PWM变频调速控制系统在井下提升机中的研究

潘智康 陆 奎

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

随着我国采矿业的迅速发展，以及火力发电一直占领着我国电力生产的主导地位，煤炭产业的发展和我们国家的发展密切相关。但随着煤矿领域的不断壮大，煤矿运输的越来越频繁，使得我们对井下提升机的要求越来越高。不仅能够安全的运输，还需具有可靠性和稳定性。本文侧重于矿井提升机的PWM变频调速控制系统的工作原理以及PWM变频调速控制系统的应用特点的研究。

1 PWM变频调速技术

在众多交流调速技术中,发展较快应用较广泛并引起重视的交流调速技术就是PWM变频调速。PWM变频调速是脉冲宽度调制技术的简称。就是把电网三相交流电整流成直流电,再经脉冲宽度调制成三相可变频可变电压的交流电,驱动交流电动机无级调速。关键技术是控制逆变器开关元件(即晶闸管或称可控硅)的导通和关断时间(即调制脉冲宽度)来控制交流电的频率和电压。PWM变频器具有效率高、功率因数高、结构简单、可成组传动等优点,得到较广泛的应用。

1.1 PWM变频调速技术要点

主电路：

PWM变频调速的主电路为输入三相交流电源,电容器组,吸收过电压并滤去高次谐波。6个可控硅整流管,组成桥式整流电路,将交流电整流为直流,经电感L到逆变器。6个晶闸管,组成逆变器,在控制信号控制下按一定规律依次导通和关断,又将直流逆变成频率和电压可调的三相交流,供电动机使用。输出端电容器组,使输出到电动机的一系列脉冲平滑连接成接近正弦波的交流电。以及交流异步电动机。

1.2 PWM控制技术要点

正弦波脉冲宽度调制是由控制电路按一定规律控制逆变器开关元件(晶闸管)的导通和关断,从而在逆变器输出端获得一组等幅而不等宽的矩形脉冲波形来近似等效于正弦电压波，在每个半周中,脉冲的幅值相等但脉冲宽度不等,脉冲宽度是按正弦形式变化的,脉冲宽度必须与脉冲所对应的正弦波下的面积成比例。PWM控制电路主要包括函数发生器、电压/频率变换器、环形分配器、脉冲放大器、逆变触发器等。采用单片机即可实现PWM控制。

2 系统硬件结构

一编码器系统由S7-200PLC、安川G7系列3电平变频器、编码器、模型电梯以及外围电路组成。由于选用12V编码器，硬件采用三极管放大电路作为PLC的驱动输入信号。变频器5端子公用5，6，9的3端子和PLC内部的COM端相连以确保PLC与变频器的公地。PWM信号端需要接一个最大额定电压是DC50V以上、额定电流时50mA以上的晶体管来驱动。

3 系统的组成和功能

3.1 系统组成

变频回路包括：刀开关、断路器、变频器、变频器下端的接触器、能量反馈单元。其中能量反馈单元组成一个柜。控制回路：主要由主PLC控制、辅PLC控制、触摸屏、继电器辅助控制、操作台构成。其中主PLC控制和辅PLC控制互为主备，继电器辅助控制、主、辅 PLC控制安装在同一个控制柜里，触摸屏作为上位机安装在操作台上。编码器作为位置和速度反馈信号，安装在电机和卷筒上。其中安装在电机上的测速编码器信号反馈给变频器，形成PG矢量控制。另一编码器信号反馈给PLC作出速度和位置运算。测速电机信号、油温油压信号及其它开关量信号进入PLC系统。

3.2 系统功能

3.2.1 行程控制功能

行程控制是由PLC系统完成，主要将提升机的升降过程划分成不同提升速度要求的行程区间。根据每一行程区间的实际情况和不同速度要求变换变频器的速度给定值,并形成闭环平滑地调节提升机的升降速度。行程控制不仅控制提升机整个升降行程过程的速度，而且控制提升机的停车和制动过程。行程控制可以很好地防止提升机过卷、过放、脱轨和翻车等事故发生,特别适合具有弯道和叉道的特殊斜井。

3.2.2 制动控制功能

提升机的正常制动有回馈制动、抱闸制动等方式。回馈制动的实现是在交-直-交电压型变频器的直流环节引入逆变环节。当提升机的实际运行速度高于给定运转速度时,电动机相当于一台发电机,直流环节电压升高，给逆变器提供能量并回馈电网，电动机自动运行在制动状态。以达到变频器准确停车的目的,很好地防止机械冲击和快速下滑。抱闸制动一般在停车时使用，当运行到停车位时,行程控制器对变频器发出停车信号,同时,对抱闸制动器发出抱闸控制信号,实施抱闸制动。当发生脱轨等事故时,操作控制实行紧急抱闸制动。本系统采用的回馈制动方式，在制动过程中，提升机运行平稳，并且将制动能量回馈到网，有一定的节能效果。

3.2.3 变频器功能

变频器接收旋转编码器传来的速度反馈信号，形成 PG矢量控制，实现电机的无级调速。本系统配置安川G7系列3电平变频器及安川能量回馈单元。安川G7系列变频器具有以下特点：可配置起重设备专用控制软件；3电平可抑制降低作用在电机上的冲击电压，可以直接应用于各类异步鼠笼电动机；精确的力矩控制；失速防止功能、故障复位再试功能；加装应用旋转编码器和 PG卡，安川G7可实现全频域磁通电流矢量控制，在0Hz（静止状态）使电机保持150%输出转矩。

3.2.4 操作台的主要功能

操作台装有手动操作的主令控制器，可手动调整制动力和绞车运行速度，并配有手动和脚踏紧急制动开关，当发生紧急情况时快速制动。

3.2.5 液晶触摸屏的功能

通过与可编程序控制器的通讯，直观显示系统运行状态、故障状态、运行参数（如显示绞车运行速度、提升容器位置、电动机电流和电压等），可显示全部开关元件的状态及各种故障、报警信息；可修改可编程序控制器改内部参数设置（需有相应权限）；具有密码保护功能，可根据权限设置、修改操作员密码，不同安全等级的操作员具有不同的操作权限。

4 结语

在井下利用提升机进行煤矿运输过程中，我们对井下提升机的要求越来越高。不仅要求能够安全的运输，还需具有可靠性和稳定，其工作的可靠性和稳定性直接影响到煤矿企业生产的效率和安全。所以对矿井提升机的PWM变频调速控制系统的工作原理以及PWM变频调速控制系统的应用特点进行研究尤为重要。此外，PWM变频调速控制系统在井下提升机中的研究，具有着良好的应用前景，可被大多数煤矿企业所接受。

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