)化 29 6 2 1 S 形速度曲線的優(yōu)點 30 6 2 2 S 形速度曲線的實現(xiàn) 30 6 3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 34 6 3 1 PLC 控制電路設(shè)計 34 6 3 2 變頻器主電路設(shè)計 36 6 3 3 旋轉(zhuǎn)編碼器的安裝 37 6 3 4 A D 和 D A 模塊的選擇 38 6 3 5 PLC 接線圖和接線表 38 6 4 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 40 7 總結(jié)與展望 47 致謝 48 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 2 參考文獻 49 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 1 1 緒論 1 1 課題研究的意義及現(xiàn)狀 在我國的能源工業(yè)中 煤礦占我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的70 左右 預(yù)計煤礦在相當(dāng)長的時期內(nèi)仍將是我國的主要能源 為此 必須加強煤礦的安 全生產(chǎn) 確保煤炭工業(yè)持續(xù) 穩(wěn)定 健康發(fā)展 而提升機在煤礦中屬于咽喉部 位 廣泛應(yīng)用于煤炭礦山的豎井 斜井 試生產(chǎn)運輸?shù)闹饕ぞ?在煤炭生產(chǎn) 中提升機擔(dān)負著提升煤炭 矸石 下放材料 升降人員和設(shè)備的任務(wù) 是聯(lián)系 井上與井下的唯一途徑 提升機的電力傳動特性復(fù)雜 電動機頻繁正反轉(zhuǎn)向 經(jīng)常處于過負荷運轉(zhuǎn)和電動 制動不斷地轉(zhuǎn)換的狀態(tài)中 對提升機來說 運行 的安全性與可靠性是至關(guān)重要的 主井直接關(guān)系到礦山的生產(chǎn)效率 作為運送 人員的副井 一旦發(fā)生故障 往往造成機毀人亡 提升機運行的安全可靠性不 僅直接影響整個礦井的生產(chǎn)能力 影響整個礦山的經(jīng)濟效益 而且還涉及到井 下工作人員的生命安全 傳統(tǒng)礦井提升機調(diào)速性能較差 在啟停車 制動 邏輯控制等方面存在諸 多安全問題 它的電氣線路過于復(fù)雜化 系統(tǒng)中間繼電器 電氣接點 電氣聯(lián) 線多 造成提升機因電氣故障停車事故不斷發(fā)生 隨著計算機和PLC技術(shù)的不 斷發(fā)展 采用先進的控制技術(shù)改造傳統(tǒng)礦山行業(yè)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng) 從而使礦井 提升機的控制性能得到極大的改善 其自動化水平 安全 可靠性都達到了新 的高度 并采用現(xiàn)代化的管理和監(jiān)視手段保障提升機的安全運行 而采用 PLC 技術(shù)的新型電控系統(tǒng)都已較成功的應(yīng)用于礦井提升實踐 并取得了較好的運行 經(jīng)驗 克服了傳統(tǒng)電控系統(tǒng)的缺陷 代表著交流礦井提升機電控技術(shù)發(fā)展的趨 勢 因此 研制并制造既安全可靠又節(jié)省能源的提升機電控系統(tǒng)是煤礦安全生 產(chǎn)的一項重要課題 國內(nèi)各大煤礦的礦井提升機系統(tǒng)的調(diào)速方案大多采用繼電器 接觸器控 制的轉(zhuǎn)子串電阻的交流調(diào)速 該方案耗能大 占地面積大 已不能適應(yīng)現(xiàn)代礦 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 2 業(yè)發(fā)展的需要 因此有必要對其調(diào)速方案進行改造 本文的提升機電控系統(tǒng)控 制單元采用目前工控適用的可編程控制器來控制 具有編程簡單和控制可靠性 高的優(yōu)點 電力拖動系統(tǒng)中 選用先進的變頻傳動裝置 運用先進的矢量控制 技術(shù) 優(yōu)化了調(diào)速系統(tǒng)的性能 本文從解決實際礦井提升機電控系統(tǒng)存在的問 題出發(fā) 對傳統(tǒng)的調(diào)速方案進行了控制方式的革新和數(shù)字化改造 降低了成本 提高了控制精度 加強了系統(tǒng)穩(wěn)定性 1 2 本文設(shè)計的內(nèi)容和思想 本文的設(shè)計主要是針對當(dāng)前礦井提升機電控系統(tǒng)的提升故障多 安全系數(shù) 低等原因 而對其進行改造設(shè)計 以安全 經(jīng)濟 高效等為出發(fā)點 將轉(zhuǎn)子回 路串電阻繞線式調(diào)速方式進行基于 PLC 控制變頻器的變頻調(diào)速系統(tǒng)改造設(shè)計 本文的設(shè)計思想是引用國內(nèi)外高科技來設(shè)計礦井提升機電控系統(tǒng) 以達到現(xiàn)代 煤礦以安全可靠性 高效率生產(chǎn)等為原則的新型控制系統(tǒng)的要求 本文不僅有理論的探討 而且包括原理分析 硬件設(shè)計 硬件選擇 軟件 設(shè)計 軟件編程等步驟 設(shè)計中采用先進的 PLC 控制變頻調(diào)速系統(tǒng)來提高提升 系統(tǒng)的安全可靠性 利用 S 行曲線速度給定來實現(xiàn)提升機速度的平滑變化 并 提高其舒適性 本文第一章為緒論 整體描述礦井提升系統(tǒng)的設(shè)計目的 國內(nèi)外現(xiàn)狀等 第二章對礦井提升機的控制系統(tǒng)進行總體分析 第三章對系統(tǒng)總體方案的選擇 和總體設(shè)計 第四章和第五章分別介紹系統(tǒng)硬件 PLC 和變頻器的選型及其原理 第六章具體分析 PLC 控制變頻調(diào)速系統(tǒng) 包括原理 功能 程序流程圖等控制 系統(tǒng)各部分內(nèi)容 2 礦井提升機的控制系統(tǒng)分析 2 1 礦井提升機的簡介 礦井提升機英文名稱為 mine hoist 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 按提升鋼絲繩的工作原理分纏繞式礦井提升機和摩擦式礦 井提升機 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 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 3 方式與一般絞車類似 