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1、大型提升机自动化控制及交交变频调速系统研 制 报 告 冶金自动化研究设计院2003年8月目 录0. 前言31项目背景32提升电控系统配置及功能42.1 交流变频调速同步电机42.2 干式整流变压器52.3 滚筒62.4 装卸载站控制装置62.5 液压系统62.6 交交变频传动系统72.6.1交交变频主电路构成72.6.2 交交变频同步电机控制系统92.6.3 交交变频同步电机调速系统性能指标102.7 自动化控制PLC系统102.7.1 主控PLC控制系统（PLC1）112.7.2 监控PLC控制系统（PLC2）122.8 通讯网络133主要技术创新内容143.1 双机拖动及负荷平衡的研究14
2、3.1.1主井提升双机拖动143.1.2负荷不平衡问题的产生153.1.3 负荷平衡控制163.2控制系统提升行程控制的研究173.2.1 行程控制功能包结构173.2.2 行程控制运行方式183.2.3行程控制曲线设定193.2.4行程控制调节203.3 控制系统冗余保护的研究203.5 交交变频双机拖动调速系统的工程调整理论及方法的研究214 项目应用情况245技术水平比较及对行业进步的推动245.1 技术水平比较245.2 对行业技术进步的推动250. 前言大型主井提升系统要求电控系统具有很高的安全性、稳定性和技术可靠性，随着技术的进步，矿井提升电控系统朝着数字化、冗余、小型化的方向发展
3、，特别是在自动化程度上有更大的提高。进入20世纪80年代以来，随着电力电子学、微电子技术和现代电机控制理论的迅速发展，在调速传动领域已出现交流调速传动取代直流传动的趋势，交流变频同步电机调速不仅具有直流传动同样优越的调速性能，还具备单机容量不受限制、体积小、转动惯量小、动态响应好、宽调速范围、高稳速精度、维护简单、节约能源等优于直流传动和异步电机传动的特点，并实现了调速装置的产品系列化，对于大容量低速运转的生产机械，尤其是矿井提升机系统，交交变频同步电机调速是一种十分理想的传动方式。淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿设计年产量400万吨，要求系统提高生产效率，降低故障发生率，以适应市场需求和
4、提高经济效益。同时提升机传动的工艺特点，要求调速系统具有较好的调速性能、高过载能力、较高的定位精度和良好的加、减速性能指标，采用全数字交交变频控制的交流同步电机调速系统稳态调速精度小于0.1%，空载定位精度10mm, 重载定位精度20mm,完全可以满足提升机传动工艺的要求。1项目背景冶金自动化研究设计院（前身为冶金部自动化研究院）从事自动化工程和交交变频技术的研究开发已近20年，不断地把科技成果推向工程实践，1993年研制成功我国第一台2500kW交交变频同步电机主传动系统，在此基础上，坚持不懈，经过近10年的艰辛努力，获得了在天津、重钢、武钢、攀钢等单位轧钢机上的应用成功，项目连续突破了50
5、00kW单机容量、控制系统全数字化和工程调试自主化等技术难关。在淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿主井提升机电控系统的项目招标中，战胜国内外竞争对手，取得了该工程项目。我们经过认真研讨及调查，从满足工艺要求、提高系统性能和稳定性、节约能源出发，确定了交交变频同步电机双机拖动的设计方案。该项目是我国第一套国产大型提升机全自动化、全数字化、交交变频双机拖动系统。该系统的研制是在冶金自动化研究设计院牵头，淮南矿业（集团）有限责任公司、合肥煤炭设计研究院等单位配合下攻关完成的。2提升电控系统配置及功能提升电控系统由整流变压器，励磁变压器，自动化控制计算机（主控PLC系统、监控PLC系统、闸控PLC系
