1、優(yōu)選資料第一章序言一、防爆絞車系統(tǒng)發(fā)展簡史：全國煤礦井下安裝有上萬部交流提升機(jī)（以下簡稱絞車），從控制系統(tǒng)分析，主要有以下幾種系統(tǒng)，而這幾種系統(tǒng)又代表了我國絞車電控系統(tǒng)的發(fā)展歷史。1 .沒有控制系統(tǒng)的絞車：隨著安全生產(chǎn)法及煤礦安全規(guī)程的頒布及施行，此類絞車在井下提升領(lǐng)域已經(jīng)很少了，主要是應(yīng)用在55KW以下的小卷筒小功率的調(diào)度絞車或臨時(shí)提升物料的絞車。2 .轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的絞車電控系統(tǒng)（俗稱“電絞”）：由于國家對(duì)安全生產(chǎn)的重視，根據(jù)煤礦安全規(guī)程的規(guī)定，在高瓦斯及高煤塵的工作環(huán)境，要求采用防爆的絞車電控系統(tǒng)。此時(shí)，大量的采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的電控系統(tǒng)被我國的煤礦廣泛應(yīng)用。這種防爆電控系統(tǒng)，在防爆電機(jī)

2、的轉(zhuǎn)子上串聯(lián)防爆電阻，通過逐級(jí)投入或切除電阻來達(dá)到調(diào)速目的。該系統(tǒng)的雙線制保護(hù)是通過增加測速發(fā)電機(jī)或自整角機(jī)測量速度，由此速度信號(hào)而形成的后備保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也有個(gè)別的是采用軸編碼器來進(jìn)行測速的。該系統(tǒng)在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下確實(shí)解決了對(duì)井下絞車電控系統(tǒng)的防爆需要。但其缺點(diǎn)也是尤其明顯的：失爆：由于在調(diào)速及制動(dòng)過程中，防爆電阻消耗大量的能量，導(dǎo)致防爆電阻箱過熱而使得防爆箱變紅、變形，不僅增加了系統(tǒng)的維護(hù)量，更為嚴(yán)重的是形成失爆，為煤礦井下帶來安全隱患。安全隱患大：由于在負(fù)力提升狀態(tài)下采用電阻消耗能量制動(dòng)，且傳動(dòng)系統(tǒng)任何保護(hù)，因此一旦制動(dòng)系統(tǒng)有問題，易形成“飛車”事故，給安全生產(chǎn)造成隱患。占用空間大：

3、在此系統(tǒng)中，大量防爆電阻的投入，而占用了大面積的井下碉室，增加了車房碉室開拓的費(fèi)用和難度。調(diào)速精度低：從技術(shù)上該系統(tǒng)都是通過投入和切除電阻來進(jìn)行調(diào)速的，故其調(diào)速系統(tǒng)只能是分級(jí)調(diào)速，而無法做到無級(jí)調(diào)速，且加減速度不易控制，這樣又為絞車提升過程中造成安全隱患，容易造成掉道等事故的發(fā)生。無法實(shí)現(xiàn)控制的雙線制。3 .防爆液壓絞車系統(tǒng)（俗稱“液絞”）：由于電絞存在著上述的種種缺點(diǎn)，八十年代初防爆液壓絞車系統(tǒng)出現(xiàn)了。液壓絞車系統(tǒng)采用一臺(tái)或兩臺(tái)油泵驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)，然后通過液壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)卷筒，實(shí)現(xiàn)提升，這樣可以通過控制液壓系統(tǒng)中液壓油的流量來控制提升機(jī)的速度。該系統(tǒng)的雙線制保護(hù)也是通

4、過增加測速發(fā)電機(jī)或自整角機(jī)測量速度，由此速度信號(hào)而形成的后備保護(hù)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，也有個(gè)別的是采用軸編碼器來進(jìn)行測速的。該系統(tǒng)不需要減速機(jī)直接驅(qū)動(dòng)卷筒，因此簡化了主機(jī)系統(tǒng)，故成本較低，又很好的解決了原來電絞的缺點(diǎn)。但在一段時(shí)間的應(yīng)用后，其缺點(diǎn)也就隨之暴露：傳動(dòng)效率低：通過上面論述可以知道，來自油泵電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力通過一系列的傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)卷筒，因此其傳動(dòng)效率是比較低的，一般能做到70%就非常不錯(cuò)了。故障率高：由于液壓馬達(dá)長期運(yùn)行，故其故障率非常高，因此維護(hù)費(fèi)用及維護(hù)時(shí)間給用戶造成損失。密封差：由于我國的密封件的材質(zhì)及加工水平較低，故液壓系統(tǒng)的密封性能較大，尤其是系統(tǒng)投入一年以后，漏油比較嚴(yán)重，因此液壓系統(tǒng)后期

