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提升机的电机调速系统设计摘要矿井提升机是采矿工业中联系井下与地面的主要运输工具用于竖井和斜井提升煤炭、矿石、矸石以及升降人员、材料、工具和设备等主轴装置采用剖分式、整体式弹性结构卷筒,卷筒受力均匀、强度大、盘式制动器为油缸后置式,动作灵活,无油污制动盘,安全可靠;具有电气延时二级制动性能,并可在井口时自动解除;双筒提升机设有径向齿块式调绳离合器;传动部位可配置行星减速器或平行轴圆弧齿轮减速器电气具有必须的各种电器保护和连锁装置,根据要求提供动力制动提升机在提升和下降的过程中一直伴随着电动机的转速变化,其转速的变化主要依靠电机调速系统可以说电机调速系统在整个提升机系统中起着至关重要的作用目录第1章概述....................................4第二章提升机的交流调速2.1提升机交流调速的现状...................
52、2用单片机控制的交流调速的原理...........7第三章提升机交流调速系统的设计
3.1调速系统总体方案设计................
153.2提升机系统主回路的设计............
163.3元器件的选择.....................
163.4转差频率控制原理及调节器的设计.......
173.5系统软件的设计..................19第四章PWM控制信号的产生及变换器的设计......24五结束语..............................26参考文献............................27致谢............................28第一章概述矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械,是一种大型绞车用钢丝绳带动容器(罐笼或箕斗)在井筒中升降,完成输送物料和人员的任务矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来现代的矿井提升机提升量大、速度高,已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒(或摩擦轮)、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成,采用交流或直流电机驱动按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种,钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似单筒大多只有一根钢丝绳,连接一个容器双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳,连接两个容器,运转时一个容器上升,另一个容器下降缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上,利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升提升绳的两端各连接一个容器,或一端连接容器,另一端连接平衡重摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机(机房设在井筒顶部塔架上)和落地摩擦式矿井提升机(机房直接设在地面上)两种按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机后者的优点是可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮,从而机组尺寸小,便于制造;速度高、提升能力大、安全性好年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机提升机无论正转、反转,其工作过程是相同的,都有加速、稳定运行、减速、爬行、制动停车五个阶段每一个提升循环运行的时间,与系统的运行速度、加速度及井深有关各段加速度的大小根据工艺情况决定,运行的时间由操作工人根据现场的状况自定