6、统、司机操作台），交交变频全数字调速系统，装卸载站控制装置，交流变频调速同步电机，液压站等电气和机械系统组成。系统框图如图1所示。图1 主井提升机控制系统框图2.1 交流变频调速同步电机交流变频同步电机由哈尔滨电机厂制造，在交交变频调速装置的控制下，作为提升机的驱动源。同步电机具备提高传动系统的工作效率、运行可靠性、系统控制精度和品质，减少维护工作量等特点。电机参数： 容 量： 2*3000KW 电 压： 1500V 电 流： 1212.5A 转 速： 40.2 r/min 频 率： 8.04Hz 极 数： 12 绝缘等级： F 过载倍数： 2倍/1分钟 励磁电流： 323A 励磁电压： 26
7、7V 效 率： 96%2.2 干式整流变压器交交变频同步电机调速系统采用星点联结结构，每套传动装置配置3台三相整流变压器。 整流变压器二次电压U2L的计算公式：其中：UDH-电机额定电压ID/I DH-电流过载倍数Udf-晶闸管元件压降N-晶闸管元件串联数A-电路联接系数-电网波动系数Y-系数 (0.04-0.08)min-最小移相角Ude-变压器短路比Ie/Ien-变压器过载倍数C-系数值根据交交变频原理，交交变频电机电压的峰值等于每组可逆整流器的直流输出电压。由于交流输出的特点，整流变压器电压波的系数、最小移相角等参数的选择与一般直流传动略有不同。实际选为1010V变压器容量为:式中： I
8、MN -电动机额定电流。根据交交变频器整流变压器计算并考虑电机的过载能力，每套变频器供电系统配置3台2100kVA的整流变压器。主整流变压器选择为：6*2100KVA 6KV/1010V Ue%=7% /Y11 3台 /-0 3台选用顺德特种变压器厂制造的环氧树脂浇注的绝缘干式整流变压器，变压器维护工作量小、体积小、重量轻、较适合现场安装环境，而且国内已经掌握了这项制造技术。型号 ZSCB9-2100/6/1.01额定容量 2100kVA电压 6kV/1010 V接线方式 Dd0、Dy11各3台短路阻抗 7%绝缘等级 F级冷却方式 风冷2.3 滚筒采用由洛阳矿山机械制造厂制造的直径达5.7米的
9、亚洲最大的主井提升系统滚筒。2.4 装卸载站控制装置装卸载站系统由德国SIEMENS公司提供，控制装置采用德国SIEMENS公司的SIMATIC S5系列PLC产品，完成提升机系统的自动/手动装载和卸载任务。2.5 液压系统本提升机系统液压站由瑞典ABB公司提供，三台液压站有两台同时运行，另一台备用，与闸控PLC系统和抱闸装置配合，完成提升机的制动功能。2.6 交交变频传动系统2.6.1交交变频主电路构成交交变频器由三台电网自然换流可逆三相桥式整流装置组成，对应同步机A、B、C三相。交交变频器采用逻辑无环流三相有中心点接线方式，由三台整流变压器供电，输出端采用星点联接。同步电机采用星形接线，电
10、机星形中点和变压器中点独立。主回路采用这种接线方式特点是：- 变压器容量降低- 电机内无三次谐波- 采用交流偏置技术，变压器副边电压降低。晶闸管电压安全系数提高。M1和M2两台电机的两组整流变压器采用Dd0和Dy11两种接法，相位相互错开30电角度，减少供电谐波分量。交交变频同步电机传动系统主回路接线如图2。图2 变频器主回路接线图本系统的两台3000KW同步电机交交变频全数字调速系统是由6台交交变频主柜、2台励磁柜、1台控制柜、1台继开柜、6台吸收柜组成。- 交交变频主柜主要完成电机定子侧功率的变换和电量的检测。- 励磁柜完成励磁功率的变换和电量检测，及励磁过压的吸收。- 继开柜负责向控制系