單筒大多只有一根鋼絲繩 連接一個容器 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 纏繞式礦井提升機大多用于年產(chǎn)量在 120 萬噸以下 井深小于 400 米的礦井中 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 提升繩的兩端各連接一個容器 或一端連接容器 另一端連接平衡重 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(shè)在井筒頂 部塔架上 和落地摩擦式礦井提升機 機房直接設(shè)在地面上 兩種 按提升繩 的數(shù)量又分為單繩摩擦式礦井提升機和多繩摩擦式礦井提升機 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 2 2 異步電動機的工作原理 本文主要是對礦井提升機的調(diào)速系統(tǒng)進行設(shè)計 本文設(shè)計的是基于 PLC 控 制提升機變頻調(diào)速系統(tǒng) 而變頻器的控制對象即為三相異步電動機 所以很有 必要對異步電動機的工作原理進行介紹 感應(yīng)電機是利用電磁感應(yīng)原理 通過定子的三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場 并與 轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 以進行能量轉(zhuǎn)換 正常情況下 感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速總是略低或略高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 同步轉(zhuǎn)速 ns 因此 感應(yīng)電機又稱 異步電機 旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速 ns與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之差稱為轉(zhuǎn)差 轉(zhuǎn)差與同步轉(zhuǎn)速 ns的比值稱為轉(zhuǎn)差率 用 s 表示 即 s ns n ns 轉(zhuǎn)差n 率是表征感應(yīng)電機運行狀態(tài)和特性的一個基本變量 不難看出 當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 0 時 轉(zhuǎn)差率 s 1 當(dāng)轉(zhuǎn)子為同步轉(zhuǎn)速時 s 0 當(dāng)感應(yīng)電機的負載發(fā)生變化 時 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)差率將隨之變化 使轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的電動勢 電流和電磁轉(zhuǎn) 矩發(fā)生相應(yīng)的變化 以適應(yīng)負載的需要 當(dāng)向三相定子繞組中通入對稱的三相交流電時 就產(chǎn)生了一個以同步轉(zhuǎn)速 ns沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場 由于旋轉(zhuǎn)磁場以 ns轉(zhuǎn) 速旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時是靜止的 故轉(zhuǎn)子導(dǎo)體將切割定子旋轉(zhuǎn)磁場而產(chǎn)生感 應(yīng)電動勢 感應(yīng)電動勢的方向用右手定則判定 由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán) 短接 在感應(yīng)電動勢的作用下 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致 的感生電流 轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場中受到電磁力的作用 力的方向用左 手定則判定 電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋 轉(zhuǎn) 通過上述分析可以總結(jié)出電動機工作原理為 當(dāng)電動機的三相定子繞組 各相差 120 度電角度 通入三相對稱交流電后 將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場 該 旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組 從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流 轉(zhuǎn)子繞組是閉合通 路 載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力 從而在電機轉(zhuǎn)軸 上形成電磁轉(zhuǎn)矩 驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn) 并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 4 2 3 提升機對電控系統(tǒng)的要求 礦井提升機在礦井生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用 其是否安全運行直接關(guān)系 到生命安全和生產(chǎn)效率 因此 對提升機運行要進行嚴格的要求 1 具有良好的調(diào)速性能 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 如加速 減速 等速 爬行等 穩(wěn)定運行的要求以 下為提升機運行時的要求 2 有較好的啟動性能 提升機不同于其他機械 不可能待系統(tǒng)運轉(zhuǎn)后再 裝加物料 因此 必須能重載啟動 有較高的過負荷能力 3 特性曲線要硬 要保證負載變化時 提升速度基本上不受影響 防止 負載不同時速降過大影響系統(tǒng)正常工作 當(dāng)然 當(dāng)負載超過一定的限度時 還 要求系統(tǒng)能有效地自我保護 迅速安全制動停車 即所謂要具備挖土機機械特 性 4 工作方式轉(zhuǎn)換容易 要能夠方便地進行自動 