基于PLC的矿井提升机变频调速控制系统样本.doc

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY毕业设计（论文）题目：基于PLC矿井提高机变频调速系统设计学 生 姓 名 赵廷港学 号 15010230班 级 电气081502所属院（系） 电子信息工程学院指 导 教 师 双志宏 6月1日目录摘要III核心词IIIAbstractIVKeywordsIV第1章 绪论- 1 -1.1国内外矿井提高机发呈现状- 1 -1.1.1国内矿井提高机电气控制系统现状- 1 -1.1.2国外提高机电气控制系统现状- 2 -1.2课题研究目和意义- 3 -1.3本论文承担任务- 4 -1.4小结- 5 -第2章 矿井提高机调速控制系统分析- 6 -2.1引言- 6 -2.2提高机工作原理及机械构造- 6 -2.3提高机调速控制方式及调速性能分析- 7 -2.3.1提高机直流调速性能分析- 7 -2.3.2提高机交流调速性能分析- 8 -2.4提高机调速控制方案分析- 9 -2.4.1老式转子回路串电阻调速系统- 10 -2.4.2模糊控制调速系统- 10 -2.4.3直接转矩控制系统- 11 -2.4.4矢量控制变频调速系统- 12 -2.5小结- 14 -第3章 提高机调速控制系统硬件实现- 15 -3.1引言- 15 -3.2提高机电控系统总体构造- 15 -3.3提高机电控系统变频器选取- 17 -3.4变频控制某些设计- 17 -3.4.1变频调速主系统设计- 17 -3.4.2变频器外部电路设计- 20 -3.5 PLC控制某些设计- 24 -3.5.1基本控制功能- 24 -3.5.2位置检测电路- 28 -3.6硬件调速控制系统保护办法- 29 -3.6.1热继电器过载保护- 30 -3.6.2调速控制系统抗干扰解决- 31 -3.7小结- 33 -第4章 提高机调速控制系统软件实现- 34 -4.1引言- 34 -4.2矿井提高机中S型速度曲线建模及实现- 34 -4.2.1速度曲线选取及给定办法- 34 -4.2.2提高机抱负S形速度曲线数学模型- 35 -4.2.3抱负速度曲线实现- 39 -4.3调速控制系统软件流程- 42 -4.4小结- 44 -第5章 全文总结- 45 -5.1提高机电控系统主电路某些- 45 -5.2控制系统软件设计某些- 45 -5.3提高机速度控制理论分析及抗干扰保护- 46 -参照文献- 47 -道谢- 48 -基于PLC矿井提高机变频调速系统设计摘要传矿井提高机是煤矿安全生产核心设备之一，其作用是提高煤炭、矸石，升降人员和下放物料等，在整个煤矿生产中占有十分重要地位。矿井提高机安全、可靠、高效、精确地运营集中体当前其电气控制系统上，电控系统性能优劣直接影响全矿安全生产及矿工生命安全。老式矿井提高机控制系统重要采用继电器-接触器进行控制，此类提高机普通在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能挥霍大、效率低等缺陷。因而，对矿井提高机控制系统进行研究已经成为国内外有关行业专家学者一种研究课题。随着计算机和PLC技术不断发展，采用先进控制技术改造老式矿山行业老式控制系统，从而使矿井提高机控制性能得到极大改进，其自动化水平、安全性、可靠性都达到了新高度。当代化管理和监视手段保障了提高机安全运营。变频调速是近年来发展起来一门新兴自动控制技术，它运用变化被控对象电源频率，成功实现了交流电动机大范畴无级平滑调速。在运营过程中能随时依照电动机负载状况，使电机始终处在最佳运营状态，在整个调速范畴内均有很高效率，节能效果明显。采用变频器对异步电动机进行调速控制，由于使用以便、可靠性高并且经济效益明显，因此得到广泛应用。因而，应用变频器对矿井提高机控制系统进行改造，将成为历史必然趋势。本文针对提高机控制系统中存在上述问题，把PLC可编程序控制器和变频器应用于提高机控制系统上，并在可行性方面进行了较进一步研究。事实表白：采用该控制系统，使提高机工作更可靠，更以便，节能效果更明显。 核心词：矿用提高机；变频调速；PLC可编程控制器The Frequency Conversion Use on The Speed Adjustment of mine Hoist on The Basis of PLC ControlAbstractThe shaft hoist is the foremost equipment of mines，it is widely used to transport the materials，staff and equipment.The traditional shaft hoist control system is always controlled by the relay-contactor，and adopts the methods of connect series additional