11、统提供各种电源。- 吸收柜完成交交变频器的输入输出线路的过压吸收。- 控制柜完成全数字磁场定向矢量控制、电流控制、行程控制、速度控制、逻辑控制、脉冲触发、故障诊断和操作保护等。该变频器具有以下特点：- 采用自动化院自行研制的1800A/3800V晶闸管元件，每两个元件反并联装于一组散热器中构成一个功率单元，6个功率单元组成一个三相可逆桥装入一个主柜，最大输出峰值电压2121V，最大输出电流3600A。由3个主柜组成的变频器，输出额定功率达到3000kW；- 采用全关断光电检测零电流技术，无环流切换死区1.1ms；- 采用变频器输入侧交流电流检测做电流闭环控制；- 采用LEM电压变换器，以实现实
12、际电压值检测；- 采用六种脉冲传输同轴电缆，提高抗干扰能力；- 每个主柜门板有集中显示器；显示功率单元和风机工作情况。晶闸管元件的选择根据经验分析估算，选择晶闸管元件为 1800A/3800V。电压安全系数KV 电流安全系数Ki* 按堵转状态， 过载2.0倍计算：* 在正常运转状态， 按长期过载1.5倍电流有效值计算：因交交变频器正反组桥交替切换导通，输出电流应按均方根电流计算， 每组整流桥输出均方根电流为同步电机电流有效值的 1/2。分析上述计算结果，每套变频传动装置选用可控硅元件KP1800A/3800V元件共36只， 分别装入3个主柜中， 其功率单元可与国外产品互换， 选择可控硅元件的电
13、压安全系数为2.66倍， 当电机过载2.0倍堵转时，电流安全系数为1.40倍。主电路采用直流双向保护型快速开关,额定电流2000A,额定电压1500V； 主电路设计有定子过压保护等完备的保护系统，当电路中发生接地，或设备绝缘下降，对地漏电流加大时，继电器动作，发出接地报警信号。 变压器二次侧安装RC吸收及高能压敏电阻，吸收变压器操作及高压开关动作过电压；变频器输出侧安装RC吸收及高能压敏电阻，吸收电机开关及变频器升降过电压；晶闸管元件设置RC电路吸收换向过电压。同步电机励磁为3相变流器供电,选择SIEMENS公司的SITOR装置，额定容量为850A。励磁回路安置了可控硅灭磁系统和常接电阻，防止
14、转子回路开路或定子在转子中感应造成过电压。2.6.2 交交变频同步电机控制系统采用德国SIEMENS公司的SIMADYN D多功能控制装置，与上位PLC实现通讯，完成提升机的行程控制和速度控制。交交变频同步电机控制系统采用磁场定向矢量控制原理。该理论基于直流电机良好的转矩控制原理，把交流电机通过坐标变换等效为直流电机进行控制，达到与直流电机调速系统相同的调速性能。为提高系统的可靠性、实时性，改善控制性能，同时为了使整套系统的控制技术达到国际先进水平，在淮南矿业（集团）有限责任公司张集煤矿主井提升机传动系统的控制中采用德国SIEMENS公司的SIMADYN D全数字控制装置，该装置同时完成提升机
15、的提升曲线控制（行程控制）。SIMADYN D系统是一种可随意编程和设计的全数字模块化控制系统，它广泛应用于传动、供电和自动化系统，能进行高速动态信息处理以及对专门的控制系统进行调节和控制，尤其适合于开环和闭环实时控制系统。SIMADYN D具有多种标准模板，可根据具体功能要求进行配置；STRUC编程软件提供了强大的编程手段及功能多样的标准程序库及专用程序库，对这些子程序可直接调用，并以具体的硬件配置为依据进行编程。 SIMADYN D控制系统硬件由双高度欧洲标准尺寸的高抗干扰和容错性的插入式线路板组成，模板按功能分为通用处理器板、特殊任务处理器板、存储器板、数字输入/输出板、模拟输入/输出板
16、，根据不同的任务需要可任意配置。各处理器之间的数据传送通过两种总线来完成，C总线和L总线。每个处理器模板都有它自己的程序和数据存储器，可以独立地完成分配给它的任务，并实现多处理器并行工作。外部开关信号通过输入/输出模块连接，这些接口模块提供电气隔离、信号的匹配和变换，用于操作监视和服务的外围装置通过总线或串行接口联接起来。2.6.3 交交变频同步电机调速系统性能指标变频器额定容量 6300kVA变频器额定输出电压 01500V变频器输出频率 08.04Hz变频器额定输出电流 1715A变频器过载能力 200%/1min静态调速精度 0.01%变频器综合效率 97.5% 平均功率因数: 0.72
