双线式提升机安全保护系统

模块一矿山机械电气控制能力基础知识要点◆矿山机械的原理◆矿山机械自动控制的基本原则知识要点◆矿山机械的原理◆矿山机械自动控制的基本原则技能目标◆能说出煤矿机械的分类、特点；◆能说出煤矿机械对自动控制的要求；◆能对具体煤矿机械自动控制进行分析；任务描述任务描述在现代化矿井建设中，凡要求较高的场合，都离不开自动控制。矿山机械的自动控制主要包括其电力拖动电动机的起动、调速、制动、停止、反转等过程的控制。本次任务通过对矿山机械的自动控制原理、自动控制的基本原则的学习，掌握对具体煤矿机械自动控制进行阅读与分析。任务分析任务分析要达到本次任务的目标要求，就必须掌握矿山机械的自动控制原理、自动控制的基本原则，以及对煤矿机械自动控制原理图进行阅读、分析的方法与步骤。知识准备知识准备一、矿山机械的分类及其对自动控制的要求1．矿山机械的分类矿山机械设备的种类很多，按工作性质可分为固定机械设备和移动机械设备两大类。固定机械设备包括通风、压气、排水和提升设备。移动机械设备包括电机车、综采机组、链板及胶带输送机、装载机等。从拖动电动机的容量和用电量方面来看，矿山固定机械所占比重较大。其中提升机拖动电动机和压气、通风机拖动电动机的容量多超过1000kW，国外提升拖动电动机和压气拖动电动机的容量达到10000kW以上，国内提升拖动电动机的容量也达到4000～5000kW。从耗电量分析，有的矿井以通风设备耗电为主，但有的矿则以排水设备耗电为主，视当地地质条件和矿井情况而异。在国外，压风设备电耗占全矿电耗的25％；金属矿可达75％。从机械的功能来说，通风机是为矿井通风安全服务的，特别在沼气矿井中，风量不足会引起沼气积聚乃至发生沼气爆炸；排水是为了防止矿井水淹，保证安全生产条件和设备安全；而压气机的作用，则是为风动工具的提供动力，其重要性视矿井瓦斯条件和采用的掘进、回采工艺而定。移动机械设备是为采掘和运输服务。综采机组开采出来的煤炭或矿石，通过链板输送机、胶带输送机和电机车运送到井底车场，再通过提升机或大胶带输送机提升到地面。从电力拖动及控制系统的复杂性来说，提升设备的要求最高；因为提升机的起动、停止及稳定运行需要严格按照提升速度图运行。因此需要应用自动控制原理的各项原则和方法。由于提升高度、提升机和提升容器（箕斗或罐笼）的类型、工作水平的数目及其相互的距离变化使提升机的工作方式的复杂性很突出，因而设计提升机的自动控制系统也比较困难。另外，由于负载（煤）的情况因煤质和含水量不同变化范围很大，也给自动控制系统带来一系列的问题。通风机在我国以采用离心式和轴流式扇风机为多，拖动方式通常采用不调速的同步电动机或异步电动机，其控制系统比较简单。但是如果要实现通风系统的闭环调节，则有必要考虑电动机的自动调速，如采用异步机串级调速等。同步电动机起动多采用晶闸管自动投励。压气机的拖动采用同步电动机或异步电动机。同步电动机可采用可控硅自动励磁系统。压气站自动化的作用在于根据矿井需用压气量来改变压气机运行台数，属于开环控制。水泵采用交流异步电动机和程序控制，不需要闭环控制。水泵自动化的问题主要是根据水仓水位自动开停水泵，各台水泵轮换工作（以保证各台磨损一致），自动切除有故障的水泵并投入备用泵，以及必要的保护和监视设备（如流量保护、轴承过热保护、不上水警报等）。水泵的容量最好按一、二台水泵就能将全矿井涌水量排出来选择。这样，排水系统和控制系统就比较简单。电机车的拖动采用直流串激电动机，以获得良好的牵引特性。控制系统的新趋势是采用可控硅脉冲调速代替用控制器和起动电阻进行起动、停止和串并联调速。由于矿用电机车较小，自动化程度远不及铁道干线电力机车。利用斜井大胶带输送机将煤炭直接送到地面，其优点是连续性输送，输送能力很大，工作可靠而且经济。如用宽2m的胶带和3m/s的速度，输送能力可达每小时一万吨。在我国年产二百万吨以上的矿井中，用大胶带输送机代替竖井提升已逐渐增多，采用直流或交流拖动均有。井下链板和胶带输送机及装载机都采用异步电动机拖动，由于容量不大，一般选用鼠笼型电动机拖动，转速不可调。综合机械化采煤技术在我国发展很快。国产采煤机装机功率已达到1910kW。其电气控制正在向变频控制、智能化控制，实现无人化工作面采煤方向发展。由于矿山机械种类繁多，控制方式和拖动电动机的类别也较多，重复性很大，因此，如果按生产机械分类来研究这门谋程，就会显得杂乱无章，且有交叉重复，不利于教学。因此本教材采用以拖动电动机的类型来进行叙述。即按交流电动机（交流绕线式异步电动机、交流鼠笼式异步电动机、交流同步电动机）、直流电动机拖动（直流它励电动机、直流串励电动机）进行分类，将不同的生产机械及其自动控制方式按照拖动电动机进行归类，便于理解和掌握。2．矿山机械对自动控制系统的要求1）矿井提升机对自动控制系统的要求矿井提升机的拖动电动机多采用交流绕线式异步电动机或直流它励电动机。箕斗提升设备的工作方式是比较简单的，它的任务就是按照给定的五阶段或六阶段提升工作图（速度图、力图）将矿物由井下提升到地面。因此在实行综合自动化时，箕斗提升可以实现完全自动控制。罐笼提升设备是辅助的提升设备，主要用来升降人员、坑木、设备、各种材料及炸药和矸石等，其提升工作图多为三阶段。由于罐笼提升设备工作情况变化较大，采用半自动控制或远距离（在井口或在罐笼中）控制比较合适，实现自动控制比较用难。综上所述，矿井提升机对自动控制系统的要求如下：（1）提升系统的运行速度应满足提升工作图的要求。（2）提升系统的工作过程应符合煤矿安全规程中的各项规定。（3）提升系统应能安全可靠的运行。（4）对多绳摩擦轮提升，在整个工作过程中要避免钢丝绳打滑。（5）稳速运行时的最大速度，应与电动机轴上的负载变化及运动方向无关。（6）在提升的最后阶段，容器以低速爬行来补偿调节系统工作的误差。