PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在井下提升機(jī)中的研究

潘智康 陸 奎

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著我國采礦業(yè)的迅速發(fā)展，以及火力發(fā)電一直占領(lǐng)著我國電力生產(chǎn)的主導(dǎo)地位，煤炭產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和我們國家的發(fā)展密切相關(guān)。但隨著煤礦領(lǐng)域的不斷壯大，煤礦運(yùn)輸?shù)脑絹碓筋l繁，使得我們對(duì)井下提升機(jī)的要求越來越高。不僅能夠安全的運(yùn)輸，還需具有可靠性和穩(wěn)定性。本文側(cè)重于礦井提升機(jī)的PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的工作原理以及PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)的研究。

1 PWM變頻調(diào)速技術(shù)

在眾多交流調(diào)速技術(shù)中,發(fā)展較快應(yīng)用較廣泛并引起重視的交流調(diào)速技術(shù)就是PWM變頻調(diào)速。PWM變頻調(diào)速是脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的簡(jiǎn)稱。就是把電網(wǎng)三相交流電整流成直流電,再經(jīng)脈沖寬度調(diào)制成三相可變頻可變電壓的交流電,驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速。關(guān)鍵技術(shù)是控制逆變器開關(guān)元件(即晶閘管或稱可控硅)的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間(即調(diào)制脈沖寬度)來控制交流電的頻率和電壓。PWM變頻器具有效率高、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可成組傳動(dòng)等優(yōu)點(diǎn),得到較廣泛的應(yīng)用。

1.1 PWM變頻調(diào)速技術(shù)要點(diǎn)

主電路：

PWM變頻調(diào)速的主電路為輸入三相交流電源,電容器組,吸收過電壓并濾去高次諧波。6個(gè)可控硅整流管,組成橋式整流電路,將交流電整流為直流,經(jīng)電感L到逆變器。6個(gè)晶閘管,組成逆變器,在控制信號(hào)控制下按一定規(guī)律依次導(dǎo)通和關(guān)斷,又將直流逆變成頻率和電壓可調(diào)的三相交流,供電動(dòng)機(jī)使用。輸出端電容器組,使輸出到電動(dòng)機(jī)的一系列脈沖平滑連接成接近正弦波的交流電。以及交流異步電動(dòng)機(jī)。

1.2 PWM控制技術(shù)要點(diǎn)

正弦波脈沖寬度調(diào)制是由控制電路按一定規(guī)律控制逆變器開關(guān)元件(晶閘管)的導(dǎo)通和關(guān)斷,從而在逆變器輸出端獲得一組等幅而不等寬的矩形脈沖波形來近似等效于正弦電壓波，在每個(gè)半周中,脈沖的幅值相等但脈沖寬度不等,脈沖寬度是按正弦形式變化的,脈沖寬度必須與脈沖所對(duì)應(yīng)的正弦波下的面積成比例。PWM控制電路主要包括函數(shù)發(fā)生器、電壓/頻率變換器、環(huán)形分配器、脈沖放大器、逆變觸發(fā)器等。采用單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)PWM控制。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

一編碼器系統(tǒng)由S7-200PLC、安川G7系列3電平變頻器、編碼器、模型電梯以及外圍電路組成。由于選用12V編碼器，硬件采用三極管放大電路作為PLC的驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)。變頻器5端子公用5，6，9的3端子和PLC內(nèi)部的COM端相連以確保PLC與變頻器的公地。PWM信號(hào)端需要接一個(gè)最大額定電壓是DC50V以上、額定電流時(shí)50mA以上的晶體管來驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)的組成和功能

3.1 系統(tǒng)組成

變頻回路包括：刀開關(guān)、斷路器、變頻器、變頻器下端的接觸器、能量反饋單元。其中能量反饋單元組成一個(gè)柜?？刂苹芈罚褐饕芍鱌LC控制、輔PLC控制、觸摸屏、繼電器輔助控制、操作臺(tái)構(gòu)成。其中主PLC控制和輔PLC控制互為主備，繼電器輔助控制、主、輔 PLC控制安裝在同一個(gè)控制柜里，觸摸屏作為上位機(jī)安裝在操作臺(tái)上。編碼器作為位置和速度反饋信號(hào)，安裝在電機(jī)和卷筒上。其中安裝在電機(jī)上的測(cè)速編碼器信號(hào)反饋給變頻器，形成PG矢量控制。另一編碼器信號(hào)反饋給PLC作出速度和位置運(yùn)算。測(cè)速電機(jī)信號(hào)、油溫油壓信號(hào)及其它開關(guān)量信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)。

