《基于plc控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用_毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于plc控制的变频调速系统在矿井提升机中的应用_毕业设计（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 9JWKffwvG#tYM*Jg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
2、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
3、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
4、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
5、/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
6、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
7、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
8、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:
9、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。
10、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; m 每相磁通量(Wb)。 由上式可见,m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m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m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
11、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（
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
