礦井提升機(jī)作為礦山生產(chǎn)的應(yīng)用的重要設(shè)備之一，其作用為提升煤炭、礦石，升降人員和設(shè)備等，在整個(gè)礦山生產(chǎn)中占有十分重要的地位。而目前在礦井提升機(jī)中，能夠在較大功率、轉(zhuǎn)矩型負(fù)載、要求調(diào)速范圍較大等場(chǎng)合應(yīng)用的交流驅(qū)動(dòng)調(diào)速方法，以繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻（金屬或液體電阻）調(diào)速為主。這種串電阻調(diào)速方式，利用控制器或磁力站對(duì)串入轉(zhuǎn)子回路中不同阻值的電阻進(jìn)行組合，達(dá)到調(diào)速目的。但缺陷明顯，主要反映效率非常低，它以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低。轉(zhuǎn)速越慢，效率越低，大部分功率被轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。那么怎樣更好解決此問(wèn)題呢？答案是采用價(jià)格便宜的交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，用變頻調(diào)速方案就能很好地解決這個(gè)問(wèn)題。變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，其機(jī)械特性基本上與自然機(jī)械特性平行，所消耗的轉(zhuǎn)差功率都基本不變，因此效率很高，有著明顯的節(jié)電效果，且調(diào)速的平穩(wěn)性大大提高。在節(jié)能、減少維修、提高產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量等方面都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。是未來(lái)電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向。
以下我們舉例說(shuō)明。礦井原來(lái)提升機(jī)采用YRKK-355繞線式電動(dòng)機(jī)串電阻式調(diào)速，能耗很大，為此改用變頻調(diào)速。電機(jī)換為220KW,YB80-355L的三相異步電機(jī)，變頻器選用LG生產(chǎn)的電機(jī)變頻器SV220iH-4，PLC選用西門子SIMATIC S7系列PLC s7-300，帶有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出接口，并配置相應(yīng)監(jiān)測(cè)和通訊插件的功能，且處理信號(hào)的容量大，處理速度快。且對(duì)原有的老式電控設(shè)備也進(jìn)行了改造，整個(gè)控制裝置通過(guò)屏蔽電纜線連至機(jī)控室，并在機(jī)控室設(shè)有電機(jī)的啟停按鈕，變頻柜上還有手動(dòng)與自動(dòng)切換按鈕，操作方便。
1 礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
基于PLC控制的大功率長(zhǎng)距離礦井提升機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)由主軸裝置、動(dòng)力站、變頻柜、控制臺(tái)和在線檢測(cè)監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。主軸裝置由主軸、筒殼、支輪、制動(dòng)輪、軸承座等部件組成，完成人、
物、料的運(yùn)輸任務(wù)。動(dòng)力站是由主電機(jī)、制動(dòng)器、減速器和底座等組成，主電機(jī)通過(guò)減速器向提升機(jī)提供牽引所需的動(dòng)力；失效安全型制動(dòng)器為提升機(jī)提供工件制動(dòng)力，以保證系統(tǒng)安全可靠地工作。變頻柜是動(dòng)力站的能量供給單元，通過(guò)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(dòng)機(jī)，以達(dá)到控制交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的?？刂婆_(tái)是整個(gè)礦井提升機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)它可以設(shè)定系統(tǒng)的工件方式和控制方式，可以發(fā)布系統(tǒng)的各種控制命令，可以接收變頻柜和動(dòng)力站的各種回饋信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)提升機(jī)啟動(dòng)、加速、平穩(wěn)運(yùn)行、減速、停車以及緊急制動(dòng)等各種控制功能。監(jiān)控計(jì)算機(jī)是操作人員和控制系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)之間的橋梁，它可以在線監(jiān)測(cè)提升機(jī)運(yùn)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)。
2 變頻器容量選擇
常規(guī)設(shè)計(jì)的交流電動(dòng)機(jī)，通常都是在額定頻率、額定電壓下工作的。此時(shí)，軸上輸出轉(zhuǎn)矩、輸出功率都可以達(dá)到額定值。在變頻調(diào)速的情況下，供電頻率是變化的，電機(jī)的實(shí)際輸出也會(huì)變化，由于變頻器有一定的通用性，因此在與不同拖動(dòng)場(chǎng)合的電機(jī)配合時(shí)，必須合理選擇容量。
在一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的情況下，變頻器的容量選擇要保證變頻器的額定電流大于該電動(dòng)機(jī)的額定電流，或者是變頻器所適配的電動(dòng)機(jī)功率大于當(dāng)前該電動(dòng)機(jī)的功率。
按連續(xù)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的變頻器容量的計(jì)算式計(jì)算：
式中 ――負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)的軸輸出功率；
――電動(dòng)機(jī)的效率（通常約0.85）；
――電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（大功率的可達(dá)0.82）；
――電動(dòng)機(jī)電壓（Ｖ）；
――電動(dòng)機(jī)電流（Ａ），工頻電源時(shí)的電流；
