交流电控讲义

第一章 第一章 提升机简介 矿井提升机可以按照多种定义方式分类，我们这里讨论与只讨论与电气控制有关的内容。 第一节、钢丝绳连接方式分类 一、 单绳缠绕式提升机，适合斜井、提升高度较浅的竖井使用。 二、多绳摩擦式提升机，主要特点在于摩擦式提升方式，钢丝绳不在井筒上储存，绳长与摩擦轮宽度无关，对深井提升特别有利；用多根钢丝绳代替一根钢丝绳提升，可以用多根小直径的钢丝绳提升更大负载，因此可以使摩擦轮直径较小，从而减小提升机的尺寸和重量。 三、两者的区别： 1、缠绕半径与摩擦系数 多绳摩擦式绞车多用在较深的绞车提升，单绳缠绕式绞车卷筒缠绕半径与绳长的比例一般不大于1/81，提升高度受到限制。 2、尾绳与平衡提升 多绳摩擦式绞车有尾绳，两个提升容器还有配重，以增加钢丝绳在滚筒上的摩擦力，少数单绳缠绕式绞车也有平衡尾绳。平衡尾绳的重量与主提升绳重量相同，提升过程中，绞车的静张力差保持不变。 3、图1-2 单绳多绳提升力图 多绳摩擦提升机提升力图 单绳缠绕提升机提升力图 第二节、电气拖动方式分类 一、交流电机拖动： 煤矿提升机大多数采用交流滑环电机拖动，70年代国产的TKD电控系统定型，近30年时间里，控制方式没有太大的改变，仍然是高压接触器换向，切换转子电阻启动，减速段配合动力制动电源或低频电源减速制动。2000年前后，变频调速系统逐步得到认可，开始在低压交流电机上推广使用。最近2-3年间，高压交流提升机也开始采用高压变频器进行改造。我们简单对交流提升机的控制方式进行分类： 1、转子电阻启动电控系统 [TKD(M)] 2、变频调速（交直交变频）电控系统 [TKD(M)-B] 3、转子变频调速电控系统 [TKD(M)-ZB] 二、直流电机拖动： 直流电机调速控制方式，可以由电枢换向或者磁场换向，在提升机控制中大多选择电枢换向系统：a、6脉动单装置（用于小功率电机）；b、12脉动并联；c、12脉动串联 第二章 交流提升机TKD(M)-SCR转子可控硅编码PLC电控系统 第一节、异步电机简述 一、异步电机工作原理 从电机的结构来看，异步电机由定子铁心、定子绕组和转子铁心、转子绕组组成。鼠笼型转子的异步电机转子铁心上，外面处开槽，槽内嵌入绕组导线（如图2-1，仅画了2根导线）。大多数异步电机定子绕组是三相绕组，三相绕组流过电流时，产生一个旋转磁场，假设此旋转磁场旋转方向是逆时针，转速为n1。这样一来，逆时针旋转的磁场就要在转子的绕组内感应电动势，如图12-1所示瞬间，转子导体A感应电动势瞬时实际方向为进纸面，B为出纸面，转子绕组是个闭合的短路绕组，于是转子绕组中就产生转子电流。从图上可以看出，A或B与它们所处的磁场垂直，根据电磁力定律知道，载流导体A、B会受到电磁力的作用，导体受力方向用左手定则确定。这个力乘上转子的半径就是转矩，此时作用在转子上的电磁转矩的方向也是逆时针方向。电磁转矩克服电机转子的组转矩，电机就按逆时针方向转起来，设其转速为n。 转子的转速n不会等于旋转磁场转速n1，因为n=n1时，转子导体在旋转磁场内不切割磁力线，就无法产生感应电动势，也就无法维持n=n1的转速。 二、异步滑环电机电阻特性 图2-2 滑环型异步电动机机械特性 第二节、转子可控硅多级编码电阻切换 一、转子可控硅多级编码原理 矿井提升机TKD电控系统，采用接触器切换转子电阻，可以做到8-10级启动，启动电阻的计算在《煤矿电工手册》内有详细介绍。启动段以电流、时间并列原则切除电阻，直到转子短封，电机等速运行。主井提升和付井提升的启动环节有一点差别，付井经常有负力提升的工况，付井启动原则中，加入亚同步速度继电器。当电阻切换到3步以上，提升机速度如果达到等速速度的98%时，亚同步继电器吸合，电机转子直接短封，转子电阻全部切除，电机在工频自然特性曲线运行。