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) 5 盡量采用新技術(shù)和節(jié)能設(shè)備 易于實現(xiàn)自動化控制和提高整個系統(tǒng)的 工作效率 6 要求具備各種必要的連鎖和安全保護環(huán)節(jié) 確保系統(tǒng)安全運行 7 要盡量節(jié)約投資和降低運轉(zhuǎn)費用 提升機控制系統(tǒng)方案的選用應(yīng)滿足生產(chǎn)工藝的要求度圖和力圖 所以需要 先來分析提升機電控系統(tǒng)的靜 動態(tài)特性 提升機的電氣傳動系統(tǒng)的給定速度v f t 如圖2一1所示 根據(jù)動力學(xué)方程 式 2 1 375 n del T TTT 式中 電動機電動力矩 傳動系統(tǒng)的飛輪力矩 其中J為 e T l TgJTn4 轉(zhuǎn)動慣量 g為重力加速度 傳動系統(tǒng)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩 2 kmg 2 sm d T 加速度 m N 可以得出按給定速度圖所需轉(zhuǎn)矩的特性 從而可以得到拖動系統(tǒng) tfTe 所需的力 如圖2一1所示 t fF 提升機的負載靜力 決定于提升機輥筒承受的靜張力差 在平衡提升 L F 系統(tǒng)中 力也就是提升物體的凈載重 由于提升系統(tǒng)的負載為位勢負載 L F 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 5 所以靜力的作用方向始終是提升重物的重力方向 而與系統(tǒng)的運動狀態(tài)和 L F 方向無關(guān) 因此在電動機不帶電時 為了使重的罐籠處于靜止?fàn)顟B(tài) 便于罐籠 的裝卸載 對輥筒必須施加機械閘 從圖2 1可以看出 要使提升機按照給定的速度圖運行 電動力矩有可能 為正 也可能為負 這意味著電動機不僅要工作在電動狀態(tài) 還應(yīng)能工作在制 動狀態(tài) 由于不同的負載 不同的提升機運行階段 電動機的運行狀態(tài)也各不 相同 圖2 2表示出了平衡提升系統(tǒng)的四種不同的運行狀態(tài) 圖2 1 提升機傳動系統(tǒng)給定速度圖 力圖 1 重物上提 靜載量較大 其給定速度圖與力圖如圖2 3dL FF 2 a 所示 在加速度 2 2 0 0 375 n 1d L t n F d dT F 其中為加速力矩與等速力矩之差 1d F 加速力矩為 0 2 3 11dL FFF t1t2t3t4 t5 t6 t7 t8 t9 t v 時間 速度 0t a 加速度 時間 0t L F 負載靜力 時間 0 t d F 1d F 3d F 電動提升力 時間 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 6 在等速段 等速力矩為 2 0 2 L FF 4 在減速段 但 所以減速段力矩為 0 3 d F Ld FF 3 2 5 0 33 dL FFF 其中為減速力矩與等速力矩之差 3d F 在爬行段 爬行力矩為 2 6 0 4 L FF 根據(jù)此力圖可知 電動機在各級段均工作在正向電動狀態(tài) 2 重物上提 靜載量較小 其給定速度圖和力圖如圖2一2 b 3dL FF 所示 在加速段 加速度力矩 2 7 0 1d1 FFF L 在等速段 等速度力矩 2 8 0 12 FF 在減速段 減速度力矩 但 所以0 3 d F Ld FF 3 2 9 0 33 dL FFF 在爬行段 爬行力矩 2 10 0 4 L FF 0 t v F d1 F L F 3d F 1 t 2 t 3 t a 重物上提 靜載量較大 3 dL FF 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 7 0 t v F 3 t 2 t 1 t L F 3d F b 重物上提 靜載量較小 3 dL FF 1 t L F 2 t 3 t t v F 0 c 重物下放 靜載量較小 1 dL FF t 0 v 1 t 1d F L F 2 t 3 t 3d F F d 重物下放 靜載量較大 1 dL FF 圖2 2 在不同負載下給定的速度圖和力圖 根據(jù)力圖可知 電動機在加速段和等速段 工作在正向電動狀態(tài) 在減速 段 工作在正向制動狀態(tài) 在爬行段 又工作在正向電動狀態(tài) 也就是說 在 整個提升過程中 電動機的運行狀態(tài)應(yīng)切換兩次 3 重物下放 靜載量較小 其給定速度圖與力圖如圖2一2 c 1dL FF 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 8 所示 在加速段 2 11 LL FFFF 1d1d 00 2 12 0 11 dL FFF 在等速段 2 13 0 12 FF 在減速段 2 14 0 33 dLd FFF0 3 d F 在爬行段 2 15 0 4 L FF 根據(jù)力圖可知 電動機在加速階段 工作在正向電動狀態(tài) 在等速 減速 和爬行階段 電動機均工作在正向制動狀態(tài) 4 重物下放 且靜載量較大 其給定的速度圖和力圖如圖2 2 d 1dL FF 所示 在加速階段為 2 16 LL FFFF 1d1d 00 2 17 0 11 dL FFF 在等速 減速和爬行段 F均為負 根據(jù)力圖可知 電動機在整個提升過 程中始終工作在正向制動狀態(tài) 要使提升機按給定速度圖運行 電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)負載的變化而自動 的工作在電動或制動狀態(tài) 也就是說要求電氣傳動系統(tǒng)能滿足四象限運行 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 9 3 提升機調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計 3 1 提升機調(diào)速控制方案選擇 目前 國內(nèi)各個礦井的電氣調(diào)速系統(tǒng)主要有以下幾種方案 轉(zhuǎn)子電路串電 阻的交流調(diào)速系統(tǒng) 直流發(fā)電機和直流電動機組成的 G M 直流調(diào)速系統(tǒng) 晶閘 管整流裝置供電的 V M 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)和交流電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng) 1 