――電流波形的修正系數(shù)，對(duì)PWM方式，取 ；
――變頻器的額定容量（KWA）；
――變頻器的額定電流（Ａ）。
這三個(gè)式子是統(tǒng)一的，選擇變頻器容量時(shí)，應(yīng)同時(shí)滿足三個(gè)算式的關(guān)系，尤其變頻器電流是一個(gè)較關(guān)鍵的量。
考慮到電機(jī)性能上的差異及機(jī)械負(fù)載的波動(dòng)，變頻器容量取電動(dòng)機(jī)容量的１－２倍，另外，也可根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械所需的實(shí)際轉(zhuǎn)矩與穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，求其乘積，得到所需電動(dòng)機(jī)的軸上功率，據(jù)此確定變頻器容量。本系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)屬有載啟動(dòng)的輸送類機(jī)械，所需電動(dòng)機(jī)的軸上功率為220KW，按1.5倍容量就選擇330KW以上變頻器。
3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
基于PLC的變頻調(diào)速礦井提升機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。圖中，A、B、C分別為660V三相動(dòng)力電源。大功率變頻裝置可以將工頻三相交流電經(jīng)過(guò)交直變換之后經(jīng)過(guò)逆變器，利用設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行了逆變，使得輸出為某一相應(yīng)設(shè)定頻率的交流電。變頻器輸出頻率的變化，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速變化，二者之間的關(guān)系近似線性。這樣，就起到了調(diào)速的作用。
在電路系統(tǒng)中，為了保證正常運(yùn)行安全，必須將設(shè)備可靠的接地，因此，變頻器的接地端也應(yīng)可靠接地。主回路中，用于連接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的端子，用于防止提升機(jī)在垂直方向上運(yùn)行時(shí)，發(fā)生工件在帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，而產(chǎn)生很大的再生電動(dòng)勢(shì)，即泵升電壓過(guò)高，損壞變頻器的現(xiàn)象出現(xiàn)。加入外接制動(dòng)電阻或外接制動(dòng)單元可消耗部分能量，提高變頻器的工作能力。根據(jù)變頻調(diào)速原理，在變頻器的控制輸入回路中接入頻率設(shè)定電路，由PLC輸出的模擬量，即電壓或電流信號(hào)來(lái)控制變頻器的輸出頻率。此時(shí)的變頻器輸出頻率與設(shè)定電壓或電流輸入成正比。為了便于監(jiān)控變頻器的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常，取出變頻器的異常信號(hào)送到PLC的輸入模塊，以作為變頻器的事故報(bào)警信號(hào)。FU為主回路熔接觸器， CT是電流傳感器，將主回路中的電流轉(zhuǎn)換為控制系統(tǒng)可以接收的小電流信號(hào)。MOTOR是被控電動(dòng)機(jī)，通過(guò)它可以連續(xù)調(diào)節(jié)提升機(jī)的速度。軸編碼器可以檢測(cè)主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，并將此信號(hào)傳送給可編程控制器和變頻裝置，變頻器通過(guò)此信號(hào)可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，PLC通過(guò)該信號(hào)可以累計(jì)提升機(jī)的行走距離。操作人員通過(guò)控制臺(tái)向PLC發(fā)送控制提升機(jī)運(yùn)行的命令，同時(shí)控制臺(tái)可顯示提升機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為操作人員判斷提升機(jī)運(yùn)行提供依據(jù)。PLC接受來(lái)自控制臺(tái)的各種命令，然后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的功率電路，達(dá)到控制主電路的目的，同時(shí)將提升機(jī)的各種狀態(tài)送給控制臺(tái)。監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)通過(guò)與PLC的通信，將電動(dòng)機(jī)的所有運(yùn)行參數(shù)和故障參數(shù)都顯示出來(lái)，為操作人員提供分析故障、判斷故障和處理的依據(jù)。SB、DB、CB分別是控制系統(tǒng)中的信號(hào)線、數(shù)據(jù)線和通信線，它是信息傳遞的通道。
由于提升機(jī)是在礦井使用，還需設(shè)計(jì)防爆裝置，在加上防爆外殼后，變頻器產(chǎn)生的熱損耗不能排出會(huì)導(dǎo)致其溫升過(guò)高而影響正常運(yùn)行，變頻器的通風(fēng)系統(tǒng)我的設(shè)計(jì)為水冷系統(tǒng)，帶有雙循環(huán)熱交換器，內(nèi)循環(huán)的水將變頻器功率部件的熱傳導(dǎo)給空氣，空氣經(jīng)由外循環(huán)把熱量排出井外。
提升機(jī)緊急制動(dòng)系統(tǒng)為恒減速緊急制動(dòng)控制，它通過(guò)檢測(cè)制動(dòng)過(guò)程中的實(shí)際速度值，換算為減速度，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)對(duì)減速度的半閉環(huán)控制（即只能控制制動(dòng)過(guò)程中液壓壓力的下降，而不能使之上升）。其基本的控制原理為：設(shè)定一個(gè)“停止起始頻率”fBS，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到fBS時(shí)，變頻器將輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號(hào)”，使主控系統(tǒng)檢測(cè)到緊急制動(dòng)減速度達(dá)到預(yù)定值，保持此時(shí)的制動(dòng)壓力來(lái)達(dá)到恒減速度的目的。
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