(1)第一阶段t1车厢在井底工作面装满煤后,由井底信号工发一个提升联络信号给地面井口信号操作工人,井口信号工再向车房操作工发出开车信号,然后将提升机司机根据相应的信号开机提升重车启动后,加速运行,在加速时间内,设备如果没有问题,则再加速到正常运行速度
(2)第二阶段t2重车以最大速度稳定运行,一般这段时间最长
(3)第三阶段t3提升机司机根据提升容器的深度指示,到减速段时减速,如减速时间设置较短时,变频器制动单元和制动电阻起作用,不致因减速过快而跳闸
(4)第四阶段t4车减速到低速爬行,便于在规定的位置停车
(5)第五阶段t5到停车位置时,变频器立即停车,车减速到零,井口信号工向车房发一个停车联络信号,整个提升过程结束第二章提升机的交流调速
2.1提升机交流调速的现状随着电力电子技术,计算机技术的不断发展和电力电子器件的更新换代,变频调速技术得到了飞速的发展据资料显示,现在有90%以上的动力源来自电动机我国生产的电能60%用于电动机,电动机与人们的生活息息相关,密不可分,所以要对电动机的调速有足够的重视我们都知道,动力和运动是可以相互转化的,从这个意义上说电动机也是最常见的运动源,对运动控制的最有效方式是对运动源的控制因此,常常通过对电动机的控制来实现运动控制实际上国外已将电动机的控制改名为运动控制对电动机的控制可以分为简单控制和复杂控制两大类简单控制是指对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制这类控制可以通过继电器、可编程器件和开关元件来实现复杂控制是指对电动机的转速、转角、转距、电压、电流等物理量进行控制而且有时往往需要非常精确的控制以前,对电动机的简单控制的应用较多,但是,随着现代化步伐的前进,人民对自动化的需求也越来越高,使电动机的复杂控制逐渐成为主流,其应用领域极为广泛在军事和雷达天线、火炮瞄准、惯性导航、卫星姿态、飞船光电池对太阳的控制等工业方面的各种加工中心、专用加工设备、数控机床、工业机器人、塑料机械、绕线机、泵和压缩机、轧机主传动等设备的控制计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器、绘图仪、打印机、复印机等的控制;音像设备和家用电器中的录音机、数码相机、洗衣机、冰箱空调、电扇等的控制,我们统统称其为电动机的控制交流调速控制作为对电动机控制的一种手段作用相当明显,这里就不再多做介绍,就交流调速系统目前的发展水平而言,可概括的如下
(1)已从中容量等级发展到了大容量、特大容量等级并解决了交流调速的性能指标问题,填补了直流调速系统在特大容量调速的空白
(2)可以使交流调速系统具有高的可靠性和长期的连续运行能力,从而满足有些场合不停机检修的要求或对可靠性的特殊要求
(3)可以使交流调速系统实现高性能、高精度的转速控制除了控制部分可以得到和直流调速控制同样良好的性能外,异步电动机本身固有的优点,又使整个系统得到更好的动态性能采用数字锁相控制的异步电动机变频调速系统,调速精度可达到
0.002%
2、2用单片机控制的交流调速的原理
一、微处理器(单片机)取代模拟电路作为电动机的控制器,具有如下特点
(1)使电路更简单模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件,使电路更复杂,采用微处理器后,绝大多数控制逻辑可通过软件来实现
(2)可以实现较为复杂的控制微处理器具有更强的逻辑功能,运算速度快、精度高,有大容量的存储单元因此,有能力实现复杂的控制
(3)灵活性和适应性微处理器的控制方式是有软件来实现的,如果需要修改控制规律,一般不必改变系统的硬件电路,只须修改程序即可,在系统调试和升级时,可以不断尝试选择最优参数,非常方便4无零点漂移,控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题,无论被控量是大还是小,都可以保证足够的控制精度