轉(zhuǎn)子電路串電阻調(diào)速系統(tǒng) 這種方案的電動機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時通過改變回路串聯(lián)的附加電阻來實現(xiàn)的 如 圖 3 1 所示 這是有級調(diào)速 調(diào)速時能耗很大 在加速階段和低速階段運行時 大部分能量以熱能形式消耗掉 屬于轉(zhuǎn)子功率消耗型調(diào)速方案 這種調(diào)速方案 是在低同步狀態(tài)下產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩 需要采用能耗制動方案 即動力制動 雖然 目前在我國各種礦山中 采用該方案來調(diào)速的居多 但該方案存在調(diào)速性能差 運行效率低 運行狀態(tài)的切換死區(qū)大和調(diào)速不平滑等缺陷 KM M KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KM8 1ad R 2ad R 5ad R 6ad R 7ad R 8ad R 4ad R 3ad R 圖 3 1 轉(zhuǎn)子電路串電阻的交流調(diào)速系統(tǒng) 2 G M 直流調(diào)速系統(tǒng) G M 直流調(diào)速系統(tǒng)是由直流發(fā)電機和直流電動機組成的 如圖 3 2 所示 直流電動機的勵磁電流是恒定的 是用改變直流發(fā)電機的輸出電壓來改變直流 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 10 電動機的轉(zhuǎn)速 直流發(fā)電機一般是由同步電動機帶動的 其輸出電壓是靠改變 直流發(fā)電機的勵磁電流的大小來實現(xiàn)的 直流發(fā)電機的勵磁電流時通過電機擴 大機的勵磁實現(xiàn)控制和調(diào)節(jié)的 此方案可實現(xiàn)無級調(diào)速 能滿足四象限平滑調(diào) 速的要求 而且調(diào)速精度較高 啟動時無功沖擊小 功率因數(shù)也較高 但是該 方案運行效率低 占地面積大 噪聲大 維修量大及耗費金屬量大等缺點 圖 3 2 G M 直流調(diào)速系統(tǒng) 3 V M 直流可逆調(diào)速系統(tǒng) V M 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可分為電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng) 圖 3 3a 和磁場 換向的可逆調(diào)速系統(tǒng) 圖 3 3b 在電樞換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中 勵磁電流的 大小和方向是恒定不變的 電動機轉(zhuǎn)矩的大小和方向是改變電樞變流器輸出電 流的大小和方向?qū)崿F(xiàn)的 其特點是轉(zhuǎn)矩的反向快 由于電樞電流的方向快 需設(shè)置正反向兩組電樞整流器 故造價較高 在磁場換向的可逆調(diào)速系統(tǒng)中 電樞電流的方向是不變的 轉(zhuǎn)矩極性的改變是通過改變勵磁電流的方向?qū)崿F(xiàn)的 這種方案的特點是轉(zhuǎn)矩的方向過程即勵磁電流的反向過程較長 為了縮短反向 時間需采取強勵磁措施 而礦井提升機對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)變的快速性要求不算太高 且 該方案的投資也較大 a b 圖 3 3 V M 直流可逆調(diào)速系統(tǒng) 4 交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) 交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能 運行效率高 傳動系統(tǒng)的 飛輪力矩小和維護工作量少等優(yōu)點 特別適用于大容量 低轉(zhuǎn)速的礦井提升機 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 11 由于礦井提升機要求四象限運行 且負載變化較大 故比較適合采用電源自然 換向的交 交直接變頻調(diào)速系統(tǒng) 變頻器主要原理圖如圖 3 4 所示 交 交變頻 器由三組可逆整流器組成 其三相移相信號為一組頻率與幅值可調(diào)的三相正弦 信號 則變頻器輸出相應(yīng)的頻率和幅值可變的三相交流電壓 給三相同步電動 機或異步電動機供電 實現(xiàn)變頻調(diào)速 調(diào)速的本質(zhì)是根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩的變化控制驅(qū)動電動機的轉(zhuǎn)矩 而交流電動機 的轉(zhuǎn)矩決定了定 轉(zhuǎn)子磁通勢矢量的大小與相對位置 一般可采用控制交流電 動機定子電壓幅值與頻率或定子電流幅值與頻率 電流控制型 的標(biāo)量控制系統(tǒng) 但其動態(tài)控制性能較差 為改善轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能 可采用對交流電動機的 定子電壓與電流實行磁通方向的矢量變換控制 圖 3 4 交流電動機交 交變頻調(diào)速系統(tǒng) 從上述各種調(diào)速方案的對比可以知道 轉(zhuǎn)子電路串電阻的交流調(diào)速方案 G M 直流調(diào)速方案和 V M 直流可逆調(diào)速系統(tǒng) 由于控制性能較差 效率較 低 維護工作量大和投資大等原因 不是今后的發(fā)展方向 所以此次設(shè)計不采 用這三種方案 從國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及結(jié)合各種方案的優(yōu)缺點 此次設(shè)計考慮 第四種方案 即交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng) 3 2 異步電動機變頻調(diào)速原理 交流異步電動機是應(yīng)用最廣泛的一種動力機械 異步電動機由于它結(jié)構(gòu)簡 單 制造容易 運行可靠 維護方便 而且效率高 重量輕 價格低而得到廣 泛的應(yīng)用 但異步電動機存在的缺點之一是調(diào)速性能差 交流異步電動機的變頻調(diào)速的原理 可從異步電動機的轉(zhuǎn)速方程得出 轉(zhuǎn) 