resistant in rotors winding loop to start and adjust speed. The system has many disadvanges such as bad reliability，complicated operation，high fault rate，large energy wasting and low efficiency. According to this kind of condition，we adopt PLC and Transducer to reform for original control system，so as to raise the safety，reliability，control precision and speed regulation performance of the whole electric controlled system. So,carrying on the research on the shaft hoist control system has realistic meanings，and it is a subject for research by relevant experts and scholars，both at home and abroad.To these questions existing in the shaft hoist contro1 system，the paper applied PLC(Programmable Logic Controller)and frequency converter to the system,and carried on deeper research in feasibility. The fact indicates，adopting control system，the shaft hoist works reliably，easy to use，energy-saving well，and have dynamical shown function.Keywords：mine hoist；Frequency conversion；PLC第1章 绪论1.1国内外矿井提高机发呈现状矿井提高机对安全性、可靠性和调速性能三个方面有较高规定，这使得提高机电气控制系统技术水平在一定限度上代表一种厂或国家传动控制技术水平，因而成熟技术纷纷被应用于提高机电气控制系统。下面就国内外矿井提高机电气控制系统状况作大概简介。1.1.1国内矿井提高机电气控制系统现状在煤矿生产中，矿井提高机起着非常重要作用，它是矿山生产核心设备。提高机电控装置技术性能，既直接影响矿山生产效率及安全，又代表着矿井提高机发展整体水平。当前，矿井提高国内机90%以上是采用单机容量在1000KW如下老式交流异步电机拖动，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)只占一某些。老式交流拖动系统明显缺陷是：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，并且运营不经济。由于异步电动机在低速运营时特性曲线软，在次同步状态下无法产生有效制动力矩，因而难于精确地控制提高机停车位置。当前多采用动力制动或低频拖动加制动方式来完毕减速、爬行和停车。当前在用动力制动及低频电源大多数为采用模仿技术控制晶闸管装置，仍存在调试困难、维护量大问题。老式交流电控系统可靠性差另一因素是安全保护、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，针对制约提高安全重要环节，陆续增设了深度批示器、自动减速、限速等安全监测及后备保护功能，初步实现了对提高容器定点位置监测及几项重要安全保护双线制，使提高安全状况有所改进。在实行提高机电气控制系统技术改造时，即要有超前一步意识紧盯国际先进水平，也要考虑国内国情，依托自己力量，加强与先进国家合伙，采用引进、消化吸取、合伙生产、联合改造等各种形式，实现符合中华人民共和国国情煤矿提高机电控系统当代化。1.1.2国外提高机电气控制系统现状国外从70年代开始，随着微机技术发展，微机控制技术己逐渐应用于矿井提高机中。当前，国外己达到相称成熟阶段，使整个拖动控制产生一次变革。其应用重要体当前如下几方面:（1）提高工艺过程微机控制在交流变频装置中，提高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，并具备诊断功能，这是采用模仿控制无法实现。（2）提高行程控制提高机控制从本质上说是一种位置控制，要保证提高容器在预定地点精确停车，规定精确度高，当前控制误差不大于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。将信号进行解决，可计算出容器精确位置而施以控制和保护。