第八章-矿井提升机的拖动与控制课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第八章 矿井提升机的拖动与控制,第一节 拖动装置的种类及性能,提升机的拖动装置共有两种：交流拖动装置和直流拖动装置。,目前我国广泛采用的是交流拖动装置。交流拖动装置优点：系统比较简单、设备价格较低和使用经验比较成熟等。,直流拖动装置与交流拖动装置相比较的主要优点是：调速时无附加电能损失，低速调速性能好，易于实现自动化。,目前由于换向器容量的影响,交流单机拖动装置的容量限制在,1000kW,以下。矿井提升机所需功率超过,1000kW,时，若仍想采用交流拖动装置，可以使用双机拖动。,若提升机所需拖动装置的容量超过,1000kW,，应尽量采用直流拖动装置。,第二节 提升电动机容量的计算和电动机选择,从提升系统的速度图、力图可以看出，一个提升循环,T,中，速度,u,及拖动力,F,都是变化的，这时，显然不能只根据某一阶段的速度和负载选择电动机。选择电动机容量的依据是电机线圈的发热量。若电动机以变速度和变力矩运转时产生的热量与此电动机以额定转速和固定力矩运转时产生的热量相等，就可以根据该固定力矩和额定转速来计算和选择电动机的容量，通常称此固定力矩为等效力矩。,已知电机产生的热量,Q,为：,式中：,Q,为电机线圈产生的热量，,J,；,I,为通过的电流，,A,；,T,为一次提升时间，,s,；,k,1,为比例常数。,可以认为，电动机的拖动力矩,M,与电流,I,成正比：,式中：,k,2,为比例常数。,（,8-1,）,（,8-2,）,已知电动机拖动力矩,M,与卷筒圆周拖动力,F,的关系式为：,式中：,R,为卷筒半径；,F,为卷筒圆周拖动力；,i,为减速器传动比；,j,为减速器传动效率。,合并式,(8,1),，,(8,2),及,(8,3),，可得,:,（,8-3,）,（,8-4,）,注意：式,(8-4),中,F,为变化的拖动力。式,(8-4),的物理意义是电动机以变化力矩和变化速度运转时线圈的发热量。,当上述电动机以固定等效力矩、额定转速运转，电动机仍产生热量,Q,时，与式,(8-4),相,仿，可写出下式,:,式中：,F,d,为卷筒圆周的等效力；,T,d,为一个提升循环的等效时间。,（,8-5,）,若无特殊通风设备，由于电动机在低速和休止时间内散热不良，式,(8-5),中的等效时间,T,d,就不等于一次运转时间,T,，而应按下式计算：,式中：,为电机低速转动时，散热不良系数，取,0.5,；,为电机休止时间散热不良系数，取,1/3,。,令式,(8-4),与式,(8-5),相等，求出等效力,F,d,：,（,8-7,）,（,8-6,）,由上式也能进一步理解,T,d,的物理意义；由于电机散热不良，适当增大了,F,d,值，从而适当增大了电动机的容量。,式,(8-7),中 一项决定于拖动力,F,的变化规律。由力图已知，拖动力是不连续的曲线，因此，要分段积分。,现以无尾绳提升系统等速阶段为例，研究,计算方法。,由图,8-1,给出了上述提升系统,t,2,阶段拖动力,F=(f),的变化规律。由于拖动力,F,与时间,t,成线性关系，故任意瞬间拖动力,F,可表示为：,式中：,F,2,为,t,2,阶段开始时的拖动力；,F,2,为,t,2,终了时的拖动力；,t,2,为等速阶段运转时间；,t,为与,F,相适应的时间。,(8-8),可如下计算：,在第五章巳分析过，提升过程中，一些阶段例如,t,2 ,t,3,等，,F,与,t,是非线性关系。但因曲度甚小，可近似看成直线。因此式,(8,9),对提升各阶段均是适用的。,（,8-9,）,若某些阶段，运行时间甚短，这时，该阶段开始与终了时的拖动力差值很小。