运行到减速点后，工频电源断电，换弧时间（0.7秒）后，动力制动或低频电源投入，同时转子电阻重新投入电机转子。减速过程中，根据电机速度，逐步切除电阻，低频拖动时直至完全切除，电机在低频自然特性下运转。 TKD(M)系统转子接触器采用空气接触器或真空接触器，转子大电流频繁操作，容易造成转子接触器主触点、辅助触点、吸合线圈和机构损坏，接触器使用寿命较低，故障频繁。转子可控硅编码启动专利技术，以可控硅交流开关代替转子接触器，充分利用了PLC和SCR的优势，把二者很好地结合起来，很好地解决了上述问。 图2-3 转子可控硅编码原理图 如图2-3，转子可控硅交流开关与转子电阻并联连接，举例如JK2导通时，转子电阻R2被短接，JK2断开时，R2可以重新投入电机转子回路。因此，转子可控硅编码是将R1-R5电阻进行排列组合，得到25=32种电阻值，我们在32种阻值中，挑选符合电机启动要求的8种组合编码，就可以得到8级编码启动的效果。 转子可控硅八级编码表 JK1 JK2 JK3 JK4 JK5 JK6 ∑R 1JC 1 0 0 0 0 0 R2+R3+R4+R5+R6 2JC 1 0 1 1 1 0 R2+R6 3JC 1 1 0 0 0 0 R3+R4+R5+R6 4JC 1 1 0 1 1 0 R3+R6 5JC 1 1 1 0 0 0 R4+R5+R6 6JC 1 1 1 1 0 0 R5+R6 7JC 1 1 1 1 1 0 R6 8JC 1 1 1 1 1 1 0 表2-1 八级转子可控硅编码表 转子可控硅多级编码启动专利技术是在八级编码启动的基础上衍生发展的，在不改动原八级编码设备硬件组成的基础上，改进软件，将启动级数拓展为20级以上的启动技术。这在技术上相对于传统的8级、10级启动是一个质的飞跃，基本消除了启动、制动过程中的电气、机械冲击，对保护设备，改善提升机性能作用显著。 在转子可控硅编码启动系统，1-5JK均为3相交流开关（图2-3里标注为JKn-A、B、C）。在八级编码中，三相开关同时动作，只组合出一个编码。如果我们把三相开关分别控制，就相当于把启动交流开关增加到原来的3倍，可以选择的编码也就增加到原来的三倍，达到20级以上。 转子电阻切换级数达到20级以上，对改善电机启动、制动段平稳性起到很大作用。图2-4所示为山西阳煤集团二矿胶带运输机多级编码重载启动效果，拍自现场的WINCC监控软件速度图。 图2-4 山西阳煤集团二矿胶带运输机重载启动段 二、转子编码启动故障状态 1、分析故障的方法：可控硅出现故障时，一般从外表上无法区分，只能通过电机转子三相电流的变化分析判断。转子编码中的最后一段电阻R6不参与编码组合，只有在电机转子电阻完全短封时才切除。R6阻值在0.01Ω左右，我们在R6电阻上并联一块电压表，提升机启动过程中，转子电流流过R6电阻产生的电压，可以用并联的电压表观察到，这个电压值反映了转子电流的大小。我们可以通过观察电压值，判断转子可控硅和转子电阻的状态，正常情况下，三相转子电流应该是相同的，三块电压表的指示也应该相同，如果在启动过程中，三块电压表的指示值相差较大，则可以初步判断转子回路中存在问题。 2、转子可控硅的故障分析：作为可控硅元件，损坏的情况有两种：短路和断路。如果可控硅被击穿，发生短路，那么在启动过程中，相对应的这段电阻是一直被短接的。举例说明：如果JK2A可控硅短路，则R2A电阻时一直被短封的，当启动过程中，JK2A没有被触发的时候，R2A电阻的就已经被切除，这对正常的电阻编码而言是错误的，此时R2B、R2C还在转子回路里没有切除，这是观察电压表V，就会发现转子回路A相电流偏大。但是到了JK2需要被触发的编码，R2A的短封又是正确的，此时R2B、R2C也已经短封，转子电流重新平衡。可控硅断路的现象正好与此相反，启动编码没有切除到R2时，转子电流是正常的，而JK2被触发需要导通的时候，才能发生转子电流偏差。