在箕斗提高时可实现无爬行提高，大大提高了提高能力。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似机械行程控制器。普通过程控制用微机作监视，行程控制也采用单独微机完毕，从而提高了系统可靠性。（3）提高过程监视由于近代提高机控制系统设计特别强调安全可靠性，因此提高过程监视与安全回路同样，是当代提高机控制重要环节。提高过程采用微机重要完毕如下参数监视：a、提高过程中各工况参数(如速度、电流)监视；b、各重要设备运营状态监视；c、各传感器(如井筒同步校正开关、停车开关)信号监视。使各种故障在浮现之前就得以解决，防止事故发生，并对各被监视参数进行存储、保存或打印输出。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高机在浮现机械、电气故障时控制提高机进入安全保护状态，此环节极为重要。为保证人员和设备安全，对不同故障普通采用不同解决办法。安全回路是保护最后环节之一，当前大多公司都采用两台PLC构成安全回路，使安全回路具备完善故障监视功能，无论是提高机还是安全回路自身浮现故障时都能精确地实行安全制动。（5）全数字化系统调速控制德国AEG公司Logidyn D(32位机)、西门子公司Siemadyn D(16位机)以及ABB公司DCR(16位机)系统都己应用于提高机上。全数字化系统具备硬件构造单一、参数稳定且调节以便、可以便地与上位机联网等长处。固然此类系统规定维护人员有更高技术水平和计算机知识。1.2课题研究目和意义矿井提高机是煤矿，有色金属矿生产过程中重要设备。提高机安全、可靠、有效高速运营，直接关系到公司生产状况和经济效益。矿井提高系统具备环节多、控制复杂、运营速度快、惯性质量大、运营特性复杂特点，且工作状况经常交替转换。虽然矿井提高系统自身有某些安全保护办法，但是由于现场使用环境条件恶劣，导致了各种机械零件和电气元件功能失效，以及操作者人为过错和对行程监测研究局限性，使得既有保护未能达到预期效果，致使提高系统事故至今仍未能消除。一旦提高机行程失去控制，没有按照给定速度曲线运营，就会发生提高机超速、过卷事故，导致楔形罐道、箕斗损坏，影响矿井正常生产，甚至导致重大人员伤亡，给煤矿生产带来极大经济损失。电气控制方式在很大限度上决定了提高机能否实现平稳、安全、可靠地起制动运营，避免了严重机械磨损和较大机械冲击，减少机械某些维修工作量，延长了提高机械使用寿命。随着对矿井提高系统自动化规定越来越高，改进系统性能、提高提高设备提高能力显至关重要。对矿井提高机电气传动系统规定是：有良好调速性能，调速精度高，四象限运营，能迅速进行正、反转运营，动态响应速度快，有精确制动和定位功能，可靠性规定高等。当前，国内地下矿山矿井提高机电气传动系统重要有：对于大型矿井提高机，重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，实现了控制系统高自动化运营。此系统具备效率高、制动精确、定位功能和运营可靠等长处，但造价昂贵，中小矿井难以承受。对于中、小型提高机，则多采用交流绕线式电动机转子切换电阻调速交流电气传动系统，即TKD电控系统。这种电气传动系统设备简朴，但属于有级调速，提高机在减速和爬行阶段速度控制性能较差，特别在负载变动时很难实现恒加减速控制，经常会导致过放或过卷事故。提高机频繁启动和制动工作过程会使转子串电阻调速产生相称严重能耗，此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。矿井提高机电气传动系统发展方向：将变频调速技术与PLC技术相结合。对于现采用TKD电控系统中小型矿井。随着变频调速技术发展，交始终一交电压型变频调速技术已开始在矿井提高机改造中应用。变频器调速控制可以实现提高机恒加速和恒减速控制，消除了转子串电阻导致能耗，具备十分明显节能效果。变频器调速控制电路简朴，克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏缺陷，减少了故障和事故发生。因而，变频器在提高机调速系统中应用品有十分辽阔前景。1.3本论文承担任务本课题拟解决核心问题是控制方略研究，提高机是矿山生产中核心设备，它属于大转动惯量机-电-液系统，提高机要按所规定速度图运营，否则在系统中容易产生大惯性力，减少机器寿命，甚至产生脱轨等恶性事故。控制方略研究就是要通过电液控实时地、精确地使提高机按给定速度图运营，使控制系统精度和稳定性满足提高机运营规定。本论文研究目的是将可编程控制器（PLC）与变频器相结合并应用于矿山实际生产中，对既有提高机电控系统进行改造设计，提高精度，在更安全范畴内保证矿山生产顺利进行。设计中充分考虑到保护系统恶劣使用环境，采用控制功能强大PLC来代替老式大型交流接触器，简化了控制线路，并应用各种现场抗干扰办法，涉及采用电抗器、空气开关、及RC防浪涌震荡电路等。特别在软件中采用提高机电控系统中断模块及故障解决模块，使超速报警更加科学合理。