变频器在矿井提升系统改造设计中的应用.pdf

变 频 技 术 变频器在矿井提升系统改造设计中的应用 李 荣 生 山 西工业 职 业技 术 学院 ， 山 西 大 同 [ 摘要]通过对矿井钭井串车提升运行状况的分析，介绍了P L C一变频器控制在钭 井串车提升改造设计 中的 应 用。 关键词钭 井 串车提 升P L C 变频 器控制 系统 0 引言 矿 井 提 升 设 备 属 于 生产 中的 二类 负 荷， 直 接 关 系到 企 业 的生 产 状 况 和经 济 效 益 。而 钭 井 串车 提升 因具 有 建井 快 、地 面 布 置简 单 、初 期投 资少 的优 点 ， 而成 为 中、小 型 矿 井 的主 要提 升 方 式之 一 。传 统 钭井 提 升 设备 采 用 继 电 器一 接 触 器 控 制系 统 ，利 用绕线 式异步 电机 转子串 电阻实现调 速 。 由于 生产 过 程 中切 换频 繁， 设 备 运 行 时 间较 长 ， 常 出现 主接 触 器 触 头被 氧 化 导致 接 触 不 良及 产 生 振动噪声现象。而且， 由于控制线 路 复杂，维修 时故 障点不便 查找， 从 而 影 响 生产 。 本文 将 详 细介 绍 收稿日期 2 0 0 3 ． 1 1 2 5 PLC 一变频 器控 制在矿 井钭井 串 车提 升改 造设计 中的应 用 。 l 钭井串车提升的工作过程 及拖动系统 钭 井 串车 提 升 拖 动 系统 由主 电机 通 过减 速 器带 动 圆柱式 滚 筒 旋转，由钢丝绳使 2个料车交替上 料，当重车 上升 时，空车下行，空 车 重量 相 当 于一 个 配 重， 这 样 当 上 行或 下 行 时两料 车 用 1个 滚 筒 拖 动 ，这 不仅 节 省 了 拖动 电机 功 率，而且电机运转时，总有一个 重 车上行，不会出现 空行程，使 电机 总处 于运 行 状 态 。拖 动 系统 的 工 作特点 ①能频繁进行起 制动 、停 车、反 向，转速平稳；②能按 一定 的速 度 图运行 。 提升运行分 为起动 、加速 、稳 定运行 、减速 、制动 6个过程，运 行 的速度 图如图 1 。料车提升 一次 FWD． CM X 1 ． CM M L L } cM 一 L { v E 1 ， 图1矿车运行速度图 所 需 时 间与料 车 的运 动速 度 、加 速 度 及钭 井 深度 有 关 ，各 阶 段 加 速 度 大 小应 根据 工艺 的 安全 规 程 选 择 ，运 行 时 间 则应 根 据行 程 大 小计算。图中各阶段工作状况如下 工作状态是 l 台变频 l 台工频 ，则 立 即切 除 工频 电机 ， 然后 通 过运 行 调 节 程 序调 频 直 至 满 足 要 求 ； 若 3台电机同时工作，则立即切除 最 先 投运 的 工 频 电机 ， 定 时器 定 时 5 S并运行 调节程 序，若定 时时 间到 ， 管 网压 力 仍高 于 压 力设 定 值 ，PLC将切除 另一 台工频 电机， 运行 调 节 程序 直 至 管 网压 力 达到 设定 值 。 2 效果 2 ． 1节能效果 通 过 改 造 前 后每 年 所 用 电费 的 比 较， 可 以看 出改 造后 明显 节 能 按每年 平均工作 l 0个 月，平 2 0 四圆2 0 0 4 年 3 期 均电价 0 ． 5元 ／ k W h 计算 。 年节约电能 l 0 4 l l 2 k w h ， 年节约电费 5 2 0 5 6元， 节电率 为 3 2 ． 9 ％ 投资 回收期为 l 3 ． 8个月 如 该装置使 用寿命 为 l 0年 以 上， 将 会给 我 院带 来 相 当可 观 的 经济 效益 。 2 ． 2 间接收益 1采 用压 力反 馈 的恒 压供 水 系 统， 减 少 了 以往 因 管 网压 力 波 动 而发 生 的爆 管 和 开 龙头 时 的 共 振 现 象， 延 长 了管 道 的使 用 寿 命 ；避 免 了调节 阀故 障 。 2变频泵的转速 降低，减少 了水 泵 电机 轴 承 的 磨 损 和 发热 ； 投泵 时水泵 电机采用软 启动方 式， 按设 定 的时 间加 速 ，避 免 了电机 启动 时 的 电流 冲击 和 电机 突 然 加 速 造成 泵 系统 的喘 振 ， 延长 了机 械 使 用 寿命 ， 同 时也 避 免 了对 电 网电压 造 成的 波动 。 