可控硅出现故障时，观察转子电压表（指示电流），可以看到三相电流不平衡的现象，但是随着启动过程中编码的变化，故障的现象只在瞬息之间，要想通过转子电流指示发现转子可控硅故障，需要熟悉启动编码，在八级编码的基础上，理解20级编码的组成。 3、转子可控硅故障的检查：检查转子可控硅之前，需要打开电机与电阻的连线，如果能事先分析出故障出在哪一相哪个位置，将会节省大量时间。可控硅的击穿，可以直接用欧姆表测量出来，电压击穿的可控硅阻值为0。可控硅断路，一般都是触发极被烧断，此时测量触发极和阴极之间的电阻值，可以发现阻值无穷大，正常的阻值范围在20欧姆左右。需要注意的是，转子可控硅是一个散热器夹持两支反并联的可控硅，两支可控硅很少同时损坏。 第三节 高压换向器 高压换向器在交流提升机电控中负责切换电机提升方向，切换电机定子高压和制动电源。真空换向器和空气式换向器都有应用，由于空气式换向器已基本停产，很难采购到正规厂家的零配件，目前的改造、配套项目，绝大多数都使用高压真空换向器。 一、空气式高压换向器 1、空气式高压换向器电路 以天津电控厂生产的CG5系列为代表的空气式高压换向器，仍有一部分绞车使用，在PLC改造项目中，有一些保留原有空气式换向器的项目。PLC系统的空气高压换向器的电路设计不同于原继电器系统的设计思路：高压主回路设计，二者没有区别；电气连锁辅助回路设计，PLC系统采用程序连锁和电路连锁双重连锁保护。PLC程序连锁使用换向器辅助接点的常闭点，输入到PLC数字量输入模块，在PLC内部完成换弧时间连锁和电气连锁。这里使用常闭点，可以保证连锁的可靠性，常闭接点出现虚接的故障时，不会导致高压回路连锁失效。 图2-5 空气式高压换向器主回路原理图 图2-6 空气式高压换向器线圈电气回路 图2-6中，ZCZ、FCZ、XLCZ、DZCZ是PLC数字量输出接口驱动的中间继电器，DZC、ZC、FC常闭接点取自换向器辅助接点，另有DZC、ZC、FC常闭接点输入到PLC数字量输入接口，在PLC内完成程序连锁，这里的连锁是外部驱动回路的连锁，这样可以保证PLC失效的情况时，电气连锁依然可靠。 2、空气式高压换向器机械连锁 图2-7 空气换向器机械连锁示意图 ZC和FC之间，XLC和DZC之间设有机械连锁，两台换向器不能同时吸合。 二、高压真空换向器 1、高压真空换向器设计 真空换向器主回路与空气式换向器有所区别，主回路采用双断点串联设计（如图2-8）。高压回路去掉了XLC，在空气高压换向器设计里，XLC的作用是完善高压和低压制动电源之间的机械连锁。因为真空接触器不能切断直流电流，所以在低压制动电源回路里，除了采用真空接触器双断点以外，又增加了空气接触器。 图2-8 高压真空换向器主回路原理图 从图2-8可以看出，所有主回路都设计双断点，回路中一支真空管失效时，仍能保证电气闭锁的可靠，不致产生相间短路或高低压短路。共计有六台三级真空接触器（三支真空管主触头），这也为完善机械连锁提供了有利条件。真空接触器主触头（真空管）动作行程较小，一般在2-3mm左右，要求机械连锁精度较高，如果连锁机构里有转动机构，长时间磨损后，很容易造成机械连锁失效。我们针对这种情况，特别设计了真空换向器直动机械连锁，如左图2-9所示。 图2-9中仅画了一对接触器的机械连锁机构。其中ZC1和FC1反向背对背放置，它们的接触器动衔铁相对反向动作，在两台接触器之间，设有铜制机械连锁杆A，A的长短可以调节。调节A的长度，让ZC1吸合是正好顶住FC1的衔铁；而FC1吸合时，也正好顶住ZC1的衔铁，使ZC1、FC1不能同时吸合；这样就完成了ZC1和FC1之间的机械连锁。