(5)可以提供人机界面,多机连网工作用工业控制计算机可谓功能强大,它有极高的速度,很强的运算能力和接口功能,方便的软件功能,但是由于成本高,体积过大,所以只用于大型的控制系统,可编程控制器则恰好相反,它只能完成逻辑判断、定时、记数和简单的运算,由于功能太弱,所以它只能用于简单的电动机控制在民用生产中,通常用介于工控机和可编程控制器之间的单片机作为微处理器本次设计就是用单片机作为电动机的控制器在设计中用单片机作为电动机的核心控制元件来取代模拟电路,就可以将传统的调速方案中的一些缺点避免,达到提高控制精度的目的在本次设计中所用到的控制方式是用转差频率闭环控制转速开环恒压频比调速系统虽然结构简单,异步电动机在不同的频率下都能够获得较硬的机械特性曲线,但是不能保证必要的调速精度;而且在动态过程中由于不能保持所需要的转距,动态性能也很差,它只能用于对调速系统的动静态性能要求都不高的场合如果异步电动机能像直流电动机一样,用控制电枢电流的方法来控制转距,那么就能够得到和直流电动机一样的动静态性能转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转距控制问题的方法,采用这种控制方案的调速系统,可以获得与直流电动机恒磁通调速相似的性能转差频率控制的基本概念,原理由式可以得出异步电动机的机械特性方程式令式中,它是转差频率又由式即所以式中由于异步电动机机械特性曲线上有一最大值,当转差频率小于临界转差频率(对应于电磁转距最大的转差率)时,电动机运行在稳定工作区,电动机的电流比较小;当转差率大于临界转差率时,电动机进入不稳定工作区,电动机的电流增大,转距减小所以在调速过程中要使电动机的转差频率小于临界转差率也就是说,异步电动机稳定工作时的转差率很小,从而也很小,可以认为,,所以可近似写成此式表明,在转差频率很小的范围内,只要能够保持气隙磁通不变,异步电动机的转距就近似与转差频率成正比,这就是说,在异步电动机中控制,就能和直流电动机中控制电流一样,能够达到控制转距的目的控制转差频率就代表了控制转距,这就是转差频率控制的基本原理转差频率控制的基本规律上面只是近似找到了转距与转差频率的正比关系,可以用它表明转差频率控制的基本原理,但是这一正比关系必须有两个条件才能成立首先转差频率必须较小,即控制系统必须对限幅,使其满足;其中,对应于最大转距时的转差频率这就是转差频率控制的基本规律之一对限幅的功能由转速调节器来实现上述的第二个条件是气隙磁通必须保持恒定异步电动机可以控制的量是定子电流,而中包括励磁电流分量和负载电流分量,只有保持励磁电流分量恒定,才能使气隙磁通恒定,而和均难以直接测量,若能找到,和之间的函数关系当负载改变引起变化时,只要调节,使保持不变,问题就解决了图1转差频率控制的基本规律根据并联支路的分流公式取等式两侧向量的副值相等,得令常数,可以看出图1,它具有如下性质
(1),当=0时,,在理想空载时定子电流等于励磁电流;
(2),若值增大,定子电流也相应增大;
(3),当时,,这是曲线的渐近线;
(4),为正负值时,的对应值不变,左右对称上述关系表明只要对定子电流和的关系符合图1或符合的规律,就能保持气隙磁通恒定,这就是转差频率控制的基本规律之二,它有函数电流发生器来实现总结起来,转差频率控制的基本规律是
(1)在的范围内,转距基本上与成正比,条件是气隙磁通恒定
(2)定子电流和的关系符合图1或式子的规律,就能够保证气隙磁通恒定转差频率控制的变频调速系统实现上述转差频率控制的转速闭环变频调速结构原理图如图2所示,可以看出该系统具有以下特点(a)采用电流源变频器,使控制对象具有较好的动态响应,而且便于回馈制动,这是提高系统动态性能的基础(b)和直流电动机双闭环调速系统一样,外环是转速环,内环是电流环,转速调节器的输出是转差频率给定值,代表转距给定(c)转差频率的控制作用分两路,分别作用在可控整流器和逆变器上前者通过函数发生器,按的大小产生相应的信号,再通过电流调节器控制定子电流,以保持恒定,另一路按产生对于于定子频率的控制电压,决定逆变器的输出频率(d)转速给定信号,,都反向,相序鉴别器判断的极性以决定环形分配器的输出相序,而信号本身则经过绝对值变换器决定输出频率的大小,这样就很方便的实现了异步电动机的可逆运行
