第九章提升机的电力拖动与控制

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1、第九章 提升机的电力拖动与 控制第一节 概 述提升机对拖动与控制装置的要求 矿井提升机在一次提升循环中的速度和力均是 变化的。加速阶段为保证一定的加速度，力图 中将出现尖峰负荷。等速阶段则要求速度不受 负荷变化的影响。减速阶段为保证一定的减速 度，由于负荷的变化则要求不同的减速方式。 因此，提升机对拖动与控制装置提出以下要求 ： （1）能重载起动，有较高的过负荷能力； （2）调速性能好，且调速精度较高； （3）特性曲线要硬； （4）工作方式转换容易； （5）要设置准确可靠的速度给定装置； （6）要设置行程显示与行程控制器； （7）要设置完善的故障监视装置； （8）要设置可靠的闸控电路； （9）

2、易于实现自动化； （10）投资和运转费用低；二、电力拖动与控制的基本 类型提升机的拖动设备种类 一种是交流绕线型电动机拖动， 另一种是直流它激电动机拖动。 直流拖动的优点是：调速性能好，且与负荷大 小、正负无关；从一种工作方式向另一种工作 方式转换方便；低速特性硬；调速时电能消耗 小以及容易实现自动化等。 但是直流拖动需要一套整流装置，特别是采用 变流机组时，需要增加两个和主电机同等大小 的大型电机。 交流拖动虽然没有上述直流拖动的优点 ，但经过技术不断发展，在交流拖动上 采用了双电机拖动、动力制动、低频制 动和微机拖动等措施之后，交流拖动在 技术性能上基本满足了提升机的要求， 获得了广泛的应

3、用。 目前我国一般在单机1000千瓦以上、双 机21000千瓦以上时，才使用直流拖动 。但是随着电子工业的发展，将使直流 拖动的应用范围有所增加。可以看出今 后在大容量的副井提升和多绳摩擦提升 上，可控硅供电的直流拖动方式将要占 重要地位。提升机的电气控制系统种类 根据提升机对电控系统的要求，提升机的电气 控制方法常见有以下几种。 (1) 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速系 统 这种方案的电动机转速调节是靠改变转子回路 串联的附加电阻来实现的。显然这是有级调速 ，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调 速方案。在加速阶段和低速运行时，大部分能 量（转差能量）以热能的形式消耗掉了，因此 电控系

4、统的运行效率较低。 这种调速方法为在低同步状态下产生制动转矩 ，需采用直流能耗制动（即动力制动），或采 用低频制动。但无论采用何种方式，总需要设 置辅助电源和定子绕组的二次切换操作。 这种调速方法存在着调速性能差、运行效率低 、运行状态的切换死区大及调速不平滑等缺点 。但目前在我国的各种矿山中，这种方法使用 得相当普遍，如与XKT型提升机配套的TKD型 电控系统与JK型提升机相配套的TKD-A型电 控系统等，以后将面临着技术改造的问题。 (2) GM直流可逆调速系统 GM（原称FD）直流可逆调速系统 如图9-1所示。直流电动机的励磁电流是 恒定的，改变直流发电机的输出电压来 改变直流电动机的转

5、速。直流发电机一 般由同步电动机带动的，其输出电压是 靠改变直流发电机的励磁电流的大小来 实现的。直流发电机的励磁电流是通过 电机扩大机GA的励磁实现控制和调节的 。 本方法的特点是可实现无级调速，电动状态与 制动状态的切换是快速平滑的，即能满足平滑 调速的要求，由于采用了速度闭环控制调速精 度也比较高。本系统在起动时的无功冲击小， 且功率因数较高，而且还可向电网提供超前无 功功率，以改善电网的功率因数。但本方法有 一些缺点：运行效率比较低，因为功率变换的 效率是同步电动机和直流发电机两台电机效率 的乘积，通常变流机组的效率只有0.8左右（ 考虑直流发电机组平时不停机）；占地面积大 ；噪声大；