要求能实现准确停车并在不采用机械制动的情况下使容器停在指定的水平上。（7）在直流电力拖动自动控制的提升设备中，控制系统应保证在最大速度时有土1％的精度而在检查井筒低速运行时有士10％的精度。对矿井提升设备来说，最好的自动控制系统应考虑限制加速度和初加速度。提升机的行程调节系统应保证实现需要的速度图，而不受负载变化的影响，同时速度偏差不应达到使保护装置动作的数值。2）矿井通风机设备对自动控制系统的要求矿井主扇风机的合理运行方式应该是通过人为地改变通风机或通风网路特性，即调节通风机的工况点使通风量不变或按一定的规律改变。并应保证在10min内实现反风，同时反风后巷道的风量应不少于扇风机额定风量的40%。目前在矿井通风上应用的轴流式和离心式通风机基本上都是恒速工作的，同时备有调节工况点的专门装置，因此一般采用不调速的交流电动机（同步电动机或异步电动机）。近年来开始采用异步电动机一晶闸管串级调速的拖动系统。同步电动机的起动采用晶闸管自动励磁。因此，矿井通风机设备对自动控制系统的要求为：（1）主通风机应有连续记录通风量和负压的自动记录仪器，以及在主扇的工作偏离给定参数（包括通风量、负压、电动机和扇风机轴承温度）时，向控制台发出信号的装置。（2）应能对主扇电动机实现远距离起动、停车，并在必要时实现反风。（3）实现矿井通风系统的综合自动化（即通风系统闭环调节）。其中包括研制检测矿井瓦斯、一氧化碳、氧、煤尘、风速、负压等参数的传感器和仪表，并将数据传送到地面调度站，最后通过电子计算机对数据进行处理、运算并发出指令对通风网路和通风机进行参数调节。3）矿山排水设备对自动控制系统的要求排水设备都采用离心式多级水泵，其扬程根据排水高度而定，流量则根据最大涌水量来确定。排水设备的拖动电动机多为双鼠笼型异步电动机。大型水泵采用6000V高压异步电动机拖动。采用自动控制可使排水设备工作更加可靠、经济，并且可以远距离监视其工作，便于管理，可以实现水泵房无人值班。对排水设备自动控制的要求如下：（1）能根据水仓水位上升或下降到一定位置，自动起动或停止电动机。（2）起动电动机前应先向水泵灌水；灌水完成后发出信号，并起动电动机。（3）高压电动机的起动应考虑油开关的自动合闸。（4）在起动电动机时，排水管的主阀门应先不打开（停泵时关闭），使电动机空载起动，可以降低起动电流。（5）当电动机起动后，缓缓打开主阀门，使电动机负荷逐步增加；可以采用电动阀门担负开闭阀门的任务。（6）如因吸水管底阀漏水或其他原因发生不上水故障，应发出不上水信号，并关闭主阀门，切断电动机。并起动另一台水泵。（7）停泵时应先关闭主阀门，然后停泵，否则会发生水烫现象，打坏水泵轮叶。（8）当有几台水泵时，应实现水泵的轮换起动，以保证水泵磨损一致。（9）应设置水泵轴承过热保护，水泵流量下降或不上水保护，控制回路失压保护等故障保护，发生故障时应停泵。（10）因涌水量过大而超过危险水位时，应发出警报信号；又如水泵起动后，水位仍然上升，应能再开一台水泵或几台水泵。（11）有故障的水泵应有闭锁，在排除故障前不许起动。4）电机车的工作特点和对自动调速的要求在我国，井下大巷运输主要依靠电机车。沼气矿井一般采用蓄电池式防爆型或特殊防爆型电机车；在无沼气或低沼气矿可采用架线式电机车。蓄电池式电机车从装在机车上的蓄电池组取得电源；架线式电机车则由牵引变流所通过架设在巷道中的架空接触线取得电源。电机车采用直流串激电动机作为牵引电动机。直流串激电动机具有优良牵引特性，起动力矩大，起动电流小，在电源电压降低时只影响速度而不影响力矩；和复激电动机相比，其外型尺寸较小，便于装在电机车车架上；当负载增加时，转速自动降低，因而从电源吸取的功率基本不变，对牵引变流所有利。对电机车的调速要求是不高的，所以一般不必采用闭环控制。但是电机车起动和停止频繁，利用起动电阻起动，消耗大量电能，而且控制器接点易烧毁，维修量很大，所以采用直流脉冲调速是有益的。特别是在蓄电池电机车中，因蓄电池容量有限，所以节约电能值得重视。关于脉冲调速的原理，将在第五章重点介绍。二、自动控制的基本方式自动控制系统按照系统中是否设有反馈环节分为：开环控制系统和闭环控制系统。（一）开环控制系统开环控制系统是指系统的输出端与输入端不存在反馈关系、系统的输出量对控制作用不发生影响的系统。这种系统既不需要对输出量进行测量，也不需要将输出量反馈到输入端与输入量进行比较，控制装置与被控对象之间只有顺向作用，没有逆向联系。图1-1所示就是一个开环控制的电动机调速系统。图中，电压信号作为控制电动机转速的给定量，电动机的实际转速n就是被控量。当给定电压改变时，电动机转速也跟着改变。但由于没有测量反馈，电动机的实际转速等于多少、是否满足要求都不得而知，因此也就不具备自动稳速功能。当负载力矩改变时，转速也会跟着改变。开环控制系统的基本结构如图1-2所示。图1-1开环控制系统电路图图1-2开环控制系统的基本结构图开环控制系统的特点是：系统结构和控制过程简单，成本低廉，稳定性好，这是开环系统的优点。因此，在输出量和输入量之间的关系固定，且内部参数或外部负载等扰动因素不大，或这些扰动因素产生的误差可以预计并能进行补偿，则应尽量采用开环系统。开环系统的缺点是当控制过程受到各种扰动因素时，将会直接影响输出量，而系统不能自动进行补偿。特别是当无法预计的扰动因素使输出量产生的偏差超过允许的限度时，开环控制系统便无法满足要求，即开环系统的抗干扰能力差，没有自动调节能力。此时就应考虑采用闭环控制系统。（二）闭环控制系统闭环控制系统就是反馈控制系统。这种系统的控制装置与被控对象之间不仅有顺向作用，而且输出端与输入端之间存在反馈联系，因此输出量的大小对控制作用有着直接影响。图1-3所示就是一个闭环控制的电动机调速系统。它是在开环控制的基础上，通过增加测速反馈环节而形成的。