二、调速系统的工作原理
(1)起动过程起动过程如图2所示首先说明起动过程是一个恒定子电流,恒转差角频率起动的过程,转速给定信号由电位器设定,作为转速调节器的输入信号,在起动瞬间(对应于图中的A点电动机的转速),而测速发电机TG输出信号,图2调速系统的工作原理图转速调节器的输入信号最大,其输出最大达到限幅值而转速调节器的输出信号送给了电流函数发生器,所以此时函数发生器的输出达到最大值,因而其输出也达到最大给定值,接下去的电流调节环的速度比转速调节环的速度快得多,可以认为,转速过度过程中实际定子电流始终跟踪了,而在起动过程中由于电动机转速还没有达到给定值,转速调节器输出不会从限幅值退下来,转差频率给顶值一直保持不变,也一直保持不变所以可以认为起动过程是一个恒定子电流,恒转差频率驱动过程由式子可知,定子电流,转差频率恒定,则励磁电流也恒定,因此气隙磁通恒定图三中,A点对应于起动瞬间,由于电动机的转速为0(W=0),所以按产生的对应于顶子额定电流为,记为,如果逆变器输出频率保持不变,则电动机的工作点将沿着这条曲线达到B点,记此时的异步电动机的转速为,假如控制系统此时对其进行采样,按产生的定子频率为,由于电动机的转速不能突变,因此电动机的工作点移到了这条曲线上的C点按以上的方法分析下去,可以知道异步电动机的工作点将沿着ABCD……移动,最终达到稳定工作点N以上分析中,控制系统对转速进行采样的时刻时间断的,如果控制采用连续系统方法,则电动机的转速变化将立即通过控制系统改变控制器的输出频率这样,沿着ABCD……的连线将趋向于沿着ACEG……这条曲线,而这条曲线说明在异步电动机起动过程中,电磁转距保持不变,这一结论可以从上面的定子电流,转角频率,气隙磁通恒定负载变化图3负载变化图负载变化如图3所示,负载变化时,若转速给定信号为,电动机工作点为N,当负载变化从增加为时,电动机的转速W将逐渐降低,测速发电机输出信号减少,转速调节器增大,按产生的对应于定子频率由于增大而增大,控制电压增大,决定了逆变器的输出频率增加,电动机的机械特性曲线上移,最终电动机在新的工作点处稳定工作
(2)、调速过程如果不改变,但转速给顶信号从增大到时,速度调节器的输入为正值,其输出将增大,按产生的对应于定子频率,由于增大而增大,控制电压增大,决定了逆变器的输出频率增加,电动机的机械曲线上移,当增大时,电动机的工作点将瞬间地从点转到对应的特性曲线上的A点,在A点电磁转距,因而电动机将加速,转速上升,按产生的对应于定子频率由于增大而增大,逆变器的输出频率增加,电动机的机械特性曲线上移,只要,定子频率将不断增大,电动机的工作点将沿着图中的A到曲线运动,到了点时,电动机的转速,电磁转距,电动机将在点上稳定运行,这就完成了电动机的加速过程
(3)、电动机反转当转速给定信号反相时,速度调节器输出负限幅值,,按产生的对应于定子频率由于变负而减小逆变器的输出频率降低,电动机的机械特性曲线下移,电动机以最大制动转距减少到零当转速接近于零时,按产生的对应的由正值变负时,通过相序鉴别器使环形分配器的相序改变,电动机实现反向运行
(4)、近似动态结构转差频率控制系统的动态性能虽比转速开环系统有较大提高,但是在采用经典线性控制理论和工程设计方法分析和设计,仍要作较大的近似处理在建立转差频率控制系统的动态结构图时,仍做如下处理(a)忽略异步电动机的铁损(b)忽略异步电动机旋转电动势对系统动态过程的影响,或者说,忽略哦率和转速对电压控制系统的影响(c)认为组成系统的各环节的输入输出关系都是线性的(d)认为磁通在动态过程中保持不变参照转速开环的变频调速系统的动态结构图,可以画出转差控制系统的近似动态结构图,如图4所图4近似动态结构图以上就本次变频设计的控制方法规律等做了介绍,它就是本次设计的理论部分第三章提升机交流调速系统的设计
