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1、,第四章 矿井排水设备的电气控制,第四章 矿井排水设备的电气控制,学习要求 1. 一般掌握：排水设备电动机的选择 2. 熟练掌握：排水设备电气控制,第一节矿井排水设备概述,一、主排水系统的组成 矿井排水设备的任务就是将矿井水及时地排至地面，确保井下工作人员的人身安全、设备安全和矿井的安全生产。 矿井主排水系统一般由主水泵、电动机、启动设备、管路及管路附件、仪表等组成，如图41所示。,第一节矿井排水设备概述,第一节矿井排水设备概述,二、主排水泵的电力拖动特点 排水设备的主要任务是及时、迅速地排除矿井涌水，以确保矿井安全。对于涌水量较大的矿井，常需要多台大流量水泵同时工作，形成矿山生产的主要用电设
2、备，因此要求排水设备的电力拖动系统应做到运转安全、工作可靠、技术合理、运行经济。 排水设备的拖动电动机属长时恒载工作方式，对调速无特殊要求，也不作频繁启动，而且启动后负载比较稳定，因而排水设备多采用鼠笼型电动机拖动。当电动机容量较小时，可采用直接启动控制；当电动机容量较大时，通常采用电抗器或自耦变压器降压启动方式或采用软启动方式控制。若电网容量较小，不能采用笼型电动机时，也可采用绕线式电动机拖动。,第一节矿井排水设备概述,三、主排水设备供电要求 主排水设备的供配电设备应同工作、备用和检修水泵相适应，并能同时开动工作和备用水泵。主排水泵房的供电线路不得少于两趟。当一路停止供电时，另一路应能担负起
3、全部负荷的供电。,第二节排水设备电动机的选择,一、电动机型式的确定 根据离心式水泵的机械特性，鼠笼型异步电动机完全能够满足要求，而且效率高、价格便宜，应首先考虑选用。也有采用绕线型异步电动机的，此时应经经济技术对比后确定。Y系列三相异步电动机是供一般用途的全封闭自扇冷式鼠笼型异步电动机，具有效率高、性能好、噪声低、振动小、体积小、重量轻、运行可靠、维修方便等优点。功率等级与安装尺寸关系符合国际通用标准，是国家推广使用的换代产品。,第二节排水设备电动机的选择,二、电动机的转速一转矩特性 异步电动机驱动中、小型离心泵，关阀启动和正常运行均无问题。但当启动大型离心泵或者泵需输送不同密度的液体以及有可
4、能存在短时过载时，则有必要对比泵与电动机的转速一转矩特性并进行分析计算。,第二节排水设备电动机的选择,三相鼠笼式异步电动机和负载(泵负载)的转速一转矩特性曲线。图中斜线部分即为负载ML1时的加速转矩。它用于克服泵机组的惯性以提高转速。电机与负载转矩的交点若在电动机最大转矩(转矩曲线最高点)点以右部分(如d1、d2)，则机组能稳定运行，否则是不稳定的。,第二节排水设备电动机的选择,三、电动机的功率 排水设备拖动电动机的功率按下式计算 式中 K电动机功率备用系数，一般取1.11.5； 矿水相对密度，Nm。； 、 Q水泵在最高效率点运行时的额定流量，m3s； H水泵在最高效率点运行时的额定扬程，m；
5、 -水泵的最高效率。,第二节排水设备电动机的选择,在确定电动机的功率时，还需注意以下几点： 对大型离心泵用的电动机，除功率满足需要外，还必须注意负载及电动机的转矩特性，校验电动机启动时间。 水泵若在串联或并联运行系统中，有时又需单独运行时，因离心泵单独运行时功率比其加入并联运行时的大，而比其加入串联运行时的小，因此要注意电机功率是否都能满足要求。,第二节排水设备电动机的选择,四、电压等级的选择 高压一般为6 kV或3 kV，低压为660 V或380 V。 五、每年排水电耗的计算 每年排水电耗可按以下经验公式计算 式中W水泵年耗电能，kwh； 电动机效率； 电网效率，一般取0.95； Q水泵在工
6、况点的流量，m3h； ZN、Zm分别为正常涌水期和最大涌水期的天数，一般ZN取305 d，Zm取60 d，或 按照矿井的具体情况而定； NN、Nm。分别为正常涌水期和最大涌水期开泵台数； TN、Tm分别为正常涌水期和最大涌水期每台泵一昼夜工作小时数。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,一、排水设备的软启动电控设备 随着电力电子器件参数性能的提高，使用电力电子器件构成的软启动电控设备的故障率大大降低，甚至比传统的电控设备故障率还低，基本做到免维护运行。因此，软启动电控设备已经成为大、中型电动机启动的主流设备。在电网容量小、电动机功率较大时或需要软启动的场合，应首选软启动电控设备。,第三节 排水