这样一来，负载转矩变化对转速的不良影响就会大大降低。可以看出，当给定信号维持恒定时，如果负载转矩增大，电机转速必然降低，开环系统对此无能为力。闭环系统则不然，由于有了反馈，转速降低使得反馈信号减小，偏差信号增大，电机电压就会升高，转速又会上升，最终偏差就会减小。反之亦然。可见闭环的作用就是利用反馈来减小偏差。闭环控制系统的基本结构如图1-4所示。图1-3闭环控制的调速系统电路图图1-4闭环控制系统的基本结构图闭环控制系统的突出优点是控制精度高，抗扰能力强，适用范围广。无论出现什么干扰，只要被控量的实际值偏离给定值时，闭环控制就会通过反馈产生控制作用来使偏差减小。这样就可使系统的输出响应对外部干扰和内部参数变化不敏感，因而有可能采用不太精密且成本较低的元件来构成比较精确的控制系统。由以上分析可见，反馈控制可以自动进行补偿，这是闭环控制的一个突出优点，当然，闭环控制系统也有其固有的缺点：一是结构复杂，元件较多，成本较高；二是闭环控制会带来副作用，使系统的稳定性变差，甚至造成不稳定。这是采用闭环控制时必须重视并应加以解决的问题。三、闭环控制系统的基本组成与分类1．闭环控制系统的基本组成闭环控制系统都是反馈控制系统，其典型结构如图1-5所示。图中，系统的组成环节和被控对象用方框表示，信号通路及其传输方向用箭头线表示，反馈信号的极性用“＋”、“－”号表示，“－”号表示负反馈，“＋”号表示正反馈，系统中的主反馈及绝大多数局部反馈必须采用负反馈，正反馈只在补偿控制中偶尔采用，符号表示多路信号在此叠加进行代数求和。由此可见，该图表示了各种环节在系统中的位置及其相互间的关系。图1-5闭环控制系统的典型结构图下面解释各种组成环节的概念及其功能。（1）给定环节：产生给定（输入）信号的环节或元件，如调速系统的给定电位计（器）。（2）反馈环节：对系统被控量或中间输出量进行测量并转换为与相应输入信号一致的反馈信号的环节或元件，它可以构成主反馈或局部反馈，如调速系统的测速电动机。（3）比较环节：对系统输入量和反馈量进行加、减运算求取偏差的环节或元件。输入量和反馈量的极性用“+”与“—”表示，若为负反馈，两信号极性相反；若为正反馈，则两信号极性相同。（4）放大环节：对偏差信号进行电压放大和功率放大的环节或元件，如各种放大器等。（5）执行机构：直接对被控对象进行操作从而对系统产生实际控制作用的环节或元件，如执行电动机、过程调节阀等。（6）校正环节：用于改善系统性能的环节，一般是电子电路形式，可以串联在前向通道，也可以构成局部反馈通道。（7）被控对象：控制系统所要操纵的机器设备或生产过程，它的输出量即为系统的被控量，如恒温箱、电动机等。一般规定，信号从系统输入端沿箭头方向到达输出端的传输通路称为前向通道；系统输出量经由测量装置反馈到输入端的传输通路称为主反馈通道；前向通道与主反馈通道一起构成主回路。此外还有局部反馈通道以及由它组成的内回路。只有一个反馈通道的系统称为单回路系统，有两个以上反馈通道的系统称为多回路系统或串级调速系统。2．自动控制系统的分类自动控制系统可以从不同角度来分类。1）按系统的结构特征分开环控制系统、闭环控制系统及复合控制系统。2）按输入量变化的规律分（1）恒值控制系统：其特点是系统的输入量是恒值，要求系统的输出量也相应地保持恒值。如自动调速系统、恒温控制系统等均属此类。（2）随动系统：其特点是系统的输入量是变化着的（有时是随机的），而要求系统的输出量能跟随输入量的变化作相应的变化。如刀架跟随系统，火炮控制系统，机器人控制系统等。（3）程序控制系统：其特点是输入量按照预定的规律变化，要求被控量也按照同样的规律变化。如热处理炉温度控制系统就属于此类，因为它的升温、保温和降温过程就是按照预先设定的变化规律进行控制的。3）按系统各环节输入—输出关系的特征分（1）线性控制系统（连续控制系统）：该系统所有环节或元件的输入—输出关系都是线性关系。因此系统的行动规律可用线性微分方程来描述。（2）非线性控制系统（离散控制系统）：系统中至少有一处信号是脉冲量或数字量，因此系统的行动规律必须用差分方程来描述，如果用计算机来实现采样和控制，则称为数字控制系统。此外，按照系统参数的变化特征还可分为定常参数控制系统和时变参数控制系统等。本书主要研究的是连续、线性、定常、恒值控制系统。四、自动控制系统的性能指标矿山机械自动调速系统的技术性能指标分为静态指标与动态指标。静态指标代表系统静态运行中的性能。主要有静差率%、调速范围、调速平滑性及稳态误差等。动态指标代表系统动态过程的性能。主要有稳定性、最大超调量、调整时间及振荡次数等。（一）静态指标1．调速范围电动机额定负载下的最高转速nmax与最低转速nmin之比，即不同的生产机械要求的调速范围不同。矿井提升机要求D=20～50，龙门刨要求D=20～40，热连轧机则要求D≤10。2．静差率静差率的定义：电动机在某一转速下稳定运行，当负载由空载增加到额定负载时的转速降与理想空载转速的比值，称为静差率，通常以百分数表示。一般调速系统对静差率的要求是指在最低稳态转速下的静差率，即空载转速为最小值nmin时的静差率最低转速nmin可由下式求得则额定转速下调速系统的D、δ和ΔnN三者之间的关系为可见生产机械要求的转差率愈高，允许的调速范围愈小；在一定静差率要求下，要满足一定的调速范围，必须提高机械特性硬度，即减小。3．调速的平滑性电动机在调速范围内，所获得的调速级数愈多，则调速愈平滑。调速的平滑性系指相邻两级转速之比，用平滑系数来表示：式中ni—电动机在i级时的转速；ni+1—电动机在i+1级时的转速。平滑性与调速级数有关，级数越多，级间速度差越小，平滑性越好。φ=1时为无级调速，平滑性最好。4．稳态误差当系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态，或系统受扰动作用后又重新平衡，这时系统输出量的期望值与稳定时的实际值之间存有偏差，这种偏差称为稳态误差。