速方程如下所示 n1 60f1 p 3 1 n 60f1 1 s p 3 2 式中 n 電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 r min f1 定子交流電源頻率 Hz s 轉(zhuǎn)差率 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 12 n1 旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速 r min p 電動機極對數(shù) 從式中可見 改變異步電動機的供電頻率f1 就可改變電動機的轉(zhuǎn)速n1 和n 達到調(diào)速目的 但 f1的升高或降低影響到異步電動機的其它參數(shù) 如定 子繞組中的輸入電壓U1 輸入電流I1和磁通 三相異步電動機每相電壓U1有以下關(guān)系式 U1 E1 4 44f1N1K1 3 3 式中 U1 定子相電壓 E1 定子相電動勢 N1 定子相繞組總匝數(shù) K1 基波繞組系數(shù) 每極氣隙磁通 三相異步電動機在設(shè)計時 都給定了額定電壓U1N 額定電流I1N及相應(yīng)的 額定頻率 f1N 磁通 的數(shù)值都定為接近磁路飽和的數(shù)值 從 3 1 和 3 2 中可見 降低f1 可使電動機減速 但在降低f1時 從 3 3 式可見 若保持U1不變 必須增大 但 增大是不可能的 因為它已接近飽和值 保持 不變 只有降低U1 保持 U1 f1 常數(shù) 3 4 這種降低電動機轉(zhuǎn)速n 是在f1 f1N情況下采用 不變 故稱為恒磁 通控制方式 它的調(diào)速機械特性如圖 3 1 所示 n n n 1 e m 01 02 f1e n n M M M o e emax f01 f f f f 01 02 1e 02 圖 3 1 恒磁通控制坐標(biāo)圖 從圖中可見 這種調(diào)速具有最大轉(zhuǎn)矩變化較小 近似認為恒轉(zhuǎn)矩的特征 進一步討論還可得出 在相同的負載轉(zhuǎn)矩下有近似相同的電流 該電流與頻率 無關(guān) 而且輸出轉(zhuǎn)矩也近似認為與頻率變化也無關(guān) 這種f1 f1N 近似不變的調(diào)速 當(dāng)頻率f1下降到比較小的數(shù)值時 電 動機定子阻抗不可忽略不計 U1 f1的數(shù)值要適當(dāng)提高 以補償電動機定子阻 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 13 抗下降引起的 數(shù)值下降 以維持 值近似不變 若f1升高 以使電動機增速 由 3 3 式可見 f1的升高 如果 不變 則電壓U1要升高 但是電動機有本身的額定電壓U1升高的最大值與U1N相等 U1 U1N 常數(shù) 3 5 U1不能升高 為維持U不變 必須降低 此時f1與 的關(guān)系 1 f1 3 6 這是升高電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法 它的調(diào)速機械特性如圖 3 2 所示 從圖可見 在f1 f1N情況下調(diào)速 隨著f1的升高 轉(zhuǎn)矩下降很多 故稱 為恒功率調(diào)速 第三種變頻調(diào)速控制方法是保持定子電流I1不變 f1改變 稱 為恒電流控制方式 也稱恒電流變頻調(diào)速 在f1同一數(shù)值下 不同的定子電流 I1 可得到不同的轉(zhuǎn)矩值 不同的f1數(shù)值相同的定子電流 I1值 可得到相同 的轉(zhuǎn)矩值 n M n n n n 12 11 1 e max f f f MM f f f 12 11 1e 12111e e 圖 3 2 恒壓調(diào)速坐標(biāo)圖 綜上所述變頻調(diào)速是 在額定頻率f1N以下 采用定子電壓補償?shù)?U1 f1 常數(shù)的恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速 在額定頻率f1N以上的 U1 常數(shù)的恒功率變頻調(diào)速 定 子電流I1不變的恒電流變頻調(diào)速 都可以用圖 3 3 表示 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 14 U1 m 橫轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速 U1e me 1U m o ff1e1 圖 3 3 變頻調(diào)速坐標(biāo)圖 3 3 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 基于PLC 控制的礦井提升機變頻調(diào)速 控制系統(tǒng)由動力裝置 PLC 變頻器 操作臺和控制監(jiān)視系統(tǒng)組成 控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 3 4 所示 各部分功 能如下 動力裝置 包括主電機 減速器 卷筒 制動器和底座 完成人 物 料 的運輸任務(wù) 主電機通過減速器向卷筒提供牽引所需的動力 PLC 其主令控制用來控制電動機的啟動 停止 提升機的上升 下降 變 頻器的啟動 復(fù)位 警報器 指示燈 安全回路的動作等過程 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 操作臺 操作臺設(shè)置兩個手柄 分別用于速度輔助給定及制動力給定 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(shè)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 控制監(jiān)視系統(tǒng) 是操作人員和控制系統(tǒng)及運輸系統(tǒng)之間的橋梁 它可以在 線監(jiān)測提升機運輸系統(tǒng)的各種工作參數(shù) 工作狀態(tài) 故障參數(shù)和故障狀態(tài) 控制系統(tǒng)工作原理 當(dāng)司機聽到開車信號時 按下啟動按鈕 PLC 控制將 380V 動力電源接入變頻器 再松開液壓制動閘并將主令控制器推到正向 或 反向 提升機開始運行 在提升過程中 控制提升機運行的主速度給定 S 形 速度曲線由 PLC 編程產(chǎn)生 經(jīng)過 A D 轉(zhuǎn)換 由模擬量輸出口輸出 以驅(qū)動變 頻器工作 對變頻器輸出頻率的調(diào)整控制 也可根據(jù)現(xiàn)場的工況需要 