3采 用压 力反 馈的 恒压 供 水系统 ， 因实现 了恒压 自动控 制， 使操 作 十 分 简便 ， 降低 了工作 人 员的劳 动强 度 。 4 由于电机转速降低，使 噪 音 大大 减小 ，改 善 了操 作 环境 。 5此系统节电效果明显，系 统投资 回收快 。而且长期受益，有 巨大 的社 会效 益 。 维普资讯 变 频 技 术 1 0 ～ t ． ，重车在井底车场开 始上 行 ， 同 时空 车在 井 口车 场位 置开始下行。加速度 a ． 取 0 ． 3 r n ／ s 至 使速度达 1 ． 0 m／ s 。 2 t I ～ f ， ，重车上行并加速达 到最大速度，加速度 a ， 取 0 ． 5 m／ s 。 3 f ， ～ f ，重车 以最大速度稳 定 运行 。 4 f ～ f ，重 车进入卸料前的 第 1 次减速，加速度 a 取 0 ． 5 m／ s 。 5 f ～ f ，重车进入井 口车场 阶段 匀 速运 行 时间 ，一 般 运 行速 度为 1 ． 0 m／ s 。 6f ～ f ，重车第 2次减速至 停车，加速度 a ， 取 0 ． 3 m／ s 。 钭 井 提 井 负 载 是 典 型 的摩 擦 性负载，即恒转矩特性负载。当料 车 上行 时， 电机 的 电磁 转矩 必 须 克 服 负载 阻 转 矩， 起 动 时还 应 克 服 一 定 的静 摩擦 力矩 。 电机 的 电 磁 转 矩 的 方 向 与 旋 转 方 向相 同， 故 电机 处于 电 动状 态 ， 工 作 于第 一 象限； 当空车下行 或 另一重车 上 行 时，电机 的电磁 转矩仍要克 服 同样 的 负载 转 矩 ， 电机 的电磁 转矩 方 向 与旋 转 方 向 改变 ， 电机 处 于反 向 电动 状 态 ， 工作 于 第 三 象 限 。 2 变频器的选用 1 对 于原系统 的改造设计 ， 按 运 行过 程 中 出现 的最 大 工作 电 流 来 选 择 变频 器 的容 量 ， 并 应具 有 无 反 馈 矢量 控 制 功能 ， 使 电机 在整 个 调速 范 围 内， 具有 真 正 的 恒转矩，满足负载特性的要求。另 外 应选 用 带 有制 动 单 元及 制 动 电 阻 的 变频 器 ，使 变频 器 直流 回路 的泵升 电压保 持 在允许 范 围 内。 2根 据运行速 度图 的情 况， 这里选择 3 档速度控制，如图 l ， ． 、 ，、 位置点 为变速点，对应控制 开关相应状态， 、 厂 ， 、 厂 1 为相应处 运行 频 率 应按 工 艺 和 生产 现 场 调试 为准 ，E为料 车上限位 点。 为输 出频 率 设 定检 测 值 运行 频 率 值 。 3对 于 变频 器 加速 时 间或 减 速 时 间 的给 定， 通 常的 加速 率 是 以频 率 从 零 变到 最 高 所 需要 的 时 间给 定 ， 同样 也 是从 最 高 频率 到 零 的 时 间给定 ， 加 速 时 间给 定 的要 点是 在 加速 时产 生 的 电流 须 限 制 在 变频 器 过 电 流 容 量 以下 ， 即不 应使 过 电 流失 速 防 止 回路 动 作 。减 速 时 间给定 的要 点 是防 止 平 滑 回 路 的过 电压 过 大 ， 即不 应 使 再 生过 电 压 超 限 使 回路 动 作 。 当提 升 系统 为摩擦 性恒 转 矩 负载 时， 加 、减速 时 间按下式 计 算 设 加减 速 转 矩 在 某 速 度范 围 内相 同，加减 速时间 由下式 求得 f l G D ／ 3 7 5 [ n 2一月 1 ／ O 【 一 ] 1 t 2 G D ／ 3 7 5 [ n ，一月 1 ／ p ] 2 式 中n． 为加速 前 或减 速后 的转 速，r ／ mi n ；n ， 为加速后或减速前的 转速，r ／ mi n ；t ． 为从 n ． 到 n ， 的加速 时间，S ；t 为从 n ， 到 n ， 的减速时 间 S ；T 为速度控制范围 内的最 大负载转矩，N 。 m； ⋯ 为速度控 制范围 内的最小负载转矩，N - m； cD 为拆 算至 电机 轴上 负载 的飞 轮力矩，N m ； 口为平均加速转 矩 率 ，待 查 ； 为平 均减 速 转矩 率 ，待 查 。 