为了更直观显示提高机工作状态及故障来源，增长了提高机监视控制系统，通过显示屏对整个提高系统进行监控。本论文承担重要任务如下：1提高机电控系统主电路某些结合煤矿生产实际状况，分析提高机工作过程及工作特点。给出提高系统整体控制方案；拟定基于PLC控制大功率矿井提高机变频调速控制系统构成。拟定各某些所要完毕控制功能，并给出控制电路连接电路图，分析其功能实现。并采用某些提高系统安全运营和抗干扰能力办法。2控制系统软件设计某些可编程控制器PLC有强大可编程控制功能，它是编程软件STEP7来完毕。对于复杂矿山提高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，并给出其他基本控制功能梯形图及控制程序编程语言。提高机系统是一种对安全性规定极高控制单元，因此在软件设计某些应有对其系统故障诊断解决内容，在浮现故障时应能及时报警或停车。3提高机速度给定方式分析由于矿山生产过程中，提高机所承受载荷不同、提高方式及提高行程不同，提高机牵引力也就不同，应对其进行恰当调节，提高速度也应能及时进行控制；如不做相应解决和调节，系统将在较小范畴内产生极大合计误差，导致系统巨大波动，导致过载或松绳等，甚至导致矿车脱轨或过卷等重大事故，而导致巨大损失。因此要谋求一种控制办法来提高控制精度。在实际中经常采用转子串电阻调速因其为有级调速，调速不持续，且对电网冲击大。因此谋求一种抱负速度给定方式极为重要，以求可以提高电控系统控制性能，改进控制品质。4保护及抗干扰办法老式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。本文针对制约提高安全重要环节设立减速、超速报警及过载、松绳、过卷等安全保护办法，增长监视系统，对提高机运营状态及故障来源进行时时监视，使提高安全状况有所改进。为了保证其安全生产，在系统设计上应采用隔离、滤波、屏蔽、接地等抗干扰办法。安全回路应具备双重冗余功能。1.4小结本章详细简介了当前国内外提高机调速控制系统研究现状与应用状况，阐述了本课题研究目意义。在此基本上提出了本文所承担重要任务和研究重要内容为：提高机电控系统主电路设计某些、控制系统软件设计某些、提高机速度给定方式分析、保护及抗干扰办法。在完毕以上设计内容时，此调速控制系统才干成为一种有机整体，才干安全可靠工作，并达到预期控制效果。第2章 矿井提高机调速控制系统分析2.1引言当前，大多数中、小型矿井采用斜井绞车提高，老式斜井提高机普遍采用交流绕线式电机串电阻调速系统，电阻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，设备运营时间较长，交流接触器主触头易氧化，引起设备故障。此外，提高机在减速和爬行阶段速度控制性能较差，经常会导致停车位置不精确；提高机频繁起动调速和制动，在转子外电路所串电阻上产生相称大功耗，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；中高速运营震动大，安全性较差。鉴于此有必要对提高机控制方式及调速性能做进一步分析。2.2提高机工作原理及机械构造(1)提高机工作原理：煤车厢与火车运货车厢类似，只但是高度和体积小某些。在井口有一绞车提高机，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（单提高，多数煤矿都采用单提高），在电机驱动下将装满煤列车从斜井拖上来；卸载完毕后，再将空车在电机拖动下沿斜井放下去。当提高机需要停车时，从操作台发出停车指令，从而对卷筒进行抱闸制动。矿井提高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。加速阶段是提高机从静止状态起动加速到最高速度；等速阶段是提高机重要运营阶段，提高机以最高速度稳速运营；减速阶段是提高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) 矿井提高工作特点:箕斗在一定距离（井深）内，以较高速度往复运营，完毕上升与下降任务。鉴于在矿井提高机工作特点，为保证提高机可以达到高效、安全、可靠地持续工作，其必要具备良好机械性能，良好电气控制设备和完善保护装置。矿井提高机基本参数是：电机功率75kW，卷筒直径1200mm，减速器减速比24：1，最高运营速度2.5m/s，钢丝绳长度为400m。斜井提高机机械传动系统构造示意图如图21所示：图2.1 提高机卷筒机械传动系统构造示意图2.3提高机调速控制方式及调速性能分析矿井提高机电力拖动某些有两种调速控制方式：直流调速和交流调速。其各有优缺陷，下面分别论述。2.3.1提高机直流调速性能分析矿井提高机采用直流拖动调速系统重要有：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。普通，直流发电机由原动机拖动，以某一不可调转速旋转，通过调节发电机励磁电流fi方向和大小来变化发电机输出电压极性和大小。