稳态误差表征了系统的准确程度。并由此可将系统分为无静差系统和有静差系统。（二）动态指标表征系统过渡过程的指标称为动态指标。由于系统存在惯性（机械惯性、电磁惯性、热惯性等），使系统由一个稳定状态过渡到另一个稳定状态时总要经历一段时间，即有一个过程，这个过程叫过度过程。1．系统的稳定性在系统中，当输入量或扰动量变化时，输出量将会偏离系统原来的稳定值，但是由于反馈环节的作用，通过系统内部的自动调节，系统能回到（或接近）原来的稳定值或能跟随输入量稳定下来，如图1-6（a）所示，这类系统为稳定系统。若系统由于内部的相互作用，使系统出现发散而处于不稳定状态，如图1-6（b）所示，这类系统为不稳定系统，显然这种系统是无法工作的。因此，对任何自动控制系统，首要的条件就是系统能稳定运行。（a）（b）图1-6自控系统的稳定性（a）稳定系统；（b）不稳定系统2．最大超调量最大超调量是系统输出量c（t）与稳态值c（∞）的最大偏差Δcmax与稳定值c（∞）之比，如图1-7所示，此时最大超调量为图1-7系统突加给定信号时的动态响应曲线显然，愈大，系统的过渡过程愈不平稳，不能满足生产机械工艺要求；值愈小，说明系统过渡过程愈平稳，但过渡过程太缓慢。不同系统对值有不同要求。3．调整时间ts调整时间是从输入量作用于系统到输出量进入离稳定±5%（或±2%）区域所需要的时间。它反映了系统的快速性，ts愈短，系统快速性愈好。4．振荡次数N振荡次数是指在调整时间ts内，输出量在稳定值上下摆动的次数。如图1-9表示系统的振荡次数N=2。N愈小，表明系统的稳定性能愈好。不同生产机械对振荡次数的要求不同，如普通机床一般可允许振荡2～3次；龙门刨床和轧钢机允许N为1，而造纸机则不允许有振荡。由以上分析可知，在系统的静、动态指标中，最大超调量和振荡次数N反映了系统的稳定性，调整时间ts反映了系统的快速性，稳态误差反映了系统的准确性。一般来说，我们希望系统具有稳、快、准的性能，但是在同一个系统中，稳、快、准是相互制约的。快速性好，可能引起强烈振荡；改善稳定性特别是提高相对稳定程度时，可能会使响应速度趋缓，稳态精度下降。因此，对实际系统而言，必须根据被控对象的具体情况，对稳、快、准各有侧重。例如，恒值系统对准确性要求较高，随动系统对快速性要求较高等。这一点，在自动控制原理中已详细讲解。五、矿山机械的控制方式矿山机械的控制方式根据其操作方式的不同，可分为手动控制、半自动控制和自动控制方式三类。手动控制是利用手动控制电器由人力操作实现对电动机的控制。手动控制是最为简单的控制，使用设备少，成本低，目前在矿山简单的小型机械设备中仍采用这种控制方式。半自动控制是指控制过程一部分由人工操作，另一部分则自动完成。它比手动操作使用控制设备多，操作起来较为简单。自动控制是利用各种控制电器的组合构成自动控制系统，自动完成生产机械的控制过程，显然这种控制方式是最理想的电力拖动控制方式。矿山机械的自动控制系统分为断续控制、连续控制和程序控制三种类型。断续控制系统是由继电器与接触器等有触点电器组成。操作者通过按钮或其他主令电器操纵接触器-继电器电路，实现对矿山机械的起动、调速、反转等控制。这种控制简单、成本低、工作稳定。由于继电器、接触器只有“通”和“断”两种工作状态，因而这种控制是断续的，不能连续地反映信号的变化，故称为断续控制。连续控制是由连续控制元件组成的，连续控制元件有微机控制器、调节器、可编程序控制器、电机放大机、磁放大器和电力半导体器件等。这种控制不仅能反映信号的“通”或“断”，而且能反映信号的数值大小和变化，可以完成复杂的控制任务，如：可得到很宽的调速范围，可保持生产过程中的某些参量为定值等。程序控制是按照人们预先给定的程序（运动规律、工作顺序、工艺过程等）进行自动控制的。近年来由于数控技术的发展和计算机的应用，出现了新型的控制装置如可编程序控制器（简称PLC）等。它以微处理器为核心，取代了继电器接触器电路，通过编程可灵活地改变控制程序，满足各种控制要求。同时还能应用于大规模的生产过程控制。这种控制具有通用性强、程序可变、编程容易等优点，是当今及今后矿山机械自动控制的发展方向。六、自动控制的基本原则生产机械电力拖动系统的起动、加速、制动减速、停车以及调速等控制都可以靠自动装置来进行，不同种类电动机的起、制动方法和调速方式是不同的，其自动控制方式也有区别。电力拖动系统的自动控制方法很多，但不论哪种控制方法都是根据电动机工作时某一电气参数如：电流、电势（电压）、频率等，或机械参数如：转速等的变化来进行的，从而形成各种自动控制原则。1．反馈控制自动控制系统的实质是采用反馈控制。即利用自动检测装置将被控对象的输出信号（被控量）送回到输入端，并与给定值进行比较，形成偏差信号，调节器对偏差信号进行运算，根据运算结果发出信号去控制被控的输出量，使输出量与给定量的偏差保持在容许范围之内。在速度调节系统中，反馈控制系统就是闭环自动调速系统，具有良好的稳态性能和动态响应性能，其突出特征是抗干扰能力强。2．时间控制图1-8图1-8时间控制的电动机起动特性时间原则控制方法简单可靠，对于任何容量和电压的电动机都可以用同一型号的时间继电器来实现，电网电压的变化不影响起动和制动过程，但这种控制仅在计算负载下才能保证按预定的运行规律工作，当实际负载与计算值不同时，就会与设定的运行规律产生误差。图1-8为时间控制的电动机起动特性。在额定负载MN下，电动机沿特性曲线的1、2、3……加速；但当负载转矩较小时，电动机转速上升较快，造成滞后切换，由于整定的时间不变，切换转矩偏离设计值M2，使电动机沿特性曲线1′、2′、3′……加速；当负载转矩较大时，电动机速度减小，在整定时间内，切换超前，使起动转矩大于上限切换转矩M1，电动机将沿特性曲线1″、2″、3″……加速，显然这种转矩冲击严重时将导致设备不能正常运行。