3.2 系統(tǒng)功能

3.2.1 行程控制功能

行程控制是由PLC系統(tǒng)完成，主要將提升機(jī)的升降過程劃分成不同提升速度要求的行程區(qū)間。根據(jù)每一行程區(qū)間的實(shí)際情況和不同速度要求變換變頻器的速度給定值,并形成閉環(huán)平滑地調(diào)節(jié)提升機(jī)的升降速度。行程控制不僅控制提升機(jī)整個(gè)升降行程過程的速度，而且控制提升機(jī)的停車和制動(dòng)過程。行程控制可以很好地防止提升機(jī)過卷、過放、脫軌和翻車等事故發(fā)生,特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

3.2.2 制動(dòng)控制功能

提升機(jī)的正常制動(dòng)有回饋制動(dòng)、抱閘制動(dòng)等方式。回饋制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是在交-直-交電壓型變頻器的直流環(huán)節(jié)引入逆變環(huán)節(jié)。當(dāng)提升機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度高于給定運(yùn)轉(zhuǎn)速度時(shí),電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)發(fā)電機(jī),直流環(huán)節(jié)電壓升高，給逆變器提供能量并回饋電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)自動(dòng)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)。以達(dá)到變頻器準(zhǔn)確停車的目的,很好地防止機(jī)械沖擊和快速下滑。抱閘制動(dòng)一般在停車時(shí)使用，當(dāng)運(yùn)行到停車位時(shí),行程控制器對(duì)變頻器發(fā)出停車信號(hào),同時(shí),對(duì)抱閘制動(dòng)器發(fā)出抱閘控制信號(hào),實(shí)施抱閘制動(dòng)。當(dāng)發(fā)生脫軌等事故時(shí),操作控制實(shí)行緊急抱閘制動(dòng)。本系統(tǒng)采用的回饋制動(dòng)方式，在制動(dòng)過程中，提升機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，并且將制動(dòng)能量回饋到網(wǎng)，有一定的節(jié)能效果。

3.2.3 變頻器功能

變頻器接收旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的速度反饋信號(hào)，形成 PG矢量控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。本系統(tǒng)配置安川G7系列3電平變頻器及安川能量回饋單元。安川G7系列變頻器具有以下特點(diǎn)：可配置起重設(shè)備專用控制軟件；3電平可抑制降低作用在電機(jī)上的沖擊電壓，可以直接應(yīng)用于各類異步鼠籠電動(dòng)機(jī)；精確的力矩控制；失速防止功能、故障復(fù)位再試功能；加裝應(yīng)用旋轉(zhuǎn)編碼器和 PG卡，安川G7可實(shí)現(xiàn)全頻域磁通電流矢量控制，在0Hz（靜止?fàn)顟B(tài)）使電機(jī)保持150%輸出轉(zhuǎn)矩。

3.2.4 操作臺(tái)的主要功能

操作臺(tái)裝有手動(dòng)操作的主令控制器，可手動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力和絞車運(yùn)行速度，并配有手動(dòng)和腳踏緊急制動(dòng)開關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)快速制動(dòng)。

3.2.5 液晶觸摸屏的功能

通過與可編程序控制器的通訊，直觀顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)（如顯示絞車運(yùn)行速度、提升容器位置、電動(dòng)機(jī)電流和電壓等），可顯示全部開關(guān)元件的狀態(tài)及各種故障、報(bào)警信息；可修改可編程序控制器改內(nèi)部參數(shù)設(shè)置（需有相應(yīng)權(quán)限）；具有密碼保護(hù)功能，可根據(jù)權(quán)限設(shè)置、修改操作員密碼，不同安全等級(jí)的操作員具有不同的操作權(quán)限。

4 結(jié)語

在井下利用提升機(jī)進(jìn)行煤礦運(yùn)輸過程中，我們對(duì)井下提升機(jī)的要求越來越高。不僅要求能夠安全的運(yùn)輸，還需具有可靠性和穩(wěn)定，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接影響到煤礦企業(yè)生產(chǎn)的效率和安全。所以對(duì)礦井提升機(jī)的PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的工作原理以及PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行研究尤為重要。此外，PWM變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在井下提升機(jī)中的研究，具有著良好的應(yīng)用前景，可被大多數(shù)煤礦企業(yè)所接受。

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