5、維護(hù)量大，維護(hù)成本高，維護(hù)時(shí)間長，給用戶造成較大的損失。過載能力差：液絞系統(tǒng)的過載能力比較差，因此在設(shè)計(jì)上往往加大安全系數(shù)，增加用戶的投資。二、全數(shù)字防爆四象限變頻絞車電控系統(tǒng)（一般稱為“變頻絞車”）：為解決以上系統(tǒng)存在的這樣或那樣的缺點(diǎn)，在20*年唐山開誠電器有限責(zé)任公司獨(dú)立開發(fā)了全數(shù)字防爆四象限變頻絞車電控系統(tǒng)。在變頻絞車電控系統(tǒng)中，以防爆四象限變頻器為主要拖動(dòng)設(shè)備，通過雙PLC數(shù)字控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤安規(guī)程中規(guī)定的絞車雙線制保護(hù)及控制。具體優(yōu)點(diǎn)有：調(diào)速精度高，調(diào)速范圍廣：調(diào)速精度不低于0.5%,調(diào)速范圍為0.3額定轉(zhuǎn)速。雙線制保護(hù)：由于采用一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路相互冗余，使得系統(tǒng)

6、更加安全可靠。雙線制控制：正常提升時(shí)，采用雙PLC系統(tǒng)相互監(jiān)視，相互冗余。當(dāng)其中一個(gè)PLC系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)PLC系統(tǒng)仍可投入進(jìn)行應(yīng)急開車，最大程度的給用戶減少損失。操作簡便：司機(jī)操作簡單，系統(tǒng)安全性大大提高。節(jié)能效果明顯：系統(tǒng)將再生能量通過四象限變頻調(diào)速裝置回饋電網(wǎng)，采用AFE自換向技術(shù)保持回饋電流與電網(wǎng)電壓的反相位，真正實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)。第二章基礎(chǔ)及術(shù)語術(shù)語和基礎(chǔ)知識(shí)：1.異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：異步電動(dòng)機(jī)定子磁場的轉(zhuǎn)速被稱為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速J因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速達(dá)到電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)其轉(zhuǎn)子繞組將不再切割定子旋轉(zhuǎn)磁場，因此轉(zhuǎn)子繞組中不再產(chǎn)生感應(yīng)電流，也不再產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。因此異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速總是小于其

7、同步轉(zhuǎn)速。異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速由電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)（極對(duì)數(shù)）和電源頻率所決定。電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速60fns二P且轉(zhuǎn)差率ns-ns二ns因此，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ns (1 - s)=60 f (1 - s)Pn電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;ns同步轉(zhuǎn)速，r/min;電源頻率，Hz;電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù);轉(zhuǎn)差率。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)出廠之后，電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)一般就不能再改變了，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電源頻率即可達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。2.“交-直-交”變頻器：從某種意義上來說，變頻器就是一個(gè)3.交流電（工業(yè)電源）可以任意改變頻率的交流電源。“交-直-交”變頻器首先通過IGBT (Isolated Gate Bipolar Transi

8、stor 隔離門極雙極型晶體管）：是目前廣泛應(yīng)用于中小容量變頻器中的一種半導(dǎo)體開關(guān)器件。由于它集功率MOSFET和功率晶體管的優(yōu)點(diǎn)于身，具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快等特點(diǎn)。4.IPM（IntelligentPowerModule,智能功率模塊）：是一種將功率開關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路等集成在同一封裝內(nèi)的集成模塊。目前的IPM一般采用IGBT作為功率開關(guān)器件,通過光耦接收信號(hào)后對(duì)IGBT進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并同時(shí)具有過電流保護(hù)，過熱保護(hù)，以及驅(qū)動(dòng)電源電壓不足時(shí)的保護(hù)等保護(hù)功能。其功率損耗小，發(fā)熱低，為解決防爆變頻調(diào)速裝置的散熱問題提供了有利的條件。5 .PWM（PulseWidthModulation,