3．电流控制图1-9图1-9电流控制的电动机起动特性电流原则控制属于恒转矩控制，在起、制动过程中电动机转矩的平均值是始终不变的，转矩的变化范围也是不变的，与负载、电源电压等的变化无关。但是，负载的变化将影响起、制动过程时间的变化，特别是当负载较重时，电动机长时间在某条特性上长时间运行造成起动电阻或电动机绕组过热，使设备发生故障，如图1-9所示。4．时间和电流混合控制图1-10图1-10电流为主时间为辅的电动机起动特性图1-11时间电流平行控制的电动机起动特性图1-11时间电流平行控制的电动机起动特性时间电流平行控制的电动机起动特性如图1-11所示。这种控制方法的特点是在起动过程中，每切换一次特性，必须同时具备两个条件：一是时间延时的结束，二是电流的释放。两者有一个条件不能满足，电动机特性就不能切换，就需要等待。这样，在重载时，主要由电流进行控制，可防止起动转矩和切换转矩过大而产生纲丝绳打滑；轻载时，主要由时间进行控制，电动机沿1、2′、3′……加速，防止加速过快，有利于提升安全。5．转速控制转速控制是将电动机旋转速度的变化作为控制信号而进行自动控制。电动机转速的变化可通过速度继电器或测速发电机测得，例如异步电动机反接制动时，电动机的转速被速度继电器随机测得，当转速下降到断电要求时，速度继电器动作，及时切断电源而避免电动机反转。在动力制动时根据转速的变化来切除转子电阻，用来调节制动力矩的大小。另外在自动调节系统中，可以根据给定速度与实测速度的偏差来自动调节转速。6．电势或频率控制（一）电势原则直流电动机的电枢电势正比于电枢转速，当电动机转速变化时，电枢电势也是变化的，即电枢电势的变化能直接反映电动机在起动过程中转速的变化，直流电动机电枢电压平衡方程式为直流电动机的电枢等效电阻很小，电枢压降可以忽略不计，这时电枢电压约等于电动势，即≈由公式知，把直流电动机的电枢电压作为控制信号，就可以实现以电势为原则的控制，即电势原则。（二）频率原则交流异步电动机转子感应电流的频率是变化的，即转子感应电流的频率是变化的，我们把转子感应电流的频率作为控制信号实现自动控制，利用这个变化实现频率控制的称为频率原则。同步电动机的启动就是利用了频率控制的原则。7．行程控制当生产机械运动到一定的位置时，通过运动部件的碰撞或感应使行程开关动作，发出如减速、停车、反转等控制指令使用权系统的运行状态发生变化，这种控制方式称为行程控制原则。例如：在矿井提升机系统中，当提升容器运行到减速点时，容器碰撞行程开关，使电路自动切换到减速运行阶段。8．串级调速利用晶闸管变流装置，在绕线型异步电机转子回路引入一附加电势，使得电动机转子侧通过变流装置向电网回馈或从电网吸取转差功率，从而实现电动机转速调节的方式，称为晶闸管串级调速。9．变频调速变频调速属于改变电源参数的调速，既适用于同步电动机，也适用于异步电动机。变频调速是利用异步电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的供电频率进行调速的方法。电动机控制原则及特点见表1-1表1-1电动机控制原则及特点控制原则使用场合特点时间原则交直流电动机起动、能耗制动控制及按一定时间动作的控制电路电路简单、不受电网电压、电流等参数影响，对于任何型式的电动机都适用速度原则直流电动机与鼠笼型异步电动机的反接制动，同步电动机的励磁和加速控制电路简单，控制加速时受电网电压影响，制动时则无影响电流原则串励电动机与绕线型异步电动机的分级起动、制动和作为电路的过流与欠流保护电路联锁复杂，可靠性差，受各种参数影响大电势原则直流电动机的加速和反接制动较准确反映电机转速行程原则反应运动部件运动位置的控制电路简单、不受各种参数影响，只反映运动部件的位置频率原则同步电动机投入同步直流励磁及变频调速，异步电动机的变频调速电路复杂，调速性能好任务实施任务实施自动调速系统如图1-12，分析该系统的工作原理，画出其原理框图图1-12自动调速系统的原理图。步骤一：工作原理调速系统亦称为按偏差调节的自动控制系统。图1-12所示为自动调速系统的原理图。自动调速系统的工作原理是：测速发电机测量电动机的转速n，并将其转换为相应的电压Uf，与给定电位器的输出电压Ug进行比较，得到的偏差信号ΔU经放大装置放大后控制电动机的工作电压Ud，而电压Uf即代表了系统所要求的转速。如果工作机械的负载增大，使电动机转速下降，则测速发电机输出电压Uf减小，与给定电压Ug比较后的偏差电压（ΔU=Ug-Uf）增大，经放大后使触发控制电压Uk增大，从而使晶闸管整流装置输出电压Ud增大，Ud加在电动机电枢两端，则电动机的转速n将提高，从而使电动机转速得到补偿。步骤二：原理框图自动调速系统的任务是保持工作机械恒转速运行。系统的被控对象为工作机械，被控量为电动机的转速n，系统的检测元件是测速发电机，它能将电动机的转速转变为相应的电压量Uf；系统的给定装置为给定电位器，其输出电压Ug作为系统的参考输入，系统的偏差为ΔU，为系统给定量与反馈量之差，系统的执行机构为直流电动机。其原理框图如图1-13所示。图1-13自动调速系统的原理框图小结小结本任务对矿山机械的自动控制原理、自动控制的基本原则进行了详细讲解，并结合实际的例子进行了介绍，通过任务的实施，要掌握对煤矿机械自动控制进行阅读、分析的方法与步骤。思考与练习1.自动控制系统是如何分类的？2．何谓开环控制系统、闭环控制系统？3．自动控制系统的组成，有哪些指标？4．自动控制系统有哪些控制原则，举例说明各自的特点。