应 当 说 明，给 定 实 际 的加 减 速时间时，要将式 1 、 2得到 的时间按式 3 、 4 换算为零速 度 与最 高速 度 间的 变化 时 间， 然 后 以比它 大 的 时间值 在 给 定标 度 盘 上选择 并给 出最 接近 的数 值 。 t ≥ 月 一 ／ n 2 一n 1 ‘ t l 3 t b ≥月 ／ n 2 一n 1 ’ t 2 4 式 中t 、t 为给 定加速和减速 时 间，S ；n ⋯ 为最高转速，r ／ mi n。 当 按 运 动 学 公 式 计 算 后 加 、 减速 时间 与上 式 时 间不 同 时 ，应 调节电机 的转速 频率 使二者基 本 一致 。 3 变频调速系统接线 3 ． 1变频器接线 变频器接线 如图 2 。图中 KA． 为左料车 的上行信号；KA， 为右料 车的上行信号；KA 为中速上行信 号，对应频率为 ；KA 为高速上 行信 号，对应频率 为 ；KA 为低 速上行信号，对应频率 为f ． 。K A 为紧急停车信号 ，KA， 为起动时频 率 检 测信 号 控 制 继 电器 。这 里 选 用 日本富士 F R5 0 0 0 Gl l S系列 变频 器 ，各 控制 端 子的功 能 为 _／ - | 一 _ R U S V 三 T W TO Y I K Al R O变 厂 RE F D W v 频C ． M E _厂 _厂 BX P cM N 广 T HR 图 2变频器 接线 图 C M 为控 制 电 路 公 共 端 子 ； F DW 为正转起 、停控制端子， 这里 用作左料车上行控制；R E V为反转 起 、停控 制端 子， 这 里用作 右料 车 上行 控制；BX 为滑行停止控 制端 子，这里用于急停信号；T HR为外 部 故 障 保护 ， 用 于外 部 制动 电阻 热敏继电器动作保护；Xl 、X 2 、X3 为中 、快 、慢速 度选择输入端子； Yl 、CME为频率 水平检测输 出信 号，利 用继电器 KA6控制抱 闸回 路；3 0 A、3 0 B、3 0 C为变频器故障 报警输 出，3 0 B、3 0 C为常闭接点， 3 0 A、3 0 C为常开接点；R0 、T O为 辅 助 控 制 电源 输入 端 子 ，连 接 在 电源 接 触器 前 端 ，确 保 变频 器 在 故 障跳 闸 或人 为停 运 时能正 确 显 示故 障 类型 。 另 外 ，应 将 主 令 开 关零 位 的 常 闭接点接在 变频器 的 B x CM 端 上 ，这 样 当主令 开 关 回零 时 将 封 锁变 频器 的输 出。 3 ． 2 电机的接线 将 绕 线 式 异 步 电机 的转 子 星 形联 结 的 三相 绕组 的端 点在 3个 集电环用 3 根 导线短 接，并将 电刷 举 起 。 3 ． 3 P L C硬件连接 P L C硬件连接如图 3 a 。图中 S B ． 、S B ， 为左料车起动、停止按钮； Q S． 为左 料 车 的上 行 限位 开 关 ； s B 、s B 为右料 车起动 、停止按 钮 ；Q S， 为右 料车 的上 行 限位开 关；主令开关 S Q S Q l ，S Q S Q S Q S Q ， 分别用料车运行 2 0 0 4 年 3 期四圆2 1 维普资讯 术 基于 GS K9 8 O T数控系统的数控车床的 电气设计 麦 小 波 ， 唐 梅 。， 李 庆 生 。 1． 暨南 大 学信 息技 术研 究所 ；2． 中 国建 筑 西 南设 计研 究院 3． 成都 电业 局 电 力勘 察 设 计 院 ， 61 0 0 1 6 [ 摘要] 以CK6 1 3 2型数控车床为例，简要介绍了数控车床的电气设计和调试。产品交付使用后，加工 效果反 应 良好 。 关键词数控机床调试 0 引言 近 年 来 ， 我 国制 造 业 对 机 械 加工 的 自动化 程 度 、生产 率 提 出 了更 高 的 要 求， 机 床 的 数控 化 成 为 一种 必 然 的趋 势 。我 们推 出 了 两款 数 控 车 床产 品 C N C 3 2 0和 CK6 l 3 2以顺应市 场的需 求。其 中 C N C 3 2 0型 采用 变频 模拟 主轴 ， 收稿 日期 2 0 0 3 - 1 2 - 0 8 CK6l 3 2型仍采用机械主轴 齿轮 换 档调速 ，且 均选 用了性价 比较 高 的 广 州 数 控 设 备 厂 生 产 的 GS K9 8 0 T型数控系统。 