为简化计算，这些阶段的 依照式,(11,9),可近似改为 的形式。,对于采用等加、减速度的罐笼提升设备，,项可用下式计算：,（,8,10,）,对于采用等加、减速度的箕斗提升设备， 项可用下式计算：,（,8-11,）,在利用式,(8,10),，,(8,11),时，,要特别注意,t,3,t,4,及,t,5,等阶段的减速方式及控制方式,。若某些阶段拖动力为负值，如采用机械制动时，必先将电动机自电网断开，然后加闸。这时电机中无电流，不产生热量，相应阶段的拖动力则不应计入式中，自由滑行减速方式情况相同。若这些阶段拖动力虽然为负，但采用电气制动方式时，因线圈中仍流过电流，仍有热量产生，相应阶段的拖动力就应计入公式中。,若在,爬行,阶段采用,微机拖动,，主电机已自电网断开，相应拖动力,不计入,公式中。对于罐笼下放荷载的情况，等速阶段,(,也可能包括加速阶段,),拖动力即为负值,，这时多,采用,发电制动,的控制方法。这时，相应阶段的拖动力也,应计入,公式内。,电动机的等效功率,P,d,应按下式计算：,式中：,M,i,为电动机的等效力矩，,N,m,；,e,为电动机的额定角速度，,rad/s,（,8-12,）,仿照式,(8-3),，得出：,在第五章已研究过提升系统标准速度,v,m,与电动机额定转数,n,e,的关系。现考虑到,n,e,与,e,的关系后，可求出,v,m,与,e,的关系式：,将式,(8-13),，,(8-14),代人式,(8-12),，得出,P,d,为：,（,8-15,）,（,8-13,）,（,8-14,）,计算出电动机等效功率,P,d,后，应根据下面三个条件验算前面计算变位质量,m,而预选的电动机容量,P,e,。,(1),按电动机发热量验算：,(2),验算正常运行时，电动机过负荷能力：,式中：,F,max,为力图中最大拖动力，,N,；,为电动机的过负荷系数；,F,e,为预选电动机作用在卷筒圆周的额定力。,（,8-16,）,（,8-17,）,(3),验算特殊情况运转时，电动机的过负荷能力：,式中：,F,t,为作用在卷筒圆周上的特殊力。在下列情况下产生：,采用罐座的罐笼提升设备，当空罐位于井底罐座上，向上稍提起井口重罐时，,两侧容器自重不能相互抵消，此时,F,t,为：,（,8-19,）,（,8-20,）,更换水平或调节绳长需打开离合机构作单钩提升时,，此时,:,由于,F,t,不像,F,max,那样在每一提升循环内必须发生，又考虑到特殊作业时速度、加速度均可大大降低，所以将式,(8-19),中的过载能力放宽到,0.9,。,（,8-21,）,若预选电动机容量不能完全满足上述三个条件，则应重选容量较大的电动机，查出其回转力矩,GD,2,，重新计算变位质量,m,及各点拖动力，计算等效力,F,d,直至满足条件为止。,如果仅仅是条件,(3),的项不满足，可以采用摇台来代替罐座。,第三节 交流拖动提升设备耗电量及效率的计算,以箕斗提升系统为例，说明耗电量及效率的计算方法。,设箕斗采用等加、减速度的六阶段速度图，不带尾绳且减速阶段,t,3,采用自由滑行减速方式。因停车阶段,t,5,时间甚短，故略去不计。,上述和箕斗提升系统卷筒轴上所需功率,P,应为：,（,8-22,）,图,8-2,中折线,oabcdefghi,代表上述,P,的变化规律。,考虑减速器的传动效率电动机轴上输出的功率,P,应为：,（,8-23,）,图,8-2,中的折线,oa,，,b,，,c,，,d,，,fgh,，,i,，代表了,P,的变化规律。,图,8-2,中,P,，,P,两折线所夹面积反映的是减速器损失。,交流感应电动机的特点是，无论转子实际转速如何，定子磁场必定以同步转速旋转，所以交流感应电动机从电网所需要的功率,P,c,应为：,式中：,d,为电动机本身的效率。