由操作 臺速度控制手柄以輔助給定的方式進行控制 旋轉(zhuǎn)編碼器可以檢測主電動機的 轉(zhuǎn)速 并將此信號傳送給可編程控制器 PLC 通過該信號可以累計計算提升機 的速度及行走距離 監(jiān)視器可以時時顯示提升機速度和位置 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 15 控制 監(jiān)視 系統(tǒng) PLC 變頻器 操作臺 旋轉(zhuǎn) 編碼器 M 減速器液壓站 卷筒 提升機 車廂 AC380V 圖 3 4 控制系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 16 4 PLC 設(shè)計原理及選型 4 1 PLC 的簡介 4 1 1 PLC 的特點和設(shè)計原則 可編程控制器是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng) 專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè) 計的 它采用一類可編程的存儲器 用于其內(nèi)部存儲程序 執(zhí)行邏輯運算 順 序控制 定時和計數(shù) 算術(shù)操作等面向用戶的指令 并通過數(shù)字式或者模擬式 輸入輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程 可編程控制器及其外部有關(guān)設(shè)備都 按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)連成一個整體 易于擴充其功能原則設(shè)計的 PLC的特 點如下 1 可靠性高 2 編程方便 易于使用 3 對環(huán)境要求低 4 與其他裝置配置聯(lián)結(jié)方便 5 采用模塊化結(jié)構(gòu) 使系統(tǒng)組合靈活方便 6 編程語言簡單 易學(xué) 便于掌握 7 系統(tǒng)設(shè)計周期短 8 對生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強 9 安裝簡單 調(diào)試方便 維護工作量小 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原則是 1 選用的PLC必須滿足被控制對象的要求 2 選用的PLC不僅要著眼于現(xiàn)在還要適當(dāng)?shù)目紤]將來發(fā)展的需要 3 在滿足上述兩個前提的情況下 力求使系統(tǒng)具有較好的性能和低廉的 價格 4 1 2 PLC 的組成和工作原理 基本組成 可編程控制器 PLC 的硬件由微處理器 存儲器 I O 接口電 路 電源 擴展接口 外設(shè)接口及編程器等組成 圖 4 1 為可編程控制器的硬 件簡化框圖 PLC可以分為輸入部分 邏輯部分和輸出部分組成 各部分的主要作用是 輸入部分 他收集并保存被控對象實際運行的數(shù)據(jù)和信息 邏輯部分 處理輸入部分所取得的信息 并按照被控對象實際的動作要求 做出反應(yīng) 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 17 輸出部分 提供正在被控制的許多裝置中 那幾個設(shè)備需要實時操作處理 PLC采用由大規(guī)模集成電路構(gòu)成的微機處理和存儲器來組成邏輯部分 PLC 的制造廠家對微機處理機進行了軟件硬件的開發(fā) 為用戶提供了許多適用于電 氣控制的邏輯部件 例如 繼電器邏輯 與 或 非運算 定時器 計數(shù)器 移位寄存器 觸發(fā)器和寄存器等 同時也提供了描述這些邏輯部件的符號和語 句 即編程語言 可編程控制器基本單元 M 電源 微處理器 CPU 輸 入 接 口 輸 出 接 口 存儲器 運算器 控制器 系統(tǒng)程序用戶程序 外 設(shè) 接 口 擴 展 接 口 擴 展 單 元 輸 入 設(shè) 備 輸 出 設(shè) 備 外 圍 設(shè) 備 圖 4 1 可編程控制器的硬件簡化框圖 工作原理 PLC的工作原理與計算機的工作原理基本上是一致的 可以簡 單地表述為在系統(tǒng)程序的管理下 通過運行應(yīng)用程序完成用戶任務(wù) 但個人計 算機與PLC的工作方式有所不同 計算機一般采用等待命令的工作方式 如常 見的鍵盤掃描方式或I O掃描方式 當(dāng)鍵盤有鍵按下或I O口有信號輸入時則中 斷轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序 而PLC在確定了工作方式 系統(tǒng)公告做任務(wù)管理 內(nèi)部處 理 通信操作等 及用戶程序執(zhí)行都是循環(huán)掃描方式完成的 PLC通過編程器編制控制程序 即將PLC內(nèi)部的各種邏輯部件按照控制工藝 進行組合以達到一定邏輯功能 PLC將輸入信息采入PLC內(nèi)部 之后執(zhí)行邏輯部 件組合后做達到的邏輯功能 最后輸出達到控制要求 這就是PLC基本控制原 理 PLC的工作是在系統(tǒng)軟件支持下以掃描方式實現(xiàn)的 完成整個掃描過程所 需要的時間為掃描周期 一般說來 可將整個掃描周期分為以下幾個部分 1 自監(jiān)視掃描 為保證設(shè)備運行的可靠性 可編程控制器都具有此功能 該功能是由時間監(jiān)視器完成的 當(dāng)掃描過程的時間超過時間監(jiān)視器的設(shè)定時間 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 18 則CPU停止運行 復(fù)位I O并報警 2 與編程器進行信息交換 為系統(tǒng)配備編程器且編程器同PLC再線連接時 在系統(tǒng)軟件支持的情況下 用戶可以使用編程器修改內(nèi)存程序 啟動或停止 CPU 讀CPU狀態(tài) 封鎖或開放I O等 3 與數(shù)字處理器進行信息交換 為系統(tǒng)配備有數(shù)字處理器時 數(shù)字處理 器與CPU間進行數(shù)據(jù)交換 4 與網(wǎng)絡(luò)進行通訊 用于PLC之間以及PLC同其他計算機之間進行信息交 流 5 輸入 輸出服務(wù)掃描 CPU在處理用戶程序時 在內(nèi)存中設(shè)置了兩個緩 存區(qū) 即輸入狀態(tài)緩存區(qū)和輸出狀態(tài)緩存區(qū) 在輸入服務(wù)的掃描過程中 CPU 將實際輸入點的狀態(tài)讀人輸入緩存區(qū) 在輸出服務(wù)掃描過程中 CPU把輸出狀 