7、设备的电气控制设备选择,(一)工作原理 软启动器控制是将电力电子技术与自动控制技术相结合的设备，主电路与控制电路的相互关系如图43所示，主电路用三组反向并联可控硅串接于供电电源与被控电动机之间。 设备启动时，由电子控制电路控制可控硅的导通角，使加在电动机端的电压由低到高逐渐升高，电动机转速随之逐渐升高，直至达到额定转速，实现电动机的软启动。设备停机时，则控制可控硅的关断速度，使电动机的端电压由全电压逐渐下降至零，实现软停车。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(二)软启动的优点 异步电动机在直接启动时，施加额定电压，启动电流将达到(57)IN，这样大的电流将会给供电系统造成很大冲击，所以除小
8、容量电机外。一般都采取不同启动方式以降低电动机的启动电流，传统的方式有Y一启动、串电抗器启动、自耦变压器启动、延边三角形启动等。传统启动方式在电动机启动过程中都有一个线圈电压切换的过程，因而对电网存在“二次冲击”，软启动设备控制则不存在该现象，如图44所示。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(三)软启动的类型 (1)不限流软启动：不限流软启动特性曲线，启动时，使启动电流以一定斜率不断上升，直至启动完毕，期间对启动电流不加任何限制。适应场合：重载启动。 (2)阶跃恒流启动。启动一开始在极短的时间里，使晶闸管接近于全导通，然后恢复至极小导通角，进行正常的恒流软启动。适应场合：启动时静摩擦力矩较
9、大的场合。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(3)小斜率软启动：这种启动的特点是电流上升速率缓慢，dI/dt变化率小。适应场合：对电机转矩、速度变化敏感的场合，如小张力绕线机构。 (4)恒流软启动。启动时，电流以一定的斜率上升至设定值，其后维持恒定，直至启动结束。适应场合：绝大多数应用场合。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(四)停车 停机时，控制晶闸管导通角 以一定的斜率减小，使电机端 电压逐渐下降至零，减缓电机 停车时对机械负载的冲击，下 降斜率无级可调特性曲线见图 47，还可根据需要引入电流 负反馈。目前比较常见的软停 车时间范围为060s,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(
10、五)软启动器的应用 (1)将断路器、软启动器、旁路接触器和控制电路组成电动机控制中心(MCC)，这是目前最流行的、推广最多的做法，原理见图48。其特点：在启动和停车阶段，晶闸管投入工作，实现软启动、停车。启动结束，旁路接触器合闸，将晶闸管短接，电机接受全电压，投入正常运行。此种组合的优点是运行期间。电机直接与电网相连，无谐波；旁路接触器还可以作为一种备用手段，紧急关头或晶闸管故障时，使电机投入直接启动，增加运行的可靠性。应用场合：绝大多数工况适用。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(2)软停车在泵类负载系统中，例如高扬程水泵、大型泵站、污水泵站，电动机直接停车时，在有压管路中，由于流体的运
11、动速度发生急剧变化，引起动量急剧变化，管路中出现水击现象，对管道、阀门与泵形成很大的冲击，即“水锤”效应，严重时，会对大楼产生很大的震撼与巨响，甚至造成管道与阀门的损坏。 采用软停车，停车时软启动器由大到小逐渐减小晶闸管的导通角，使被控电机的端电压缓缓下降，电机转速有一个逐渐降低的过程，这样就避免管路里流体动量的急剧变化，抑制“水锤”效应。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(3)正反转无触点电子开关。软启动器串接于供电电源与被控电机之间，当晶闸管全导通时，电机得到全电压，晶闸管关断时，电机被切断电源，其作用类似于一个无触点电子开关。如果再增加二组反并联晶闸管，组成如图49所示的电路，当A1