知识要点◆控制系统线路图的绘制原则◆控制系统线路图的阅读方法◆技能目标知识要点◆控制系统线路图的绘制原则◆控制系统线路图的阅读方法◆技能目标◆能掌握常见电气图形符号和文字符号◆能阅读控制系统线路图任务描述任务描述控制系统线路图用来表示矿山机械电力拖动控制系统的工作原理及各电气元器件之间的联接关系，是线路维护和查找故障的参考依据。因此，电气控制系统线路图是电力拖动系统运行过程中重要的档案资料。由于电气控制系统中的电气元件种类很多，规格不一，外形结构各异，为了表达各电气元件及其之间的关系，电气线路图中所有元件必须采用统一的图形符号和文字符号表示。这些图形、文字符号应按国家颁布的GB4728—84、85《电气图常用图形符号》，GB5226—85《机床电气设备通用技术条件》，GB7159—87《电气技术中的文字符号制定通则》，GB6988—86《电气制图》，GB5094—85《电气技术中的项目代号》等统一标准进行绘制和标注。本次任务通过对电气图形符号和文字符号、控制系统线路图的绘制原则、控制系统线路图的阅读方法的学习，掌握控制系统线路图的阅读与绘制。任务分析任务分析要达到本次任务的目标要求，就必须掌握常见电气图形符号和文字符号、控制系统线路图的阅读方法。知识准备知识准备一、电气图形符号和文字符号（GB4728，GB7159）1．图形符号用以表示一个设备或概念的图形、标记或字符。图形符号通常用于图样或其它文件。电气控制系统图中的图形符号必须按国家标准绘制，表1-2绘出了电气控制系统的部分图形符号。2．文字符号用以表明电气设备、装置和元器件的名称及电路的功能、状态和特征。文字符号适用于电气技术领域中技术文件的编制。表1-2列出了电气控制系统的部分文字符号，以供参考。表1-2电气控制线路图主要图形符号及文字符号续表1-2续表1-2续表1-2二、控制系统线路图的阅读方法对于生产机械的电气控制线路图的阅读，只要熟悉标准电气图形符号和文字符号就可阅读。看图时，首先看主电路，其次看控制电路，最后看其它电路（如保护电路、信号电路等）。（一）看主电路的步骤：1．看主电路中电动机的起动方式有无正反转、调速和制动等要求；2．看主电路中电动机是用什么电器控制的（图1-12中电动机是用接触器控制的）；3．看主电路中还接有什么电器，这些电器起什么作用。通常，主电路中除了电动机和控制电器外，还有电源开关、熔断器、热继电器等。图1-12中QS是电动机的电源开关，用以控制电源；是熔断器，作为电动机的短路保护装置；是热继电器，作为电动机的过载保护装置；4．看电源。要了解主电路的电源电压多少伏，例如：、、、还是等。图1-12电动机电气原理图（二）看控制电路的步骤：1．看电源，首先要看清电源是交流电源还是直流电源，其次要看清电源是从何处接来，电压有多大。通常，从主电路的两根相线上接来的电源，是对应线电压的值，常见的是、、、等；从主电路的一根相线和一根地线上接来的电源，是对应的相电压，常见的有等。此外，从变压器上接来的电源，其电压有127V、24V、12V或等几种。在图1-12中，控制电路的电源线从主电路的两根相线上接来，其线电压为。2．根据控制电路的回路研究主电路动作情况。在一般电路图中，整个控制电路构成一条大回路，大回路又分为几条独立的小回路，每一条小回路控制一个用电设备或一个电器的一个动作。在图1-12中，控制电路只有一条回路。按下起动按钮，接通原来断开的电路，电流进入接触器的线圈，主电路中的主触头闭合，于是电动机接入电源而运转。按下停止按钮，电路断开，断电，接触器释放，主触头断开，于是电动机被切断电源而停止运转。这就是开关（或按钮）→接触器（或继电器）→电动机的控制方式，也是机械自动化或半自动化的基本形式。3．研究电器之间的相互联系。电路中的所有电器都是相互联系、相互制约的。有时用甲电器去控制乙电器，甚至用乙电器再去控制丙电器，阅读电路图时应仔细查明它们之间的相互联系，追索线路动作的逻辑关系，就能分析清楚任何一个控制线路。（三）看其他电路。其他电路是指信号电路、保护电路等。这些电路一般比较简单，只要看清它们的线路走向，电路的来龙去脉即可。看电气系统安装接线图时，也要先看主电路，后看控制电路。看主电路时，从电源引入端开始，顺次经控制元件和线路到电动机；看控制电路时，要从电源的一端到另一端，按元件的顺序对每一回路进行分析研究，如图1-13所示。图1-13电动机的安装接线图安装接线图是根据电气原理图绘制的，对照电气原理图看安装接线图就一目了然。看图时要注意，回路标号是电器元件间导线连接的标记，标号相同的导线原则上都可以接在一起。此外，还要搞清接线端子板内外电路的连接情况，内外电路的相同标号导线一般都接在端子板的同号接点上。任务实施任务实施图1-14所示，电流时间混合原则启动控制电路阅图为了限制起动电流，绕线型异步电动机常采用转子串电阻的方法起动。为保证起动平稳、减小起动电流的冲击，通常串入多级电阻，在起动过程中逐级切除，起动电阻的切除可以利用时间继电器和电流继电器混合原则进行控制。图1-14所示为采用电流时间混合原则控制的电气控制线路。图中KA为电流继电器，反映起动过程中电动机电流的变化。1KM～4KM为加速接触器，其触点用于切除转子电阻。1KT～4KT为时间继电器，其触点控制加速接触器。KMF、KMR分别为正反转接触器。KV为安全接触器。SA为主令控制器，1SA～7SA为其触点。虚线表示操作手柄位置，虚线上面的黑点，表示手柄在这个位置时，该支路的触点接通。1．起动前的准备合上电源开关1Q和2Q，接通主回路和控制回路电源。主令控制器SA的手柄置于零位，安全接触器KV通电并自保（依靠接触器自身动合触点而使线圈保持通电的效果称为自保，起自保作用的常开辅助触点KV2称为自保触点。），其动合触点闭合使控制回路得到电源。时间继电器1KT～4KT通电，其在加速接触器回路中的四个动断触点全部断开，使1KM～4KM无电，转子电阻全部串入。2．