,（,8-24,）,一次提升的电耗,W,可如下计算：,对于类似,图,8-2,所示类型的箕斗提升系统，式,(8-25),中 项可按下式计算,（,8-25,）,（,8-26,）,提升设备还设有拖动制动油泵、润滑油泵的辅助电动机及其他电器控制元件。这些辅助设备的耗电量以,W,的,0.02,估算。所以提升设备一次提升总电耗,W,应为：,一次提升有益功为,QH,，故有益电耗,W,y,为：,（,8-28,）,（,8-27,）,提升设备效率为：,至于副井罐笼提升设备，应根据不同作业时的速度图、力图分别计算电耗。,（,8-29,）,第四节 交流感应电动机的控制,为了得到设计的速度,(,也称给定速度,),和拖动力，必须对提升机进行必要的控制。为了保护提升机安全运转，还必须设置一系列的保护装置。提升机采用了大量的电气保护和控制元件，相应的电气控制线路，若与矿井其他固定设备相比较，要复杂得多。目前我国生产的提升机电控制设备均已标准化。,一、绕线型感应电动机各阶段的控制原理,以罐笼为例，分析各阶段电动机的控制原理。,(,一,),加速阶段,加速阶段电动机的控制原理可用,图,8-3,所示的方框图来说明。,电动机加速前，转子内串接全部附加电阻。若欲使提升机正转，司机可将电动机操纵手柄自中性位置迅速推向前方极端位置，这时主令控制器的全部触头均闭合。利用已按给定速度图、力图整定好的一系列继电器，配合接触器共同控制着附加电阻。当附加电阻逐段适时地被切除时，电动机转速逐渐上升。经加速时间后，附加电阻全部被切除，电动机获得了额定转速。,为了更为清楚地说明正常情况下的加速控制过程，可以利用电动机的特性曲线来进行分析。图,8-4,给出了交流绕线感应电动机转子附加五段电阻时的特性曲线。,图,8-4,中的横轴代表电动机力矩,M,，而,M,与卷筒圆周拖动力,F,成正比，纵轴代表电动,机转数,n,，而,n,与卷筒圆周速度,v,成正比。,电动机的自然特性曲线如,图,8-4,所示，特性曲线有稳定部分和不稳定部分。为了能够在稳定部分运转，加速时，转子可串接附加电阻。串接电阻愈大时，特性,曲线愈软。,提升开始后，由于五段附加电阻全部串接在转子回路内，电动机形成人工特性曲线,R,1,。由于,R,1,曲线所形成的拖动力矩尚小于提升至开始时的静阻力矩,M,j,故提升机无法加速。切除一段电阻后，电动机转入第二条特性曲线,R,2,上运转。这时的拖动力矩,M,11,M,j,，电动机开始加速。随着,n,的升高，,M,逐渐减小。为了产生给定的加速度,a,1,必须在,M=M,12,时继续切除一段电阻，电动机将沿特性曲线,R,3,运转。如此重复，直至切除全部电阻，电动机转入自然特性曲线,R,z,：运转为止。这个自动加速过程如,图,8-4,中折线,abcdefghijkl,所示。图中,1,点的转速，近似等于电机转速,n,c,。,(,二,),等速阶段,等速阶段在电动机的自然特性曲线,m,点运转，相应的转速为,n,e,由于,R,z,特性曲线硬，近于水平线,即或静阻力矩,M,j,，稍有变化，转速也仍十分接近,n,e,.,等速阶段无需任何控制。,(,三,),减速阶段,减速阶段的控制方法与采用的减速方式有关。,1,电动机减速方式,与加速阶段控制方法相仿，司机适时地将电动机操纵手柄逐渐移回至中性位置，各段附加电阻逐级串入。工作过程如,图,8-4,中的,nopqrstuv,折线所示。,2,机械制动减速方式,与采用自由滑行减速方式的控制方法有些相同。减速开始后，应迅速将电动机操纵手柄移至中性位置。为了防止意外事故，另外有减速开关。若司机未能及时移动手柄，减速开关可自动将电动机自电网断开。