9、脈沖寬度調(diào)制）控制：是在逆變電路部分同時(shí)對(duì)輸出電壓（電流）的幅值和頻率進(jìn)行控制的控制方式。在這種控制方式中，以較高頻率對(duì)逆變電路的半導(dǎo)體開關(guān)元器件進(jìn)行開關(guān)，并通過改變輸出脈沖的寬度來達(dá)到控制電壓（電流）的目的。6 .正弦波PWM控制：指的是改變PWM輸出的脈沖寬度，使輸出電壓的平均值接近于正弦波。這種控制方式也被稱為SPWM控制。7 .矢量控制：其基本思想是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵(lì)磁電流）和與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）并分別加以控制。由于在這種控制方式中必須同時(shí)控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流的幅值和相位，即控制定子電流矢量，故這種控制方式被稱為矢量控制方式。矢量控

10、制方式使對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高性能的控制成為可能。采用矢量控制方式的交流調(diào)速系統(tǒng)不僅在調(diào)速范圍上可以與直流電動(dòng)機(jī)相匹敵，而且可以直接控制異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。8 .電機(jī)正反轉(zhuǎn)的變頻實(shí)現(xiàn)：利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動(dòng)系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，必須利用開關(guān)等裝置對(duì)電源進(jìn)行換相切換。利用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)，只需改變變頻器內(nèi)部逆變電路換流器件的開關(guān)順序即可以達(dá)到對(duì)輸出進(jìn)行換相的目的，很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換而不需要專門設(shè)置正反轉(zhuǎn)切換裝置。止匕外，對(duì)在電網(wǎng)電源下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)切換時(shí)，如果在電動(dòng)機(jī)尚未停止時(shí)進(jìn)行相序的切換，電動(dòng)機(jī)內(nèi)將會(huì)由于相序的改變而流過大于起動(dòng)電流的電流，有燒毀電動(dòng)機(jī)的

11、危險(xiǎn)，所以通常必須等電動(dòng)機(jī)安全停下來之后才能夠進(jìn)行換相操作。而在采用變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)中，由于可以通過改變變頻器的輸出頻率使電動(dòng)機(jī)按照斜坡函數(shù)的規(guī)律進(jìn)行減速，并在電動(dòng)機(jī)減速至低速范圍后再進(jìn)行相序切換，進(jìn)行相序切換時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流可以很小。對(duì)于利用普通的電網(wǎng)電源運(yùn)行的交流拖動(dòng)系統(tǒng)來說，由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流較大并存在著與起動(dòng)時(shí)間成正比的功率損耗，所以不能使電動(dòng)機(jī)進(jìn)行高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。而對(duì)于采用了變頻器的交流調(diào)速系統(tǒng)來說，由于電動(dòng)機(jī)的起停都是在低速區(qū)進(jìn)行而且加減速過程都比較平緩，電動(dòng)機(jī)的功耗和發(fā)熱較小，可以進(jìn)行較高頻度的起停運(yùn)轉(zhuǎn)。9 .負(fù)力運(yùn)行：絞車在重物下放以及重物上提的減速段，電機(jī)的給定的轉(zhuǎn)速均

12、小于實(shí)際轉(zhuǎn)速，故此時(shí)提升機(jī)均處于負(fù)力運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)需要在給定的轉(zhuǎn)速大于實(shí)際轉(zhuǎn)速時(shí)，即正力運(yùn)行時(shí)為電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)為耗能運(yùn)行；而當(dāng)電機(jī)在負(fù)力提升時(shí)為發(fā)電狀態(tài)，可視電機(jī)為發(fā)電機(jī)，因此需將再生能量進(jìn)一步處理。對(duì)于變頻器控制的電機(jī)而言，其在負(fù)力運(yùn)行時(shí)，變頻器的直流母線電壓將上升。10 .電氣制動(dòng)：由于在變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的調(diào)整控制是通過改變變頻器的輸出頻率進(jìn)行的，當(dāng)把變頻器的輸出頻率降至電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率以下時(shí)，負(fù)載的機(jī)械能將被轉(zhuǎn)換為電能，并被回饋到變頻器。而變頻器則可以利用自己的制動(dòng)回路將這部分能量以熱能消耗或回饋給供電電網(wǎng)，并形成電氣制動(dòng)。同機(jī)械制動(dòng)相比，電氣制動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體