起动控制过程根据选择的运转方向（假设正转）将主令控制器SA的手柄推到正转方向（图中向右）极限位置第五位，则2SA及4SA～7SA均闭合，正转接触器KMF线圈通电吸合，电动机串入全部电阻起动。KMF通电的同时，反转接触器KMR电路的KMF动断触点断开，实现联联锁（所谓联锁是指：利用两只控制电器的常闭触点，一般是接触器的常闭触点、按钮的常闭触点使一个电路工作，而另一个电路绝对不能工作的、相互制约的作用，就称为联锁或互锁。实现联锁作用的触点称为联锁触点，与联锁触点相联系的这一部分线路又称联锁控制线路或联锁控制环节）。其在1KT电路中的动断触点断开，使1KT断电并开始延时，经过一定时间后，1KT触点闭合，1KM通电，切除第一段电阻。可见第一段电阻的切除是靠单纯时间原则控制的。1KM吸合后其在时间继电器回路中的动断触点断开，切断2KT原来的通路，但这时由于切除第一段电阻后电流增大至尖峰电流，电流继电器KA吸合，为2KT提供了另一通路，此时开始按电流原则控制。随着电动机加速，电流逐渐下降，当下降到一定值时KA释放，其动合触点断开，2KT断电开始延时，此时开始按时间原则控制。经过一定时间后，2KT触点闭合，2KM通电，切除第二段电阻。可见第二段电阻的切除是靠电流和时间混合原则控制的，由电流继电器和时间继电器配合完成，以后各段电阻的切除与第二段相同。每当切除一段电阻后，电流增至尖峰电流，KA吸合，随着转速上升，电流下降至KA释放，再经过时间继电器延时，切除一段电阻，直到全部电阻切除，起动过程结束。图1-14绕线型异步电动机电流时间混合原则控制电路小结小结本任务对常见电气图形符号和文字符号、控制系统线路图的阅读方法进行了详细讲解，并结合实际的例子进行了介绍，通过任务的实施，要掌握对控制系统线路图的阅读方法。思考与练习1．电气原理图有什么用途？2．如何阅读电气原理图？模块二矿井提升设备-交流拖动电气控制任务一提升绞车的继电器控制知识要点知识要点◆绕线式电动机串电阻起动的工作原理◆五级磁力站控制系统设备组成、应用和原理技能目标◆能分析和处理系统的常见电气故障◆能对绞车五级磁力站控制系统进行接线、调试任务描述任务描述矿井提升设备电气控制系统是一个比较复杂的电气控制系统，我们首先从小型绞车的电气控制系统开始了解提升控制的基本要求、控制系统的基本组成环节，掌握系统检修、调试的要点、方法等基本技能，为主副井提升机电控系统的运行维护检修打下牢固的基础。任务分析任务分析运输绞车多采用绕线式电动机拖动，转子串接一定数量的电阻，起动时分组切除电阻，有几组电阻通常就称为几级磁力站，功率较大的运输绞车常采用五级或六级磁力站进行控制。其工作的主要特点是在加速过程中，各加速接触器按照一定的规则逐个吸合，以逐段切除对应的转子电阻，实现加速过程的自动化。切除转子电阻的常用原则有以时间为函数和以电流为函数附加时限等两种。知识准备知识准备以时间为函数进行加速的控制电路所谓以时间为函数进行加速,是指从绞车电动机通电开始,按照预先设计的规律,每隔某一特定时限切除转子回路某段对应的电阻,使电动机逐渐加速.直至将转子各段电阻切除完毕.这种加速方式,使绞车在每个运输循环的加速段时间保持恒定.图2-1为实现这种加速方式的简化原理图。图2-1以时间为函数的加速原理图图中KMF、KMR是电动机M正向、反向运转的接触器，1KMA-5KMA是控制电动机转子电阻的加速接触器，1KT-5KT是分别具有一定时限的时间继电器。这些元器经过自身的延时分别去控制对应的加速接触器，以控制对应段电阻的切除。在绞车开动的准备工作完成时，各时间继电器是吸合的，各加速接触器是断电的。当KMF（或KMB）吸合时，1KT断电，经一定时限后衔铁落下，1KT1接点延时闭合，加速接触1KMA有电吸合。1KMA主接点闭合，切除转子第一段电阻；1KMA1接点闭合，为2KMA接触器通电作准备；1KMA2接点断开，时间继电器2KT断电延时释放。2KT1接点延时闭合，加速接触器2KMA有电吸合，节除转子第二段电阻。余此类推，经过时间继电器1KT-5KT的接力延时，使加速接触器1KMA-5KMA接力吸合，转子电阻逐段切除，加速过程完成。图2-2是以时间为函数进行加速的实际线路。在电路中，由操纵手柄所带动主令控制器SM是控制电动机起动、停止、换向以及加入、切除电阻等功能的主令元件。在开车时，如果一开始就将操纵手柄移到极限位置，便可实现以时间为函数的自动加速；如果司机缓慢移动手柄，则可实现人工速度调节。绞车的控制回路除由1KT-5KT和1KMA-5KMA组成的加速环节外，还包括以下几部分。1）安全（保护）电路由接触器KM和一系列保护元件组成的电路称为安全电路。它的作用是当绞车的正常工作方式遭到破坏时，KM接触器断电，使换向器电路断开，电动机停车并实现安全（紧急）制动。1SL-4SL为过卷行程开关。1SL、2SL装于深度指示器上，3SL、4SL装作绞车房外的巷道中。当运输中发生容器过卷事故时，相应的过卷行程开关被顶开，使安全电路断电，实现过卷保护。S为过卷恢复开头。正常情况开关，S开关的手柄置于零位，S2、S3断开，S1、S4闭合；当过卷事故发生后，需要将容器恢复到正常位置时，操纵S开头的相应位置，使S3或S2闭合，将断开的1SL、3SL或2SL、4SL对应短接，接通接触器KM电路（安全电路），解除安全制动，绞车可重新起动，使过卷容器回到正常位置。为防止在过卷恢复时，由于司机误操作而导致绞车继续向过卷方向旋转，在换向器电路中串有联锁接点S1、S4。要绞车过卷后的恢复过程中，使这两接点之一对应闭合（另一个断开），保证绞车只能向恢复正常位置的方向运转。图2-2以时间为函数的加速控制电路1QA1为空气自动开关的辅助接点。当自动开关1QA跳闸时，该接点使KM接触器断电，实现电动机的过电流、低电压保护。在1QA开关电压脱扣线圈YV电路中，装有跳闸按钮STP和脚踏开关SF，以实现正常和紧急停车，STP、SF均由司机进行操作。