,与采用自由滑行减速方式的不同点，在于电动机断电后应及时对提升机施以适当的制动力矩。,采用机械制动的制动过程如,图,8-5,所示。,若司机将工作制动手柄后移，通过自整角机，将工作制动手柄的角位移量。转化为电信号。经磁放大器进行综合、放大后，电信号被输送至电液调压装置中。电液调压装置将根据输入信号的大小，使制动器产生相应的制动力矩,M,z,；,(,详见第三章,),。制动力矩的大小决定于司机移动制动手柄的角度。常称这种控制方式为手动参与，属于开环控制系统。,3,动力制动减速方式,动力制动的物理概念：,交流电动机与电源断开后，将其中两相改接直流电。这时，电动机的定子不再产生旋转磁场而是形成一个静止的磁场，磁场方向如,图,8-6,所示。减速阶段，由于惯性力的作用，电动机转子以顺时针方向在上述磁场内旋转，从,图,8-6,所示的情况可以看出，这时转子导体内必有感应电流。电流方向如图所示，转子电流与磁场相互作用的结果，必然形戚制动力矩,M,j,，其制动力以,F,z,表示。正因为制动力矩的方向与转子旋转方向相反。因此，提升电动机将逐渐减速直至停止。,电动机处于动力制动状态运行时，经理论研究证明，特性曲线应处于,M,n,曲线图中的第二象限，如,图,8-4,所示。减速阶段开始后附加电阻全部接人，然后利用整定好的继电器，再将附加电阻逐级切除，其工作过程如,图,8-4,中的,12345,等线段所示。目前标准电控设备均采用带反馈的动力制动闭环控制系统，制动力矩的大小决定于实际速度和给定速度的偏差值。,采用动力制动减速方式时，附加电阻将增大，增大电能损失。故常称动力制动为能耗制动。,图,8-4,中的,n,4,是与爬行速度相对应的电动机转速。一般来说，爬行阶段的拖动力矩,M,4,都不很大。但是，专为验绳设计的第一条人工特性曲线，其点相应的拖动力矩很小，往往小于,M,4,而特性曲线上与,n,4,相对应的拖动力矩往往又大于,M,h,，为此，只能轮流交替使用,R,1,，,R,2,两条特性曲线，时而减速，时而加速，使其平均力矩与,M,4,相当，平均速度与,v,4,相当。我们称这种控制方式为,脉动控制,。,脉动控制是很不理想的，不仅增加了电能损失，,而且使控制复杂化。但采用脉动控制时，无需增添任何设备。,效果良好且控制简便的方案是采用微机拖动，其工作原理如,图,8-7,所示。,图,8-7,微机拖动工作原理示意图,1-,提升机的卷筒；,2,主减速器；,3,提升电动机；,4,气囊离,合,器；,5,微拖减速器；,6,微拖电动机,爬行阶段开始后，提升电动机,3,自电网断开。连接气囊离合器,4,，并起动微拖电动机,6,。正确选用微拖减速器,5,的速比和微拖电动机的额定转速，可以在提升机卷筒,1,的圆周处获得近于,O.5m/s,的速率。由于工作在微拖电动机的自然特性曲线上，爬行速度十分稳定。微拖电动机容量不大，约为提升电动机容量的,5,。,二、提升机的保护,为了防止提升机发生过速、过卷等意外事故，采用了不少保护设备。将保护设备有机地联系在一起，形成了电控装置中的重要控制回路：安全回路。,现以多绳摩擦提升机采用安全回路为例，分析安全回路的保护作用。安全回路如,图,8-8,所示。,图,8,8,有关提升安全保护电路示意图,安全回路中串有很多保护设备的触头，提升机工作不正常时，相应触头断开，安全接触器线圈,AC,失电。这时，将发生下列情况：,(1),电动机正反转回路中的,AC,常开触头断开,(,见,图,8-8,),，电动机正向,(,或反向,),接触器,ZC(,或,FC),先电，电动机自电网断开,(,图,8-8,),；,(2),由,图,8-8,可以看出，由于,AC,触头断开，安全制动电磁铁回路中的电磁铁,3G,失电，因而产生安全制动。,