3.1调速系统总体方案设计图5调速系统总体方框图转速开环恒压频比的调速系统,虽然结构简单,异步电动机在不同频率小都能获得较硬的机械特性但不能保证必要的调速精度,而且在动态过程中由于不能保持所需的转速,动态性能也很差,它只能用于对调速系统的静,动态性能要求不高的场合如果异步电动机能象直流电动机一样,用控制电枢电流的方法来控制转矩,那么就可能得到和直流电动机一样的较为理想的静,动态特性转差频率控制是一种解决异步电动机电磁转矩控制问题的方法,采用这种控制方案的调速系统,可以获得与直流电动机恒磁通调速系统相似的性能为了使系统具有较好的动静态性能,满足设计要求,可将整个系统设计为转速单闭环控制系统,采用转差频率调节方式,对转速进行动态调节,考虑电动机负载为恒转距负载,在高频段,采用恒比例控制方式来做近似恒磁通控制方式;在低频段,采用恒磁通补偿方法来维持磁通的恒定,实现恒磁通变频调速当频率高于额定转速时,维持,实现恒功率调节选用大规模集成电路HEF4752来产生PWM控制信号,以减轻单片机的负担,使它能够有足够的时间来完成闭环控制,系统检测和保护等任务
3.2提升机系统主回路的设计系统主回路是交—直—交电压型变频电路图6系统主回路电路图整流采用三相桥式不可控整流器,,,组成滤波电路,,,三个元件和一起构成尖峰电压吸收电路(又称直流侧阻容吸收电路),用以削弱因逆变器换流而引起的尖峰电压,采用的是GRT三相桥式PWM逆变器
3.3元器件的选择大功率开关管SPWM正弦脉宽调制方法三相整流桥选用MDS型三相整流桥模块LC滤波器滤波电感在这里主要用来限制电流脉动(PWM变频调速系统不存在电流不连续问题)和短路电流上升率直流侧阻容吸收电路大功率晶体管阻容吸收电路
3.4转差频率控制原理及调节器的设计
(1)转差频率控制原理由电机学的知识可知其中图7系统控制结构图电动机正常运行时,,这时有所以当采用恒磁通控制方式进行变频调速时,近似恒定,近似恒定,这时有,其中近似为一常数,T近似的正比于转差频率因此,通过对转差频率控制,就可以达到控制电动机转距的目的,从而调节电动机的转速
(2)调节器设计本系统采用增量式转差频率调节方式,转差调节器设计为带有死区的调节器,即因,所以与之和反映了频率,即为频率指令信号控制结构框图和控制曲线如下图所示为死区,它是为了避免因量化误差,舍入误差引起系统运行不平衡而引起的ΔUnAΔUnB–ΔUnA–ΔUnB为线性调节区,当∣ΔUn(K)∣ΔUnB时,输出限幅,用以现在转差频率的最大增量,亦即限制的最大增量,亦即限制的最大增量,防止系统过冲,提高系统的稳定性Δ决定系统的积分系数()它由电位器给定,通过A/D转换器转换后输入当ΔUnB确定后,通过调节电位器,就能改变积分系数,整定方便ΔUnA的值根据静态精度要求和实际系统工作时的最低转速来确定,ΔUnB、ΔUsM通过实验确定图8控制结构框图和曲线图a控制结构框图b)控制曲线
3.5系统软件的设计
1、程序框图及其介绍
(1)系统主程序主程序框图如图9所示先进行芯片初始化,然后,清系统工作区,开放8051外部中断,启动软件定时器10ms采样周期所以,系统初始化完毕,进入控制循环显示转速→中断服务(和运算,查表求出)→可逆切换程序→输出控制量→显示转速图9系统主程序框图
(2)转速调节程序转速调节程序即为软件定时器O的中断服务程序,其程序框图如图10所示在转速调节程序中,完成转速、的采样,进行PI运算,求出频率指令信号,然后查表求得分频系数图10转速调节程序框图
(3)增量式PI运算子程序增量式PI运算子程序框图如图11所示,它包括按图所示控制曲线计算转差频率增量由求出转差频率控制量,再由求出频率指令信号图11增量式PI运算子程序框图
