PWM變頻調速控制系統在井下提升機中的研究

潘智康 陸 奎

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

隨著我國采礦業的迅速發展，以及火力發電一直占領著我國電力生產的主導地位，煤炭產業的發展和我們國家的發展密切相關。但隨著煤礦領域的不斷壯大，煤礦運輸的越來越頻繁，使得我們對井下提升機的要求越來越高。不僅能夠安全的運輸，還需具有可靠性和穩定性。本文側重于礦井提升機的PWM變頻調速控制系統的工作原理以及PWM變頻調速控制系統的應用特點的研究。

1 PWM變頻調速技術

在眾多交流調速技術中,發展較快應用較廣泛并引起重視的交流調速技術就是PWM變頻調速。PWM變頻調速是脈沖寬度調制技術的簡稱。就是把電網三相交流電整流成直流電,再經脈沖寬度調制成三相可變頻可變電壓的交流電,驅動交流電動機無級調速。關鍵技術是控制逆變器開關元件(即晶閘管或稱可控硅)的導通和關斷時間(即調制脈沖寬度)來控制交流電的頻率和電壓。PWM變頻器具有效率高、功率因數高、結構簡單、可成組傳動等優點,得到較廣泛的應用。

1.1 PWM變頻調速技術要點

主電路：

PWM變頻調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個可控硅整流管,組成橋式整流電路,將交流電整流為直流,經電感L到逆變器。6個晶閘管,組成逆變器,在控制信號控制下按一定規律依次導通和關斷,又將直流逆變成頻率和電壓可調的三相交流,供電動機使用。輸出端電容器組,使輸出到電動機的一系列脈沖平滑連接成接近正弦波的交流電。以及交流異步電動機。

1.2 PWM控制技術要點

正弦波脈沖寬度調制是由控制電路按一定規律控制逆變器開關元件(晶閘管)的導通和關斷,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應的正弦波下的面積成比例。PWM控制電路主要包括函數發生器、電壓/頻率變換器、環形分配器、脈沖放大器、逆變觸發器等。采用單片機即可實現PWM控制。

2 系統硬件結構

一編碼器系統由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的驅動輸入信號。變頻器5端子公用5，6，9的3端子和PLC內部的COM端相連以確保PLC與變頻器的公地。PWM信號端需要接一個最大額定電壓是DC50V以上、額定電流時50mA以上的晶體管來驅動。

3 系統的組成和功能

3.1 系統組成

變頻回路包括：刀開關、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柜。控制回路：主要由主PLC控制、輔PLC控制、觸摸屏、繼電器輔助控制、操作臺構成。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控制安裝在同一個控制柜里，觸摸屏作為上位機安裝在操作臺上。編碼器作為位置和速度反饋信號，安裝在電機和卷筒上。其中安裝在電機上的測速編碼器信號反饋給變頻器，形成PG矢量控制。另一編碼器信號反饋給PLC作出速度和位置運算。測速電機信號、油溫油壓信號及其它開關量信號進入PLC系統。

3.2 系統功能

3.2.1 行程控制功能

行程控制是由PLC系統完成，主要將提升機的升降過程劃分成不同提升速度要求的行程區間。根據每一行程區間的實際情況和不同速度要求變換變頻器的速度給定值,并形成閉環平滑地調節提升機的升降速度。行程控制不僅控制提升機整個升降行程過程的速度，而且控制提升機的停車和制動過程。行程控制可以很好地防止提升機過卷、過放、脫軌和翻車等事故發生,特別適合具有彎道和叉道的特殊斜井。

3.2.2 制動控制功能

提升機的正常制動有回饋制動、抱閘制動等方式。回饋制動的實現是在交-直-交電壓型變頻器的直流環節引入逆變環節。當提升機的實際運行速度高于給定運轉速度時,電動機相當于一臺發電機,直流環節電壓升高，給逆變器提供能量并回饋電網，電動機自動運行在制動狀態。以達到變頻器準確停車的目的,很好地防止機械沖擊和快速下滑。抱閘制動一般在停車時使用，當運行到停車位時,行程控制器對變頻器發出停車信號,同時,對抱閘制動器發出抱閘控制信號,實施抱閘制動。當發生脫軌等事故時,操作控制實行緊急抱閘制動。本系統采用的回饋制動方式，在制動過程中，提升機運行平穩，并且將制動能量回饋到網，有一定的節能效果。

3.2.3 變頻器功能

變頻器接收旋轉編碼器傳來的速度反饋信號，形成 PG矢量控制，實現電機的無級調速。本系統配置安川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：可配置起重設備專用控制軟件；3電平可抑制降低作用在電機上的沖擊電壓，可以直接應用于各類異步鼠籠電動機；精確的力矩控制；失速防止功能、故障復位再試功能；加裝應用旋轉編碼器和 PG卡，安川G7可實現全頻域磁通電流矢量控制，在0Hz（靜止狀態）使電機保持150%輸出轉矩。

3.2.4 操作臺的主要功能

操作臺裝有手動操作的主令控制器，可手動調整制動力和絞車運行速度，并配有手動和腳踏緊急制動開關，當發生緊急情況時快速制動。

3.2.5 液晶觸摸屏的功能

通過與可編程序控制器的通訊，直觀顯示系統運行狀態、故障狀態、運行參數（如顯示絞車運行速度、提升容器位置、電動機電流和電壓等），可顯示全部開關元件的狀態及各種故障、報警信息；可修改可編程序控制器改內部參數設置（需有相應權限）；具有密碼保護功能，可根據權限設置、修改操作員密碼，不同安全等級的操作員具有不同的操作權限。

4 結語

在井下利用提升機進行煤礦運輸過程中，我們對井下提升機的要求越來越高。不僅要求能夠安全的運輸，還需具有可靠性和穩定，其工作的可靠性和穩定性直接影響到煤礦企業生產的效率和安全。所以對礦井提升機的PWM變頻調速控制系統的工作原理以及PWM變頻調速控制系統的應用特點進行研究尤為重要。此外，PWM變頻調速控制系統在井下提升機中的研究，具有著良好的應用前景，可被大多數煤礦企業所接受。

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