原动机普通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”（Ggenerator,发电机；Mmotor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、运营有噪声、维护不以便。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控制电压来移动触发脉冲相位，而变化晶闸管可控整流器控制角，从而变化可控整流器输出电压极性和大小，实现直流电动机M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优势。其设备简朴，调速更快。但此系统只容许电机在I、IV象限运营，不能满足提高机四象限运营规定；且低速运营时，产生较大谐波电流，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，能过变化晶体管VT导通及关断及通断比（即脉冲宽度调制，PWM）来变化输出电压极性和大小。与V-M系统相比，直流PWM调速系统性能更优越：a、低速运营平稳，电机损耗及发热小b、迅速响应性能好，动态抗干扰能力强。2.3.2提高机交流调速性能分析矿井提高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，变化供电频率f、电动机极对数p及转差率s均可达到变化转速目。从调速本质来看，不同调速方式无非是变化交流电动机同步转速或不变化同步转速两种。在生产机械上广泛使用调速办法中，不变化同步转速有：绕线式电动机转子串电阻调速、斩波调速、串级调速等。变化同步转速有：变极对数调速，变化定子电压、频率变频调速，无换向电动机调速等。一、变极对数调速办法这种调速办法是用变化定子绕组接线方式来变化笼型电动机定子极对数达到调速目，特点如下：1、具备较硬机械特性，稳定性良好；2、无转差损耗，效率高；3、接线简朴、控制以便、价格低；4、有级调速，级差较大，不能获得平滑调速；此调速办法可以与调压调速、电磁转差离合器配合使用，获得较高效率平滑调速特性。二、变频调速办法变频调速是变化电动机定子电源频率，从而变化其同步转速调速办法。变频调速系统重要设备是提供变频电源变频器，变频器可提成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，当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、应用范畴广，可用于笼型异步电动机；3、调速范畴大，特性硬，精度高；4、技术复杂，造价高，维护检修困难。三、变化转差率调速变化转差率办法重要有三种：定子调压调速、转子电路串电阻调速和串级调速。下面分别简介。a、定子调压调速办法当变化电动机定子电压时，可以得到一组不同机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机转矩与电压平方成正比，因而最大转矩下降诸多，其调速范畴较小，使普通笼型电动机难以应用。为了扩大调速范畴，调压调速应采用转子电阻值大笼型电动机，如专供调压调速用力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。调压调速重要装置是一种能提供电压变化电源，当前惯用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。调压调速特点：1、调压调速线路简朴，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、调压调速普通合用于100KW如下生产机械。b、转子电路串电阻调速办法绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机转差率加大，电动机在较低转速下运营。串入电阻越大，电动机转速越低。此办法设备简朴，控制以便，但转差功率以发热形式消耗在电阻上，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附加电势来变化电动机转差，达到调速目。大某些转差功率被串入附加电势所吸取，再运用装置，把吸取转差功率返回电网或转换为其他能量加以运用。依照转差功率吸取运用方式，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、装置容量与调速范畴成正比，投资小，合用于调速范畴在额定转速7090生产机械上；3、调速装置故障时可以切换至全速运营，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，直流调速电枢和励磁是分开，可以精准控制；且直流调速转矩速率特性好并能在大范畴内平滑地调速，因而在矿井提高系统中得到广泛应用。