机电一体化毕业设计论文说明书.docx

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机电一体化毕业设计论文说明书

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

姓名张熙

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:

张熙专业:

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：

，，

，，，

，，

摘要..…………………………………………………………….3

致谢................................................................40

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JKMD-3.5X4〈L〉E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

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.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，60～70%为动力电；而在总容量高达5.8亿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.

第一章十一矿新副井提升绞车电控系统概况

1.1十一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3.5米的落地式摩擦轮交流绞车，型号为JKMD－3.5×4（Ⅰ）E－（PDS），电机功率800KW，提升高度为724米，最大提升速度为6.46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20-30%，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.

1.2十一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关的理想速度给定电路、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.

1.3十一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

（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）低压电源：

三相四线制380V控制电源.

（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

2.1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-交变频系统原理图

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

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.

2.2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

式中

——定子绕组电源频率;

P—电机磁极对数.

异步电动机转差率

则异步电动机转速

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

:

变极p、变频

、

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，转差功率:

式中

—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，

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:

式中:

—同步转速（r/min）;

—定子频率（Hz）;

—磁极对数.

而异步电动机的转速为:

式中:

s---异步电动机的转差率

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:

式中

—定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值（V）;

—定子频率（Hz）;

—定子相绕组有效匝数;

Φm—每相磁通量（Wb）.

由上式可见,Φm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Φm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Φm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.

2.3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功率因数控制.

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.

2.4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.

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.

2.5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：

图11双三电平PWM变换器

2.6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，也可采用多方式切换来满足不同工况的需要.

2.7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，一般应用定子或气隙磁链定向进行转矩分量和励磁分量的解耦.

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M-T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.

2.8全控双馈调节系统结构

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