图2-8主回路可以看到，系统共有六台真空接触器，两两相对布置ZC1-FC1、ZC2-DZC1、FC2-DZC2，正好可以完成高压正向-反向之间、高压正向-低频之间、高压反向-低频之间的所有机械连锁。这种机械连锁设计，简单、可靠、磨损很小，可靠性高。使用中需要注意的是，连锁铜杆的长度调节要合适，过长则造成闭锁的接触器吸合矛盾，过短则失去作用。调节A的长度，使其中一台接触器吸合时，正好顶住（可以有1mm左右余量）另一台接触器衔铁，调整后应及时锁死缩紧螺丝。 2、高压真空接触器 单独一支真空管，它的主触头在大气压力作用下是闭合的，安装在真空接触器上，靠接触器弹簧外力拉开。触点开距很小，一般在3mm左右，如果真空管漏气，绝缘即遭到破坏。同时，真空管是封闭的结构，电流通断操作在真空管内部会产生金属蒸汽，不断地喷镀在真空管内壁，使用一定次数以后，也会损坏绝缘。这些问题，从真空管的外观上很难分辨，因此我们在真空可逆回路里都采用双断点设计，在真空接触器使用过程中，也应经常检查真空接触器的绝缘，定期对真空接触器进行耐压试验。新出厂的6kv真空接触器，出厂检验耐压试验不超过23kv，使用一段时间后，这个数值有所降低，一般在20kv左右，使用寿命达到30万次后，就应当考虑更换。 高压真空接触器线圈回路采用直流操作，如图2-10所示：GZ为整流桥、C滤波电容、S1吸合线圈、S2维持线圈、A常闭辅助接点，A常闭点经过特殊设计，闭合超程较长，在接触器完全吸合后才能打开。吸合的动作过程是：AC开始送电，经过整流桥GZ整流，流经吸合线圈S1和常闭触点A，此时回路电流较大。接触器吸合后，触点A断开，S2线圈也串入回路，降低了回路电流，维持接触器吸合状态。简而言之，真空接触器是单线圈吸合、双线圈维持，以自身常闭触点切换。常闭触点A由于频繁通断直流电流，比较容易烧蚀损坏，更换接触器辅助接点时，应注意A点的超程调节，使A点既要可靠打开，又不能打开过早。 普通的真空接触器有六个辅助触点，三开三闭，PLC电控设计中需要四个常闭接点，因此我们对普通真空接触器触点进行了改装，改为二开四闭，这一点在使用中也应该注意。 第四节 系统的PID闭环控制 一、简述 PID调节器是比例、积分、微分调节器的简称，提升机电控系统的PID调节器也称作闭环控制，交流电控系统的闭环控制有：可调闸闭环、电制动闭环、安全闸闭环，也就是我们常说的绞车三个闭环控制。其中电制动闭环以提高效率、节约能源、改善运行平稳性为主要目的；可调闸、安全闸的闭环保证提升的安全性能。闭环调节器使用的元件经历了磁放大器—集成电路—PLC软件三个不同阶段，我公司的电控设备直接从磁放大器系统升级到PLC数字软件。目前磁放大器系统已经完全淘汰，但是我们在磁放大器系统中到的经验数据、细节设计仍然在PLC软件设计中被采用，虽然二者使用的元件不同，但是作为PID调节器的概念是一致的，PLC数字调节器比磁放大器、集成电路放大器使用更灵活、更方便、更可靠。 图2-11 提升机电控系统低频闭环方框图 二、行程给定信号 1、给定信号的分类 矿井提升机的给定信号，可以分为行程给定和积分给定两大类，其中每一类又可以再细分为模拟量给定和数字给定。目前的整流、变频装置都是采用积分给定信号，设定了减速度后，不论减速时的初始速度大小、提升行程位置，从减速点开始，以恒定的减速度减速，曲线下降斜率保持不变。这种给定方式在安全和效率上有所缺陷，但是可以在调速装置内部做速度环给定使用。提升机电控使用的给定信号，原则上应该使用行程给定信号，并且可以用积分给定信号作为补充，我们公司的产品目前是采用以数字行程给定信号为主（主控调速），模拟行程给定信号和数字积分给定信号为辅（安全保护）的综合模式。 2、数字行程给定 目前国内厂家配套的提升机电控系统，均采用旋转轴编码器作为行程计数器，这种旋转编码器也称作相对值编码器。它每旋转一圈，发出固定数量的脉冲，PLC采样这个脉冲并进行计数，然后换算为提升行程。 