电刷是直流电动机一种重要部件，但在实际应用中，电刷磨损严重，且在负载工作条件下，浮现打火现象，甚至形成环火，极易导致电枢两极短路，危及整个系统安全。但交流电机不存在电刷损坏问题，因而也得到广泛应用，但交流调速性能离直流电机优越调速性能尚有差距。随着电子科技技术发展，运用当代控制理论，将直流调速原理应用于交流调速控制系统中，使交流调速在很大限度上得到发展。2.4提高机调速控制方案分析为了使提高机调速控制系统能获得良好控制性能，不同类型负载应依照详细规定选取不同控制方案，控制方式是决定提高机使用性能核心所在。当前在实际生产中得到应用诸多，其中有高精度尚有普通性能，种类五花八门，价格也高低相差悬殊。因此在选用调速控制系统时要按负载特性规定，并结合矿井生产规模，以达到经济、实用为准。惯用控制方式重要有：转子回路串电阻调速、模糊控制、直接转矩等。2.4.1老式转子回路串电阻调速系统转子回路串电阻调速主电路构造如图22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，以保证加速力矩平均值不变。如果规定提高机低速运营，则需在转子回路串较大电阻。为理解决减速段负力规定，普通采用动力制动方案，即将定子侧高压电源切除，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。这种拖动方案存在问题是：1）开环有级调速，加速度难以精确控制，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)运营效率低，在低速时大某些功率都消耗在电阻上；4)电机机械特性偏软，普通电阻上消耗功率约为电动机输出功率2030%。虽然这种调速方案技术性能差，且运营效率低，但控制方式简朴、初期设备投资小，许多中小矿井提高机仍采用这种调速方案。2.4.2模糊控制调速系统一、模糊控制基本思想模糊控制（Fuxxy Control）基本思想是把人类专家对特定被控对象或过程控制方略总结成一系列以“IF（条件）THEN（作用）”表达式形式表达控制规则，通过模糊推理解决得到控制作用集，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模糊语言集，如“正大”、“负大”、“高”、“低”、“正常”等。普通模糊算法涉及如下五个环节：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，得到精准控制量；二、提高机模糊控制系统原理图在对提高机转速控制中，采用二维输入变量虽然用误差和误差变化率。实现模糊控制原理框图如图23所示：图2.3 模糊系统控制原理框图PLC通过采样获取被控量精准值，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精准量模糊化变成模糊量E、Ec再通过模糊推理得到模糊控制量U，进行解模糊解决得到控制信号u，送入变频器从而对被控对象实行控制。与老式控制方式相比，模糊控制是一种非线性控制办法，工作范畴宽，合用范畴广，特别适合于非线性系统控制。但信息简朴模糊解决导致系统控制精度减少和动态品质变差，若要提高精度，则必然增长量化级数，从而导致规则搜索范畴扩大，减少决策速度，甚至不能实时控制。2.4.3直接转矩控制系统1985年，德国鲁尔大学DePenbrock专家初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”思想是以转矩为中心来进行磁链、转矩综合控制。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磁链和转矩，并依照与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩直接控制。直接转矩控制系统构造图如图24所示图2.4直接矩阵控制系统构造图直接转矩控制系统控制效果取决于转矩实际状况，因此它控制构造简朴、控制信号解决物理概念明确、系统转矩响应迅速且无超调，是一种具备高静、动态性能交流调速控制方式。但是当前直接转矩控制技术在理论上尚不成熟、不够完善，直接转矩控制系统固有缺陷，始终阻碍着DTC系统进一步发展。所面临重要问题是：低速性能不尽人意，转矩脉动比较严重。当前关于DTC系统无速度传感器技术研究尚不多见，还需要开展大量工作。在实际应用中尚有某些非智能控制方式在变频器控制中得以实现，例如自适应控制、最优控制、差频控制、环流控制、频率控制等。智能控制方式重要有神经网络控制、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一种需要高质量、高精度和高可靠性系统，特别用在矿井提高机这样规定安全系数高场合，更要保证其系统安全可靠运营。2.4.4矢量控制变频调速系统矢量控制基本思路是以产生相似旋转磁动势为准则，将异步电动机在静止三相坐标系上定子交流电流通过坐标变换等效成同步旋转坐标系上直流电流并分别加以控制，从而实现磁通和转矩解耦控制，以达到直流电机控制效果。