13、積小，維護(hù)簡單，可靠性好等。但是也應(yīng)該注意到，由于在靜止?fàn)顟B(tài)下電氣制動(dòng)并不能使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生保持轉(zhuǎn)矩，所以在絞車系統(tǒng)中還必須采取相應(yīng)的措施，例如和機(jī)械盤形制動(dòng)器（盤形閘）同時(shí)使用。電氣制動(dòng)形式主要分為動(dòng)力制動(dòng)（直流制動(dòng)）、能耗制動(dòng)、回饋制動(dòng)，這三種制動(dòng)方式將在下文進(jìn)行論述。11 .動(dòng)力制動(dòng)（直流制動(dòng)）：它是利用制動(dòng)時(shí)，在電機(jī)定子上施加直流電勢(shì)，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而形成與轉(zhuǎn)子本身磁場相反的旋轉(zhuǎn)磁場，達(dá)到制動(dòng)的目的。一般適用于由高速旋轉(zhuǎn)降至低速旋轉(zhuǎn)，故制動(dòng)過程及減速度無法精確控制。12 .能耗制動(dòng)：制動(dòng)單元實(shí)時(shí)采樣直流母線電壓值，當(dāng)其值達(dá)到某一閾值時(shí)，制動(dòng)單元投入制動(dòng)電阻將再生能量消耗。13 .可控整流：普

14、通兩象限變頻器的三相全波整流單元為非可控的整流單元，故該單元無法實(shí)現(xiàn)再生能量的回饋，因此為實(shí)現(xiàn)再生能量的回饋將三相全波整流單元設(shè)計(jì)成可控整流，例如我們采用的仍然是IPM來作為整流單元。14 .AFE（ActiveFrontEnd,主動(dòng)前端）技術(shù)：采用AFE技術(shù)的變頻器，可以實(shí)時(shí)的控制電流的相位。當(dāng)電機(jī)為電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通過AFE技術(shù)的控制，電流的相位可以和電壓同相位，使功率因數(shù)接近于1;當(dāng)電機(jī)為發(fā)電狀態(tài)時(shí)，通過AFE技術(shù)的控制，電流的相位可以和電壓反相位，我們知道，發(fā)電機(jī)的電流和電壓是反相位的，而此時(shí)就可以將電機(jī)理解為發(fā)電機(jī)在運(yùn)行。15 .回饋制動(dòng)：回饋制動(dòng)有兩種方式，整流回饋和AFE回饋。整流回

15、饋：即采用普通三相全波整流+回饋單元+自耦變壓器的形式。自耦變壓器的目的是為了使回饋的電壓與電網(wǎng)電壓一致。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生再生能量時(shí)，直流母線電壓提升，回饋單元將能量通過自耦變壓器回饋電網(wǎng)。此時(shí)，回饋的波形最好的情況下只能是方波，這對(duì)電網(wǎng)來講，污染是非常嚴(yán)重的。AFE回饋：采用可控整流+AFE控制單元。當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生再生能量時(shí)，直流母線電壓提高到設(shè)定閾值時(shí)，整流側(cè)的DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）類似逆變側(cè)的DSP一樣自動(dòng)控制可控整流的IPM的工作，通過PWM斬波技術(shù)，形成回饋的正弦波。同時(shí)，通過AFE技術(shù)，自動(dòng)將回饋的電流相位保持與電網(wǎng)電壓相位的反相位，而真正達(dá)到向電網(wǎng)回饋正弦波的能量，且如發(fā)電機(jī)的狀態(tài)一樣的

16、運(yùn)行。另外，對(duì)于采用二極管整流電路（三相全波整流）和電壓形PWM逆變電器的變頻器來說，變頻器本身造成的高閃諧波將給電源電壓和電流帶來畸變，并影響接于同一電源的其它設(shè)備。但是，通過在變頻器中采用PWM整流電路，就可以基本解決這個(gè)問題。綜上所述，此種方式回饋的波形好，功率因數(shù)理論上可達(dá)到-1,對(duì)電網(wǎng)的污染也非常小，是最理想的回饋制動(dòng)方式。但由于變頻器中很大一部分成本在于IPM模塊和其控制電路因此采用可控整流和AFE回饋單元會(huì)使得變頻器的成本大幅提高，故采用PWM可控整流技術(shù)的變頻器相當(dāng)于兩臺(tái)未采用可控整流技術(shù)的變頻器，從理論上來講，成本提高接近一倍。故相對(duì)來講，其價(jià)格較高。16 .二級(jí)制動(dòng)：二級(jí)制