態(tài)緩存區(qū)的值傳送到實際輸出點 4 2 PLC 在調(diào)速中的應(yīng)用 PLC 具有通用性強 使用方便 適應(yīng)面廣 可靠性高 抗干擾能力強 編 程簡單等特點 結(jié)合利用無速度傳感器矢量控制技術(shù) 將提升機直流控制中的 雙閉環(huán) 速度環(huán) 電流環(huán) 調(diào)節(jié)控制通過一系列矢量交換后 用于交流三相電機 的控制 使交流三相異步電動機的調(diào)速性能與直流電機一樣好 使提升機調(diào)速 范圍寬 調(diào)速精度高 采用 APE 自動換向變頻技術(shù) 將變頻器網(wǎng)側(cè)的不可控整 流橋換成可控整流橋 對網(wǎng)側(cè)交流電流的大小和相位進行實時檢測并控制 當(dāng) 絞車進入發(fā)電狀態(tài)時能量從逆變器返回到直流母線 系統(tǒng)立即控制交流輸入電 流的相位與電源相位相反 能量回饋至電網(wǎng) 如圖 4 2 所示 PLC 控制信號檢測信號 傳感信號執(zhí)行信號 輸入輸出 輸入輸出 圖 4 2 PLC 控制系統(tǒng)框圖 4 3 控制系統(tǒng) I O 點數(shù)確定 在設(shè)計時需要統(tǒng)計 I O 的總量 包括開關(guān)量和模擬量 以確定選用 PLC 的 模塊數(shù)量以及型號 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 19 表 1 PLC 的輸入點統(tǒng)計 編號信號內(nèi)容點數(shù)備注 1 點動按鈕 1 試啟動 2 啟動按鈕 1 控制電機啟動 3 停止按鈕 1 控制電機停止 4 復(fù)位按鈕 1 復(fù)位作用 5 運行開關(guān) 2 控制電機正反轉(zhuǎn) 6 復(fù)位故障開關(guān) 3 故障后軟件復(fù)位 7 變 工頻切換開關(guān) 2 變 工頻切換 8 工作閘制動手柄 1 制動作用 9 制動泵啟動按鈕 1 啟動制動泵 10 潤滑泵啟動按鈕 1 啟動潤滑泵 11 制動油過壓開關(guān) 1 制動泵故障反饋輸入 12 潤滑油過壓開關(guān) 1 潤滑泵故障反饋輸入 13 主要指令開關(guān) 5 用于基本的常規(guī)輸入 14 旋轉(zhuǎn)編碼器 2 引自電動機反饋 15 主電失壓 1 引自變頻器主電源 16 變頻故障 1 引自變頻器輸出 據(jù)表 1 統(tǒng)計 共有 25 個開關(guān)量輸出信號 表 2 PLC 的輸出點統(tǒng)計 編號信號內(nèi)容點數(shù)備注 1 常規(guī)控制輸出端 6 正常工作時的信號輸出 2 故障報警指示 1 故障時切換到備用 PLC 3 安全制動指示 1 故障時切換到備用 PLC 4 制動泵繼電器 1 制動泵動作 5 潤滑泵繼電器 1 潤滑泵動作 6 變頻多速段 3 7 變頻正轉(zhuǎn)輸出中間繼電器 1 8 變頻反轉(zhuǎn)輸出中間繼電器 1 9 變頻給定量 4 24mA 10 制動手柄給定 0 10V 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 20 11 變頻預(yù)留 1 故障時切換到備用 PLC 據(jù)表 2 統(tǒng)計 共有 16 個開關(guān)量輸出信號 4 4 PLC 的選型 三菱公司的可編程控制器分 A 系列和 F F1 F2 系列以及 FX1 FX2 等 FX 系列 FX1 FX2 FX2C 是三菱公司近幾年推出的高性能小型系列可編程控制器 FX0 FX0S FX0N 和 FX2N 是微型系列的可編程控制器 根據(jù)這次系統(tǒng)所需的容 量 I O 點數(shù)等參數(shù) 本系統(tǒng)的 PLC 采用 FX2N 系列的 FX2N 系列每條基本指令執(zhí)行時間為 0 08 微秒 具有 27 條基本指令 2 條 步進指令和 128 種功能指令 有 3027 點輔助繼電器 1000 點狀態(tài)繼電器 256 點定時器 235 點計數(shù)器 8000 多點 16 位數(shù)據(jù)寄存器 128 點跳步指針和 15 點中斷指針 內(nèi)附 8K 步 RAM RUN 過程中可更改程序 最大可達 16K 包括 注釋 最大可擴展到 256 個 I O 點 FX2N 系列可編程控制器輸入繼電器采用八進制編碼 基本單元輸入繼電器 最大范圍為 X0 X77 共 64 點 擴展后系統(tǒng)可達 X0 X267 共 184 點 其輸出繼電 器也采用八進制編碼 基本單元輸出繼電器最大范圍為 Y0 Y77 共 64 點 擴展 后系統(tǒng)可達 Y0 Y267 共 184 點 FX2N系列既可以選擇在內(nèi)部安裝一塊FX2N 232 BD通信用功能擴展板 用 于與各種RS 232C設(shè)備通信 又可以內(nèi)部安裝一塊FX2N 422 BD的通信用功能擴 展板 用于與RS 422通信 還可以內(nèi)部安裝一塊FX2N 485 BD通信用功能擴展 板 用于與RS 485通信 安裝在內(nèi)部的模擬量設(shè)定功能擴展板FX2N 8AV BD 上面有8個電位器 PLC能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為8為二進制數(shù)字后存入存儲器 然 后用模擬量功能擴展板讀出指令VRRD讀出作為定時器或計數(shù)器的設(shè)定值 FX2N 系列擁有大量適用于特殊用途的選件 如用于模擬控制的FX2N 4AD和FX2N 4DA 用于定位控制的FX2N 1PG 用于高速計數(shù)的FX2N 1HC和用于數(shù)字通信的 FX2N 232IF FX2N系列不僅功能很多 而且面積 體積也都很小 總之 FX2N 是FX系列功能最強 速度最快的微型可編程控制器 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 21 5 變頻器設(shè)計原理及選型 5 1 變頻器的構(gòu)成及原理 5 1 1 變頻器的構(gòu)成 變頻器實際上就是一個逆變器 它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟?然后用電 子元件對直流電進行開關(guān) 變?yōu)榻涣麟?