图2.5异步电动机M、T两相绕组模型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是旋转磁场，依照直流电动机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坐标下两相绕组模型。该模型有两个垂直绕组：M绕组和T绕组，且以角速度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互相垂直，并且分别可调、可控，当mi保持恒定不变，控制ti即可很以便地控制电动机转矩。由异步电动机两相绕组模型可得出矢量变换控制思路是：把异步电动机三相绕组等效为在空间上互相垂直两个静止、绕组，三相绕组电流和两相、绕组电流有固有变换关系。再通过旋转坐标变换，将两相静止、绕组电流，等效变换为磁场方向与M轴、T轴方向一致同步旋转两相M、T绕组电流。这样，通过控制M轴，T轴两个方向电流大小来等效地控制三相电流Ai、Bi、Ci瞬时值，从而调节电机磁场与转矩以达到调速目。矢量控制，详细是将异步电动机定子电流矢量分解为产生磁场电流分量Mi（励磁电流）和产生转矩电流分量Ti（转矩电流）分别加以控制，同步控制两分量间幅值和相位，即控制定子电流矢量，因此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矢量控制和有速度传感器矢量控制。无速度传感器矢量控制如图26所示：图2.6无速度传感器矢量控制变频调速如果在生产规定不是十分高情形下，采用无速度传感器矢量控制变频调速是非常适当，其控制构造简朴，可靠性高。带速度传感器矢量控制如图27所示：图2.7异步电动机闭环控制变频调速带速度传感器矢量控制变频调速是一种比较抱负变频调速控制方式。重要长处涉及：（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营，调速范畴很辽阔，可达100:1或1000:1；(2)可以对转矩实行精准控制；(3)系统动态响应速度快；(4)电动机加速度特性好。2.5小结本章结合煤矿生产实际状况，分析提高机工作过程及工作特点；并给出提高机机械传动构造图，使提高机工作原理更加清晰。老式提高机电控系统是古老转子串电阻调速，存在诸多安全隐患，急需改进。改进后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，究竟哪种调速办法调速性能更好。针对这种种疑问，文中分别对提高机直流调速和交流调速调速性能进行分析，并就当前存在几种高精控制系统进行分析，并与当前技术已经成熟提高机变频调速控制系统做比较，这些工作对拟定提高机控制方案提供了很大协助。设计中同步考虑到串电阻调速系统控制器件多、电路复杂缺陷，因此将可编程控制器应用于控制系统。最后拟定提高系统整体控制方案为：基于PLC控制大功率矿井提高机变频调速控制系统。第3章 提高机调速控制系统硬件实现3.1引言通过度析比较，权衡各种控制方案优劣，结合提高机调速系统属于恒转矩负载特性，最后选取PLC与变频器相结合变频调速方案，其变频控制方式为：矢量变频调速控制。此方案可以较好解决老式交流绕线式电机串电阻调速系统缺陷，变频调速是通过变化定子供电频率来达到电机调速目，无论转速高低，其机械特性基本上与自然机械特性平行，可以满足提高机特殊工作环境规定且有着明显节电效果；采用PLC对提高系统进行保护和监控，使系统更加安全可靠。变频调速系统将是提高机电控系统发展方向。3.2提高机电控系统总体构造基于PLC控制大功率矿井提高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构成，系统框图如图31所示。各某些功能如下：动力装置：涉及主电机、减速器、卷筒、制动器和底座，完毕人、物、料运送任务。主电机通过减速器向卷筒提供牵引所需动力；液压站：为提高机提供制动力，停车时先通过液压站给卷筒施加机械制动力，再取消直流制动力；提高机起动时，先对电机施加直流制动，再松开机械抱闸，防止溜车，以保证系统安全可靠地工作。变频调速器：是动力装置能量供应单元，通过它可将输入工频电能转换成频率可调电能提供应交流电动机，以达到控制交流电动机转速目。操作台：操作台设立两个手柄，分别用于速度辅助给定及制动力给定。它是整个矿井提高机运送系统控制核心，通过它可以设定系统工作方式和控制方式，可以发布系统各种控制命令，以实现对提高机启动、加速、平稳运营、减速、停车以及紧急制动等各种控制功能。控制监视系统：是操作人员和控制系统及运送系统之间桥梁，它可以在线监测提高机运送系统各种工作参数、工作状态、故障参数和故障状态。变频调速控制系统工作原理：如图31，系统内部采用矢量控制思想，AC380V三相动力电源由隔爆接线腔R,S,T 3个接线柱接入隔爆主腔内，大功率变频（SB61G110KW）可以将工频三相交流电通过交直变换之后通过逆变器，运用设定参数进行逆变，使得输出为某一相应设定频率交流电，经变频后输出U,