(4)可逆切换程序可逆切换程序由停车控制和可逆切换控制两部分组成,其程序框图如图12所示系统的停车与工作由工作/停车控制开关控制,其开关状态由PC6输入在可逆切换程序中,先对PC6进行判断若PC6=0,表示命令停车,这时接下来判断转速是否为0若不为0,则经PC2输出“1”电平,使HEF4752的L端为0,封锁其输出信号,使逆变器输出为0,电动机转速下降当转速已降到0时,经PC3输出“1”电平信号,切换主回路电源,然后显示停车标志“0000”若PC6=1,则表示继续工作,于是转去检测正/反开关状态,进入可逆切换部分电动机的转向由正/反控制开关控制,其开关状态由PC7输入现以正转到反转为例说明切换过程当正/反转开关由“正”转到“反”时,PC7输入0电平,表示反转,接下来判断当前转向是正(CW=1)还是反(CW=0),若转向为正,表示与给定转向不一致,需进行切换,于是经PC2输出1电平,使HEF4752的L端为0,封锁其输出信号,使逆变器输出为0,电动机转速下降然后判断电动机转速是否为0当转速未降到0时,不开放L端,电动机转速继续下降一旦转速降到0,则经PC1输出0电平至CW端,经PC2输出0电平,开放L端,于是HEF4752输出相序为U、W、V的PWM控制信号,逆变器重新开始工作,输出相序为U、W、V,使电动机反向启动,至此,切换过程结束从反转到正转的切换过程与上述过程相仿,不再赘述图12可逆切换程序
(5)故障处理程序故障处理程序即为8051外部中断服务程序,其程序框图如图13所示图13故障处理程序第四章PWM控制信号的产生及变换器的设计在系统中,控制信号用大规模集成块来产生要使它正常工作,必须提供时钟信号和开关信号将它的Ⅰ端接地,使其工作在晶体管模块式,使每两路互补信号之间有较大的输出延迟,逆变器的输出频率和电压就是通过控制着两个端输入的方波信号频率来控制的而电动机转速的调节是通过调频,调压实现的所以,必须在转差调节器与其大规模集成块之间正比的方波信号为时钟信号
1、与的关系及低频补偿考虑到单片机中转换器分辨率,所以频率指令信号用10位二进制数来表示在f1不变范围内,维持不变,这样可自动维持U1/f1=常数在小范围内,引入低频补偿,以维持磁通恒定低频补偿的思想是在低频段,按一定规律减少,使比值增大,从而使U1=K相对增大,以补偿定子绕组电阻上的压降,维持磁通恒定低频补偿曲线如图14所示,图14低频补偿曲线图
2、变换器的设计以上找出了低频补偿曲线的关系,剩下的就是怎样按照关系式产生方波信号分频系数变化范围较大,需采用16位分频器,所以可通过扩展一片可编程定时/计数器来完成整数分频可编程定时/计数器完全可满足设计要求由于Pf、Pv都不是一个纯整数,为了保证系统的精度,可扩展2片比例乘法器,用它进行比例分频二进制码/方波信号变换器硬件连线图如图15所示图15变换器硬件连接图采用一级变换器硬件,只能获得小数点后一位的乘法系数,为了获得小数点后两位的乘法系数,本系统中采用级联的方法进行加法运算,对φ进行比例分频,连接图如图所示五结束语经过改造的设备更能适应生产的具体要求.降低生产系统设备的故障率发挥设备最大潜能满足生产的需求我矿就是始终抓住技术改造这根弦以科技创新为先导不断提高技术,使生产效益达到更好通过毕业设计,真正的学习到了不少东西,特别是对于自己动脑思考问题,动手解决问题的能力无疑是上了一个台阶,让自己知道了从事技术方面的学生扎实的基本功是必不可少的,对于创新能力的培养和加强更应引起高度的重视,只凭课堂的学习是不够的,通过自学是提高的一个途径,能够将所学到的知识和自学的知识柔和在一起,才能证明我们具有一定的能力当然了,方案肯定能再次得到优化,这是以后在工作中需要考虑的问题毕业设计是学生综合学习的一个难得的机会,同时它也是检验这几年学习水平的一个机会在设计中涉及到的知识面很广,它需要我们查阅大量的资料,从中吸取对设计有帮助的东西来达到一个优化的目的在设计过程中肯定有我们以前没有学习过的新知识需要我们自学,这就需要耐心,需要刻苦的钻研和推敲,特别是对于各部分的衔接是经过论证后才能得出的参考文献
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