17、空载运行定位精度 0.01m重载运行定位精度 SC2（第二爬出平台速度）SC1（第一爬出平台速度）和SMSC3（第二爬入平台速度）SC4（第一爬入平台速度）。行程控制功能包将验证是否遵守这个关系。如不满足此关系，将爬行速度修改为SC2=SM，SC1=SC2，SC3=SM及SC4=SC3。由于设定的爬行速度得到最小的爬行距离。最小的爬行距离是必须走过的距离，基于此设置爬行速度。行程控制功能包在内部验证设定的爬行距离是否小于所计算的最小爬行距离。当设定的爬行距离小于最小爬行距离，就将内部爬行距离设置为这个最小爬行距离值。图8 行程控制位置速度图3.2.4行程控制调节为了保证位置精度，确保安全、准确
18、停车，行程控制软件包引入位置闭环反馈调节系统。行程控制软件包根据速度、加速度、减速度及加速度导数计算出计算位置值，设计一个比例调节器，将计算位置值与从码盘得到的实际位置值的差值按一定比例用于调节速度环，确保行程控制的准确性。使行程控制的位置精度在重载时小于2厘米，轻载或空载时小于1厘米。3.3 控制系统冗余保护的研究提升机的操作与控制必须具有很高的安全及可靠性，因此本系统采用两套PLC控制系统完成提升机的工艺控制。正常运行时，2套PLC系统都具备对系统的监控、保护功能。当一套PLC系统出现问题暂时不能恢复时，另一套PLC系统能够完成应急情况下的简易开车功能。实现工艺控制PLC系统的冗余保护功能
19、。- 单独使用主控PLC系统，不使用监控PLC系统进行提升操作- 单独使用监控PLC系统，不使用主控PLC系统进行提升操作提升系统安全电路采用冗余结构，同时采用软件PLC安全回路与硬件继电器安全回路两种并行控制方式。装卸载控制系统与工艺控制PLC系统之间配置备用应急提升信号系统，在特殊情况下，可以不使用装卸载控制系统，直接由备用应急信号系统进行提升操作。张集主井提升机采用双电机拖动方式，正常生产运行时，两台电机同步运转。当一台电机或者一套变频器有故障不能工作时，故障电机作为负载，使用单台电机进行全速半载提升操作。3.5 交交变频双机拖动调速系统的工程调整理论及方法的研究交交变频控制系统原理图见
20、图9。图9 交交变频器控制系统原理图 提升机采用同步电机按磁场定向的矢量控制方式。交流同步电机采用自同步方式，定子电流由磁场定向控制系统分解为两个独立的直流分量，即电流的转矩分量ISM和激磁分量IST。与直流调速相同，转矩分量设定值由速度调节器决定，激磁分量设定值由电机功率因数COS及电流模型计算出来。与同步电机同轴相联的光电编码器检测电机的转子位置信号Cos和Sin，由转子模型单元计算出负载角Cos和Sin，以及励磁电流给定值If*。转子位置角与负载角相加可得磁场定向旋转角。根据当前电机运行的实际反馈值及系统设定值，计算出给定电流的转矩分量及激磁分量，给定电压的转矩分量和激磁分量，再经过矢量
21、的旋转变换和2/3变换，形成三相定子电流给定值Ia、Ib、Ic，这些值送入带电流断续自适应调节，电压前馈控制的电流调节系统。磁场定向的矢量控制系统主要包括如下控制软件：* 磁场定向控制系统 电流型自控式同步电机的定子电流被磁场旋转坐标分解，电流的幅值、电流与磁场轴线的夹角受控。可以证明电流型自控同步电机具有直流他励电机的传动特性，因此，同步电机磁场定向控制系统以电流型自控同动步电机为基本原理。 定子电流给定值的转矩分量I*ST和磁化分量I*SM，通过MT-轴系的旋转变换为i、i，再由以ABC轴系变换，形成三相定子电流给定值I*S。由于交交变频器是电压控制型变频器，要形成电流型自控同步电机必须通