12、、B、C2三组晶闸管投入运行时，三相电源L1、L2、L3与电机的U、V、w端相连，电机顺时针旋转。那么当A2、B、C1三组晶闸管投入运行时，由于电机输入反相序电源而逆时针旋转交替地使上述二套晶闸管配置投人运行，即可实现被控电机的正反转运行，由于不使用接触器切换电源，故设备可靠性很高。应用场合：需要频繁正反转的金属型材轧制机构。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(4)软启动器与PC结合组成复合功能。以一台PC程控器与两台或多台软启动器组合，可完成一用一备或两用一备，甚至多用多备的方案，与PC结合，可同时实现软启动、软停车，一用一备，与中央控制室组成遥控监视系统。 在许多大型排水系统中，平时排
13、水量不大，仅要求少量排水泵投入运行，有时则要求根据水位，逐级增加投入的水泵，直至全部水泵投入运行；反之，则要求逐级减少运行的水泵数量。 其结合的方案有二种：,第三节 排水设备的电气控制设备选择,第三节 排水设备的电气控制设备选择,其一如图410所示。该方案采用一台PC控制一台软启动器，软启动器始终与一台电机相连。当需要时，PC控制首先启动电机M1，启动结束，合上旁路接触器KM10，使电机直接与电网相连，然后通过接触器KM11使软启动器与该电机分离，与下一电机相连，由PC控制启动下一台电机M2。此方法可以根据上、下水位逐一启动各台电机，停机时，除与软启动器相连的电机可以实现软停车外，其余电机都是
14、直接停车。 该方案的优点：一次投资省，控制柜结构紧凑。缺点：一旦软启动器故障，会影响到全部电机的启动与运行。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,其二如图411所示。该方案每一台电机均配一台软启动器，由PC程控器根据水位或其他控制量依次逐一启动各台电机，直至全部投入运行；反之，则逐一关闭各台电机。 该方案优点：可靠性比前一方案高，即使有一台软启动器故障，也不会影响其他电机的运行，如果PC程控器发生故障，不能进入自控状态，那么采用柜前手动操作的方式，照样可使各台电机投入工作。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,(六)与变频控制器的比较 软启动器与变频控制器均使用晶闸管模块作为执行器件。成本上变
15、频器要比软启动器高，变频器由于可以无级调速，目前在需要调速的场合已取代原先直流电机占据的位置例如目前大力推广的生活住宅恒压供水系统，就使用变频器。 但是在某些工况下变频器也有弱点。目前的变频器，无论是交-直-交还是交-交变频，在工作过程中，始终产生谐波，为减轻对电网的污染，必须增加滤波措施。其次，变频器的输出，与电网电源已经不是同相同序的关系，因此变频器尚未与电机分离前，不能先合上旁路接触器，必须先将变频器与电机断开，再合上旁路接触器，否则会烧毁变频器的执行器件，这样电机短时间内会经历全电压一断电一全电压的再启动过程，对转速稳定性要求较高的场合，显然不能使用这样的方案。,第三节 排水设备的电气
16、控制设备选择,软启动器的成本比变频器低一些，它仅在启动与停车时投入运行，启动结束，合上旁路接触器，电机直接接受电网电压，因而运行期间不存在谐波的问题。其次，启动结束，晶闸管全导通，相当于一个电子开关合闸，导通电阻极小，两端的压降在12 V之间，因而并联的接触器由于同相同序，合闸没有问题，电机不存在瞬间断电的问题。另外，如果遇到负载过重，需强行启动，而原设定电流不够大时，通过提前使旁路接触器合闸，让电机得到全电压，可以确保顺利启动。 由此可以看到变频器、软启动器各有自己的优缺点，在需要调速的场合，宜优先考虑变频器，而且其节能效果显著，在对调速无要求或要求不高的场合，可以考虑用软启动器。,第三节 排水设备的电气控制设备选择,第三节 排水设备的电气控制设备选择,第三节 排水设备的电气控制设备选择,两种产品具有以下的功能和特点： (1)降低机械冲击：消除设备在启动和停车过程中对系统的