一般功率較大的變頻器用可控硅 并 設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置 使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào) 用來控制電機的轉(zhuǎn)數(shù) 使 轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào) 變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中 變頻調(diào)速技術(shù) 是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 交流變頻技 術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟 變頻器不僅調(diào)速平滑 范圍大 效率高 啟動 電流小 運行平穩(wěn) 而且節(jié)能效果明顯 因此 交流變頻調(diào)速已逐漸取代了過 去的傳統(tǒng)滑差調(diào)速 變極調(diào)速 直流調(diào)速等調(diào)速系統(tǒng) 越來越廣泛的應(yīng)用于冶 金 紡織 印染 煙機生產(chǎn)線及樓宇 供水等領(lǐng)域 一般分為整流電路 平波 電路 控制電路 逆變電路等幾大部分 1 整流電路 整流電路的功能是把交流電源轉(zhuǎn)換成直流電源 整流電路一般都是單獨的 一塊整流模塊 2 平波電路 平波電路在整流器 整流后的直流電壓中含有電源 6 倍頻率脈動電壓 此 外逆變器產(chǎn)生的脈動電流也使直流電壓變動 為了抑制電壓波動采用電感和電 容吸收脈動電壓 電流 一般通用變頻器電源的直流部分對主電路而言有余量 故省去電感而采用簡單電容濾波平波電路 3 控制電路 現(xiàn)在變頻調(diào)速器基本系用 16 位 32 位單片機或 DSP 為控制核心 從而實 現(xiàn)全數(shù)字化控制 變頻器是輸出電壓和頻率可調(diào)的調(diào)速裝置 提供控制信號的回路稱為主控 制電路 控制電路由以下電路構(gòu)成 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 運算電路的控制信號 送至 驅(qū)動電路 以及逆變器和電動機的 保護電路 變頻器采取的控制方式 即速度控制 轉(zhuǎn)拒控制 PID 或其它方式 4 逆變電路 逆變電路同整流電路相反 逆變電路是將直流電壓變換為所要頻率的交流 電壓 以所確定的時間使上橋 下橋的功率開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷 從而可以在 輸出端 U V W 三相上得到相位互差 120 電角度的三相交流電壓 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 22 5 1 2 變頻器的工作原理 變頻器是利用電力半導(dǎo)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 我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交 直 交方式 VVVF 變頻或矢 量控制變頻 先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源 然后再把直流 電源轉(zhuǎn)換成頻率 電壓均可控制的交流電源以供給電動機 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 整流部分為三相橋式不可 控整流器 逆變部分為 IGBT 三相橋式逆變器 且輸出為 PWM 波形 中間直流 環(huán)節(jié)為濾波 直流儲能和緩沖無功功率 變頻器的調(diào)速 基于調(diào)速方便 節(jié)能 運行可靠的優(yōu)點 變頻調(diào)速器已逐 漸替代傳統(tǒng)的變極調(diào)速 電磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速方式 在推出 PWM 磁通矢量控制 的變頻器數(shù)年后 1998 年末又出現(xiàn)采用 DTC 控制技術(shù)的變頻器 ABB 公司的 ACS600 系列是第一代采用 DTC 技術(shù)的變頻器 它能夠用開環(huán)方式對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 進行準確控制 而且動態(tài)和靜態(tài)指標(biāo)已優(yōu)于 PWM 閉環(huán)控制指標(biāo) 直接轉(zhuǎn)矩控制 以測量電機電流和直流電壓作為自適應(yīng)電機模型的輸入 該模型每隔 25 s 產(chǎn) 生一組精確的轉(zhuǎn)矩和磁通實際值 轉(zhuǎn)矩比較器和磁通比較器將轉(zhuǎn)矩和磁通的實 際值與轉(zhuǎn)矩和磁通的給定值進行比較 以確定最佳開關(guān)位置 由此可以看出它 是通過對轉(zhuǎn)矩和磁通的測量 即刻調(diào)整逆變電路的開關(guān)狀態(tài) 進而調(diào)整電機的 轉(zhuǎn)矩和磁通 以達到精確控制的目的 5 1 3 變頻器選型 提升機普遍選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器 如日本的安川 三 菱 富士 德國的西門子及丹麥的丹佛斯等 本次設(shè)計采用西門子 MM440變 頻器 西門子MM440變頻器的防護等級為IP20 無濾波器 三相380V輸入 0 37kw A型尺寸 輸入頻率為47Hz至63Hz MM440涵蓋了微機處理器 電力電子 現(xiàn)代控制理論和通訊等多種先進技 術(shù) 擁有控制交流電動機速度的變頻器系列產(chǎn)品 額定功率范圍從120w到 200kw恒定轉(zhuǎn)矩CT控制方式 或者可達250kw可變轉(zhuǎn)矩VT控制方式供用戶選用 變頻器的控制器采用微機處理控制 主電路采用現(xiàn)代先進技術(shù)水平的絕緣柵雙 極晶體管IGBT作為功率輸出器件 具有較高的運行可靠性和功能的多樣性 采 用脈沖寬度調(diào)制技術(shù) 控制IGBT的開關(guān)頻率 降低了電動機運行的噪聲 具有 較強的控制功能和完善的保護功能 可用于生產(chǎn)實際中的單機驅(qū)動系統(tǒng)和集成 的自動化系統(tǒng)中 MM440變頻器的控制電路由單片微機處理器 或DSP 主控制器 電源板 鍵盤與顯示板 控制電源板等構(gòu)成 為防止主電路對控制電路的干擾 主 控 電路之間采用光耦隔離 變壓器隔離等方法 1 主控制器 武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 論文 23 變頻器主控制器由硬件和軟