6、维护工作量大；耗费金属量大等。 (3) VM直流可逆调速系统 由晶闸管变流器代替旋转变流器，可以 提高功率变换的运行效率。晶闸管变流 器的 运行效率可达0.95左右。 VM直流可逆调速系统可分为电枢换向 的可逆调速系统（见图9-2a）和磁场换 向 的可逆调速系统（见图9-2b）。图9-2 VM可逆调速系统的两种方案 在电枢换向的可逆调速系统中，励磁电流的大 小和方向是恒定不变的，电动机转 矩的大小和方向是靠改变电枢变流器输出电流 的大小和方向实现的。其特点是转矩的反向快 （由于电枢电流的反向快），需设置正反向两 组电枢整流器，故造价较高。 在磁场换向的可逆调速系统中，电枢电流的方 向是不变的。

7、转矩极性的改变是靠 改变励磁电流的方向实现的。这种方案的特点 是转矩的反向过程即励磁电流的反向过程较长 ，为了缩短反向时间需采取强励措施。另一特 点是电枢变流器只需设置一组，故装置的总体 造价低。 (4) 交流电动机交-交变频调速系统 交流电动机交-交变频调速系统首先是交-交变 频器同步电动机系统投入运行，然后是交- 交变频器笼型异步电动机系统投入运行，而 且实现了多微机全数字控制。这些系统都是具 有优良的控制性能、运行效率高、GD2小和维 护工作量少等优点，特别适用于大容量、低转 速的矿井提升机上。目前传动功率已经可以达 到50008000kW。将同步电动机转子外装的 摩擦式提升机的滚筒合为

8、一体的机电一体化方 案具有体积更小、重量更轻的优点，可以明显 地降低投资费用，成为低速大容量矿井提升机 传动的发展方向。 由于矿井提升机运行中要求电动机有时 工作在电动状态，有时工作在制动状态 ，并且负载变化较大，故比较适合采用 电源自然换相的交-交直接变频调速系统 ，其主电路原理图如图9-3所示。图9-3 交-交直接变频调速系统主电路原理图 交-交直接变频器由三组可逆整流器组成 ，其三相移相信号为一组频率与幅值可 调的三相正弦信号，则变频器输出相应 的频率、幅值可变的三相交流电压，给 三相同步电动机或异步电动机供电，实 现变频调速。 综上所述，结合我国矿山实际，目前大 部分矿山仍采用交流异步

9、电动机的拖动 ，所以本章主要以交流异步电机采用转 子回路串附加金属电阻的电控方式进行 分析。采用的控制设备常见有两种产品 ：供JK型系列提升机使用的TKD-A型电 控系统；配合JKM型多绳提升机使用的 JKMK/J-A型电控系统。该两种电控系统 均具有较完善的转换、检测和控制装置 ，均系有级调速。第二节 提升机主要工作环节的 控制原理 单绳缠绕式提升机，广泛采用交流绕线式电动 机拖动。其提升过程包括：起动、加速、等速 、减速和爬行、停车等几个主要工作环节。如 果这些环节的实现是依靠司机手动操作，称为 手动控制系统。如果这些环节的主要部分是自 动进行，而个别环节需要司机参与，称为半自 动控制。这

10、种控制系统使用很广，并且已列为 标准线路，成套供应用户。还有全部环节不需 要司机控制，而按一定的程序自动完成提升循 环的，称为自动化控制系统。 提升机在不同的环节上工作，实质上是 电动机的调速问题，因为交流异步电动 机的转速为： 电动机定子绕组所加的电网频率 ； 电动机的磁极对数； 转差率。 则调节异步电动机的转 速，最基本的方法有三种，即：（1）改 变电机的磁极对数（变极调速）p；（2 ）改变转差率s；（3）改变供电电源的 频率（变频调速）f1。 其中，改变磁极对数一般适用于笼型电 动机。改变转差率的调速方法常用有： 改变定子电压、转子回路串电阻、转子 回路引入外加电势（串级调速）等。变 频

11、调速是性能较好的交流调速方法。由 于转子回路串电阻的调速方法设备简单 ，并且加速与减速可合用一套电阻，所 以交流拖动的提升机广泛采用这种电气 调速方法。一、提升机的起动与加速 当电动机与电网接通后，由于这时全部电阻串接在转 子回路内，形成如图9-4所示的特性曲线RyI，此时起 动转矩一般为电动机额定力矩Me的0.30.4倍，且小 于其静阻力矩M j，故仅能使提升钢丝绳张紧，并消除 减速器的齿间隙。在RyI特性上经过少许停留后（约 为0.75秒），司机即切除第一段电阻RyI，使电动机转 入特性曲线RyII上运转，在图9-4中，即由a点转换到 点。这时拖动力矩M yII大于静阻力矩M J，电动机便