旋转轴编码器在使用过程中存在着一些问题： a、存在脉冲计数误差，需要设置校正点，而校正点如果发生误动作，将导致行程计算的错误。 b、旋转轴编码器和PLC均需要不间断带电工作，其中任何一个断电或者断线，直接导致计数结果的错误。PLC需要设置断电记忆程序，如果PLC需要RESET复位，计数结果自动回零，不能保持前次计数。 c、计数脉冲容易受到外界干扰，轴编码器的脉冲和校正开关都可能因为外界干扰而发生误动作，轴编码器的电源或信号线的断线也是常发故障。 虽然旋转轴编码器存在诸多缺陷，不能完全替代机械式深度指示器，但是因其能提供数字行程信号，在目前国内几个厂家的PLC电控系统中，仍作为主要的提升行程信号源。因为认识到旋转轴编码器在使用中存在的诸多问题，我们一直坚持在系统中使用旋转轴编码器的同时，保留机械式深度指示器。机械式深度指示器存在的很多缺点大家都已熟知，目前的绞车机械配套，往往在没有解决数字行程计数的可靠性之前，已经取消掉机械式深度指示器。 我公司参考了进口提升机电控的设计，选型德国施克公司生产的PROFIBUS总线接口绝对值轴编码器，完全解决了上述问题。绝对值轴编码器的特性和机械式深度指示器完全相同，它的计数编码和编码器旋转角度唯一相关，不受任何外界干扰，只要编码器的机械连接没有断开，它的计数值就不会出现误差。PROFIBUS总线型号产品的选用，也避免了信号断线产生的问题。我们认为，绝对值轴编码器是替代机械深度指示器的最佳选择。采用绝对值编码器的全数字系统，是可靠的全数字系统，可以放心地把替代原系统中的机械深度指示器和给定自整角机。 3、自整角机给定 设备现场如果保留有限速圆盘，我们也经常使用限速凸轮板和给定自整角机做出模拟量给定。凸轮板自整角机给定信号的优点是可靠、直观，牌坊式深度指示器的行走状态，可以及时地观察到，现在的PLC系统内也增加了深指断轴保护，而深指断轴保护的作用就是监控限速圆盘的转动是否正常。自整角机模拟量给定信号，经过模数转换接口，输入到PLC内，可以和数字给定信号互相补充。 三、测速信号 1、模拟量测速信号 我们大多数系统都保留测速发电机，与原TKD系统的测速发电机不同的是，PLC系统的测速发电机所需功率很小，可以使用100W以下的专用永磁式测速发电机，信号的稳定性和可靠性都很高。PLC模数转换接口采样测速信号，为速度闭环、限速保护、速度继电器等环节提供信号。 2、数字测速信号 使用旋转轴编码器或绝对值编码器，也可以计算出数字测速信号。旋转编码器的PLC计数模式也有频率计数的模式，而旋转编码器脉冲频率就是旋转速度，可以通过折算脉冲频率得到电机旋转速度。这种方式的优点是，信号的线性好于测速发电机，但是响应时间需要一定的延迟，在周期时间内测定脉冲数，才可以得到频率参数，这个周期越长，信号越稳定，我们一般选择在200ms以下，基本不影响提升机测速信号的时效性。网络型绝对值编码器都有自己的CPU，可以直接计算出频率参数，通过DP网络直接传输给PLC，我们可以直接调用。 四、数字PID调解器 我们在采样并数字化了速度信号和给定信号以后，就可以使用PLC内部的PID软件或PLC配套的PID模块进行信号处理。我公司电控系统的可调闸的闭环和电制动的闭环调解器，都是使用PLC内的数字PID软件。西门子公司的PID调解器软件功能很全面，提升机的特殊工况，还有一些具体的参数设定需要经验数据。我们在掌握了每台提升机速度闭环系统特点后，才可以针对不提供的提升机电控做出不同的调整，基本上每部提升机闭环参数都有所不同，需要有丰富的现场经验和反复的现场试验来确定参数。 电制动和可调闸的闭环也不完全相同，电制动的闭环只在减速点后投入。而可调闸的闭环是整个提升行程内都起作用，这是安全提升的基本保证。 五、闭环效果速度图 1、正力提升速度图 2、负力提升速度图