本文 以CK6l 3 2型数控车床为 例 ， 对 数 控车 床 的 电气 设 计和 调 试 进 行 介 绍 。机 床 的配 置 和 性能 要 求如下 1 主轴电机功率 为 ．5． 5 kW ，采 用齿轮换 档手动 调速 C NC3 2 0型采用变频调速 ，多楔 带传动，带电磁抱 闸刹车。带 l 0 2 4 线 增量 式 主轴 编码器 。 2进 给 轴 进给轴采用步进电机驱动， 通 过 精 密滚 珠 丝 杆螺 母 副传 动 。 无 抱闸。 轴电机输出转矩为 8 N m， z轴为 l 2 N m。 3辅助功能有 自动冷却 、 自动 润滑 、工 作照 明， 主轴正 、反转、停止、制动等。 4 换 刀 功 能 带 四 工 位 电动 刀架 。 5补偿功能 有 、z轴反向间 隙 自动 补偿 ，l 6组刀具偏 置补偿 。 6 通信功能 RS - 2 3 2串口通信， 的中速、快 速和慢速 控制 ；控制接 触器 或继 电器 KA 用于左车上 行；K A， 用于右车上行；K A 、K A 、 KA 分别用于料车 中速 、快速和慢 速 。KA 用于机械抱 闸控制 。 4 控制过程与控制原理 4 ． 1 变频器功能预置 1起 动频 率 的功 能代 码 为 F ⋯设定范 围为 0 ． 5 5 Hz ；保持时 间的功能代码 为 F⋯设定值范 围 为0 ～ 1 0 s 。 2 频率 检测功能代码为 E E 画面显示 F AR、F DT ，设定 值大于 5 Hz ，设定范 围为 0 - 4 0 0 Hz 。 3 3种速度 的频率设 定采用 输入端 子 x 、x， 、X 及频率控制 功能代 码 C ～C 。 设定，设定范 围 为 0 - 4 0 0 Hz 。 4加、减速 时间按照生产工 艺要求计算，选用输入端子 x 、X 及功能代码 F 。 、F 。 E E 设定， 设定范围为0 , 0l - 3 6 0 0 s 。 5 外部报警控制端子 T HR CM，正常运行时为 ON，在运行 中 2 2 四圆2 0 0 4 年 3 期 断开 T HR CM 端子，变频器立即 停止 输 出， 同 时输 出报 警。 6 自由旋转指令B X，当B X CM 为 ON 时，变频器立即停止输 出， 电机 将 自由旋转 ， 不 输 出报 警 信 号 。 基本频率设定为 5 0 H z ；最高频 率定 为 6 0 HZ ；运行操作指令 设定 为外 部 方式 。电机 的正 反 转运 行 方向由F DW 和 RE V来控制，运行 操 作代码 F ， 设定，设 定值为 0或 l 。其频率给定对应 0 ～ l 0 V 模拟 电 压信 号 。 4 ． 2 软件梯形图 P L C软件梯形图如图 3 b 。控 五 ／一 X 0 Y1 广／一 X【 五 ／一 X 2 Y 2 坠 五 ／一 X 3 ／一 X 4 Y 3 [ ] _ ／ 一 X 5 亘 ／] - X 6 Y 4 [ ] _ 一 NS, - - X Y 5 [ ] _ Y 6 壅_ ／ 二 r _ X 8 KA7 ／ CM ，． Xq 一 ／，一 X 1 0 CM a 1 硬 件连接图 【 b 1 梯形 目 图 3 P L C硬件连 接及梯 形图 制 原理 变 频调 速过 程 主 要 利 用 司 机主 令 开 关及 变 频器 多步 频率 选择来实现。设正向运行， 首先主 令开关使 S Q 接通，合 S B ，P L C 的内部 继 电器 Y 得 电，外接继 电 器 KA 吸合，变频器正向起动 。当 频率上升到 5 H z 后，变频器 Y， 输出 信号使继电器 K A， 吸合，P L C输 出 使 KA 吸合并开始松 闸，电机进入 第一 次 加速 阶 段 。 当运 行 至 变速 点 s 处 ，即设定 时 间到 达 时且主 令开关 S Q ， 接通，电机进入主加速 阶 段， 直 到 电机 以最大 速 度稳 定 运行 。同理 ，当运行至变速点 s， 、 s 处， 电机 自动 减速 至停 车 。另 外 ， 在现 场 设 有矿 车 上 限位 置 开 关 QS ， 当运行至该位置时， 自动 停 车 。系统 保 护可 利 用 变频 器 自 身功 能来 实现 。 参考文献 f 1 1胡学芝． A B公司夏 调运 糸 等 ‘ 氐 速七 r 换 ． 重』天 皂工披 2 0 0 2 7 2 3 2 4 维普资讯