12、 沿着RyII特性曲线由点加速到点，这相当于箕斗沿卸 载曲轨运行的时间，如果此后不加任何控制，电机会 沿RyII特性曲线继续加速到x点，该点电机出力与静阻 力相等，提升机便以此低速匀速运行,这显然是不合理 的。 图9-4 绕线型电动机的特性 曲线 为了使提升机能达到稳定工作点P，当电动机运行到 时，司机必须及时切除一段电阻RyII，使电动机转入 到特性曲线R1上运行。同理当电机在R1上由A点运行 到B点时必须再及时切除一段电阻R1，工作点由B又 跳到C点，如此继续下去，电动机便可按照设计的主 加速度达到拖动力矩与静阻力矩相等的稳定运行点P 。这时提升容器的速度为最大提升速度Vm，提升机 开始等

13、速运行。等速运行阶段提升机不需任何控制。 由图9-4看出，为了使起动平稳，得到一个固定的平均 加速度，应使电动机各条特性的峰值力矩M1和切换力 矩M 2都相等，要想达到这一要求，必须正确的配置 转子电阻，并需适当的加以控制。 目前，转子回路串附加电阻在起动加速阶段 的控制方法有三种：1按时间原则控制；2按电 流原则控制；3以电流和时间混合原则控制。 如果单纯用时间控制是用时间继电器作为控制 元件，整个加速阶段的总时间一定，但提升设 备的实际提升负荷量是变化的，当提升负荷量 超过设计值时，由图9-5可看出，第一条特性 曲线的切换点将由正常的B点变为点，在其它 各条件特性曲线上也发生类似现象。由于

14、起动 力矩的上下限随负荷大小而变化，负荷过重时 有造成油开关跳闸的可能。图9-5 单纯用时间或电流控制的 原理图 图9-6 以电流为主附加延时的控 制原理图 如果单纯用电流原则控制时，能够避免上述缺 点，它是只在电动机电流下降到某一定值时， 才能切除一段电阻，因此电动机的平均起动力 矩是一定的，不会产生过流现象。但是当负荷 过小时，由图9-5可看出，有可能使加速度过 大，不够安全。 为了在一定范围内适应负荷变化，同时满足力 矩上下限和时间变化均不太大的要求，尽量克 服上述两种方法的缺点，目前提升机的电控系 统中多数采用以电流为主附加延时的混合控制 原则进行控制。 所谓以电流为主时间为辅的控制方

15、法，即电流 控制附加一定时限来控制电阻的自动切除。其 控制原理如图9-6所示。每级电阻靠电流继电 器在M s时释放后再经过一段延时才能切除。 延时的时限一般占总时限的25%左右。无论负 荷变化与否，电流继电器的释放值均不变。例 如当负荷变重时，由于电流继电器仍在M s时 释放，故B点虽稍离正常切换点B，但差值甚 小，以后各级情况类似。电机将沿 ABCDE加速，使起动电流的上下限和起 动时间均变化不大，改善了单纯按时间或单纯 按电流控制的缺点，可以得到比较满意的控制 效果。二、提升机的减速 提升容器出井前，提升机必须减速。减速方式 有以下几种。1、电动机减速方式 当减速阶段提升系统的惯性力小于提

16、升静阻力 时，提升电动机必须出力。此时司机根据速度 的要求，依次向电机转子回路加入电阻，其减 速过程按图9-4中的折线P、1、2、3、4、 .14、15等进行，此时电动机在各级特性 上的电磁性力矩小于静阻力矩M j，故提升机 系统作减速运动。2、自由滑行减速方式 当提升系统的惯性力等于提升静阻力时 ，在减速阶段电机不用出力，依靠惯性 力来克服静阻力。减速阶段一开始，即 把电机的交流电源切除，此时电机的转 矩M=0，电机在提升系统静阻力作用下 ，其速度沿纵座标从V m下降，这种减 速方式不需要其它设备，经济且简单， 因此使用最多。3、机械制动减速方式 当提升机系统惯性力大于提升静阻力时 ，必须把多余的惯性消耗于制动器上。 当减速开始后，立即把电机的交流电源 切除，同时制动器参与控制。这时