17、動(dòng)是指在安全制動(dòng)時(shí)，將機(jī)械閘的制動(dòng)力分兩次施加在閘盤上，目的是防止因緊急制動(dòng)而產(chǎn)生過大的減速度導(dǎo)致對(duì)人員或設(shè)備的傷害，一般通過控制閘的油壓來完成。17 .二級(jí)制動(dòng)解除：當(dāng)提升容器接近提升終端時(shí)，要求解除二級(jí)制動(dòng)，以防止由于不能一次制動(dòng)而導(dǎo)致對(duì)人員或設(shè)備的傷害。18 .速度圖：本系統(tǒng)自動(dòng)生成“位置一一速度”包括曲線，即速度圖，根據(jù)速度的變化在速度圖上分為加速段、勻速段、減速段、爬行段及停車段，速度圖見下圖勻速段位置一一速度包括曲線位置系統(tǒng)構(gòu)成:防爆四象限變頻絞車電控系統(tǒng)是采用四象限變頻調(diào)速裝置的拖動(dòng)系統(tǒng)和基于雙線制控制的采用雙PLC的控制系統(tǒng)及相關(guān)傳感器構(gòu)成：1 .傳動(dòng)系統(tǒng)：a）防爆四象限變頻調(diào)

18、速裝置：ZJT-30隔爆兼本安智能變頻調(diào)速裝置是我公司引進(jìn)國外先進(jìn)的變頻調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的適用于煤礦井下防爆絞車四象限工作要求的變頻調(diào)速裝置。它采用了交一直一交無速度傳感器矢量控制技術(shù)，具有調(diào)速范圍廣，調(diào)速性能好的特點(diǎn)。該裝置的主要功率器件選用了進(jìn)口產(chǎn)品，使該裝置具有功能豐富可靠、調(diào)節(jié)靈活方便、抗干擾能力強(qiáng)和使用壽命長的特點(diǎn)。當(dāng)提升絞車負(fù)力運(yùn)行時(shí)，變頻器能自動(dòng)向供電電網(wǎng)發(fā)電,使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電反饋制動(dòng)狀態(tài)工作，改善了下放操作時(shí)的調(diào)整性能，大大提高了下放操作時(shí)的安全性能，同時(shí)還為用戶節(jié)省了大量的電能。b）防爆輸入電抗器箱：防爆輸入電抗器箱主要功能是提高直流母線電壓；改變相位角，通過變頻器的AF

19、E技術(shù)使得輸入電流與網(wǎng)側(cè)電壓呈同相位，使功率因數(shù)接近于1;濾除高次諧波，減小對(duì)電網(wǎng)的污染。2 .控制系統(tǒng)：a）PLC防爆控制箱：主要由兩臺(tái)PLC、繼電器、控制板、開關(guān)電源等組成。主要功能為：構(gòu)成控制電路和保護(hù)電路；實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與故障信號(hào)的隔離與轉(zhuǎn)換；形成一條硬件安全電路和兩條軟件安全電路，三者相互冗余與聯(lián)鎖；完成工作閘、安全閘控制；構(gòu)成應(yīng)急操作回路；完成二級(jí)制動(dòng)控制。b）本安操作指示臺(tái)：操作臺(tái)主要包含顯示儀表、主令手柄、制動(dòng)手柄、轉(zhuǎn)換開關(guān)、按鈕、指示燈、數(shù)字深度指示器（含粗指示、精指示）,可對(duì)絞車的運(yùn)行狀態(tài)、故障信號(hào)、過程變量等進(jìn)行顯示和報(bào)警。對(duì)絞車進(jìn)行各種操作和控制c）本安軸計(jì)數(shù)器（軸編碼器）：分別采集兩個(gè)不同傳動(dòng)軸的運(yùn)行參數(shù)，分別由兩個(gè)PLC根據(jù)各自采集的軸的運(yùn)行參數(shù)計(jì)算兩個(gè)軸的運(yùn)行速度以及提升容器當(dāng)前的深度，以形成系統(tǒng)的各種保護(hù)。d）本安井筒開關(guān)：由于數(shù)字采樣畢竟要形成誤差，對(duì)于一個(gè)行程甚至一天的運(yùn)行而言，這個(gè)誤差都比較小，但是長時(shí)間的累積