22、过三个相电流调节器ACR，靠交流电流闭环调节来实现电流型控制。 磁通观测器是磁场定向控制系统的关键环节，由它计算出磁场旋转角度作为磁场定向控制的基准轴线，并计算出磁链的幅值作为磁通闭环控制的反馈值。磁通观测的准确与否直接影响到矢量控制的准确性，直接影响到系统的解耦性和运行性能。* 电流型磁通观测器 电流型磁通观测器是基于电机转子的数学模型，由电机的各电流计算出磁通与负载角，在SIMADYN D控制系统中称为电流模型IMO单元。由于同步电机转子励磁电流需要控制，IMO单元对于同步电机磁场定向控制是不可少的，它在低速甚至在电机静止状态也可以计算出磁场定向的信息。 但是，IMO的磁通信息是由电流通过
23、参数计算得到的，由于参数本身的准确性与计算误差使其与实际电机电磁场状态有很大的误差，现代同步电机磁场定向控制系统都采用定子磁通观测器来对IMO的计算偏差进行补偿。* 电压模型磁通观测器由定子电压电流计算出电机的磁通信息，这种定子磁通观测器称为电压型磁通观测器，在SIMADYN D控制系统中为UMO单元。电机在低速运行时，电压模型磁通观测器计算误差较大，因此一般采用电流型磁通观测器，而在转速较高时采用电压型磁通观测器。在SIMADYN D控制系统中有专用模块来切换着两个磁通观测器。* 转子定位系统 定位系统的目的就是确定转子的磁极位置，从而达到磁场定向的目的。转子的位置是由装在电机转子轴上的光电
24、码盘发出的脉冲计数得到的，因此当控制系统重新通电时，为了确定转子位置角度，应进行初始定位。为了消除码盘发出脉冲造成的累计误差，码盘每转360电角度就发出一个同步信号，控制系统收到此同步信号后，将事先由拨码开关预置好的数送入计数器，计数器在此值基础上重新计数，清除了累计误差。由于码盘安装的位置是任意的，预置的计数值只能通过实验的方法来获得。模拟控制系统定位调整采用如下工程方法：通过盘车使电机转子转过360电角度以上，记下此次计数值，再重新进行一次初始定位，再记下此时的计数值，在原来预置数上加上这两次计数之差，定位方法相当麻烦。在本数字控制系统中，定位方法得到极大的简化，电机不需要盘车，接触器合上
25、后励磁建立，进行初始定位，确定转子磁极与定子轴的夹角1，用速度开环方式转电机，磁极转过同步孔时，计算机根据已转过的角度2就能确定同步孔相对于定子A轴的位置3：3=2-13作为同步孔的预置值置入WR2 ，以后电机运行时，转子转过同步孔，将磁极与定子的夹角置成3，这样消除了累计误差。可以将3值置入WR1，以后当控制系统每次送电时都进行上述定位，将得到的3值与WR1比较，当角度误差大于5时，用WR1值作为预置数值，当误差小于5时，用WR2值作为预置数值。这种定位方法大大简化了调试工作，使同步机定位不再成为一件复杂的事情，以后电机维修时，码盘如重新安装，码盘的预置定位很容易就能完成。* 信号输出系统对
26、于全数字，各控制功能和矢量计算都是由软件来实现的，各环节的波形不能象模拟系统那样可用示波器看到，因此调试起来比较麻烦。为了解决这个问题，本系统专门增加了三块模拟量输出模板EA12，有8 个模拟量输出通道。在软件上将控制系统各关键点引出，通过示波器观测这些量的波形，调试和维护很方便。从上述原理出发，按以下原则构成工程调整方法 状态变量的量纲化调整 模型参数调整：根据不同的电机运行状态，确定状态预期值，例如磁链、电流等，校正模型参数。 调速控制系统的工程调整，模型准确的矢量控制系统可以等效为直流调速系统，故直流调速系统的工程调整方法在这里同样适用。4 项目应用情况在淮南矿业（集团）有限责任公司的科学组织、研制单位的积极配合共同努力下，张集煤矿主井提升系统于2001年10月1日顺利完成。国产第一套大型提升机交交变频双机拖动系统在张集煤矿正式投入运行。近两年的运行实