SM1是主令控制器的联锁接点，其作用是实现开车前主令控制器手柄的零位闭锁。SYW1是工作制动的联锁接点。只有当工作制动手柄处于紧闸位置，SYW1接点闭合，才允许解除安全制动；SYW1接点接在加速接触器1KMA电路中，只有当工作闸手柄离开零位而处于松闸位置时，该接点闭合，1KMA才可能通电吸合，切除转子电阻。这样，可避免由于误操作抱闸送电和切除电阻而使电动机严重堵转的事故。SYS是安全制动联锁开关的接点。当安全制动解除后，SYS才闭合，KM接触器才实现自保。ST、STP是KM回路的起动、停止按钮。2）换向器电路换向器正向接触器KMF和反向接触器KMB组成。它们的主接点接在定子回路，分别管制电动机的正转和反转。在电路中接有主令控制器的接点SM3和SM4，以实现电动机通电方向的控制。KMF和KMB除了都在本电路中常开自保接点KMF3、KMB3外，还分别将自己的一常闭接点KMF2、KMB2串入对方电路中，以实现正、反向接触器之间的电气闭锁。电路中的时间继电器1KT的常开接点起着时间继电器的状态监视作用。在开车前，若1KT处于正常吸合状态，则1KT2常开接点闭合，在接到开车信号时，换向器便可接通；反之，若1KT一开始就处于释放状态，则不允许换向器接通，防止了由于时间继电器的状态错误而造成定子一送电转子电阻瞬间全切的后果。此外，1KT2接点还是实现消弧联锁的执行元件。3）消弧联锁电路在绞车运行结束时，若电动机刚刚断电，由于司机误操作又立即接通换向器电路，导致电动机反向运行，则必然造成严重的电弧短路。为此，设置了由联锁继电器KT1与KMF、KMB接点配合1KT组成的消弧联锁电路。KTI的常闭接点KTI1串在1KT回路中。设电动机正向运行结束，KMF断电，KTI断电（但不立即释放），约经0.5S延时(主回路接触器接点的电弧已熄灭)KTI1常闭接点闭合,1KT才能通电,反向接触器KMB才能通电,反之亦然.4)信号显示电路除绞车房与采区车场之间的井筒信号外,绞车自身有如下信号显示:绞车工作指示灯RD。当KM吸合时，RD红灯亮，表示绞车投入运行；KM释放时，RD熄灭。减速信号笛HA。与电笛HA相联的有KMF5、KMB5接点以及微动开关1SS、2SS，当绞车正向运转时，KMF5和1SS支路接入；反转时，KMB5和2SS支路接入。容器到减速位置时，对应的微动开关短时被压合，HA鸣响，提示减速。深度指示器电路。本控制系统使用了圆盘式深度指示器。自整角机1B为发送机，安装在绞车主轴近旁，通过机械转换将运输容器的行程变成1B的旋转角度，使1B的转子不断发出与运输行程对应的电压信号。自整角机2B称为接收机，安置在操纵台上，它的三相工作绕组与发送机相联。工作绕组接到发送机伟来的某个电压信号时，其转子就旋转相应的度。这样，容器在斜巷中的行程变成了1B的输出电压，再转换成2B转子的转角，通过刻度换算，指针就可指出容器在斜巷中的运行位置。此外，还有绞车电动机定子电压和电流的测量显示环节等。下面简述整个系统的工作过程。绞车起动前的准备：合刀闸开关1QS和自动空气开关1QA、2QA主回路和控制回路电源接通。此时，如运输系统正常，工作闸手柄处于紧闸位置，主令控制器SM手柄置于零位，过卷恢复开关S置中间位，则司机可按压起动按钮ST，安全（保护）回路接触器KM有电吸合，红灯RD燃亮。KM1接点闭合，制动油泵电动机1M起动，压力油将制动重锤抬起，安全制动解除；KM2接点闭合自保（此时安全制动解除，其联锁接点SYS已闭合）；KM3接点闭合，为绞车电动机换向接触器提供控制电源。在2QA闭合后，交流380V电源经小变压器T降压，二极管V1-V4全波整流，得直流控制电源，此时时间继电器1KT-5KT吸合。常闭接点1KT1-5KT1相应断开，为加速接触器1KMA-5KMA工作做准备；常开接点1KT2闭合，为换向接触器接通做准备。接到开车信号后，司机将主令控制器SM手柄移到正向极限位置，主令控制器的SM-3、SM-5、SM-6、SM-7、SM-9、SM-11接点闭合；同时将工作制动手柄向前推，解除工作制动。正转接触器KMF有电吸合。KMF1接点闭合，绞车电动机正转；KMF2接点断开，切断反转接触器KMB回路；KMF3接点闭合自保；KMF4接点闭合，联锁继电器KTI有电吸合，KTI1接点断开，1KT断电释放。1KT1接点延时闭合，加速接触器1KMA有吸合。1KMA1接点闭合，切除绞车电动机转子第一段电阻；1KMA2接点闭合，为2KMA接触器接通作准备；1KMA3接点断开，2KT断电器断电释放。2KT1接点延时闭合，2KMA接触器有电吸合，节除第二段电阻；……直到5KMA接触器有电吸合，转子电阻全部切除，绞车开始等速运行。运输容器运行到减速点时，减速接点1SS短时闭合，电笛HA发出减速音响信号。司机将主令控制器SM手柄拉回零位，正转接触器KMF释放，绞车电动机断电；加速接触器1KMA-5KMA绞车电动机转子接入全部电阻。此后，通过制动手柄调节制动力，实现机械制动减速，直到容器达终点位置时，用工作制动闸制动停车。任务实施任务实施完成绞车控制线路常见故障的分析处理。（一）按起动按钮后，安全回路接触器不动作，红灯RD不亮1、原因分析1）主令控制器SM手柄不在零位；2）绞车门没关严，限位开关没有合上；3）过卷恢复开关S没有置中间位。；2、处理方法1）把主令控制器SM手柄置于零位；2）关严绞车门，压合限位开关；3）把过卷恢复开关S置于中间位。（二）主令控制器SM手柄移到正向位置，正转接触器KMF不吸合1、原因分析1）反向接触器KMB常闭接点损坏；2）KM3没有可靠闭合；3）时间继电器1KT2没有闭合。2、处理方法1）换一个反向接触器KMB常闭接点；2）换一个KM3接点，或更换KM3；3）检查时间继电器1KT2线圈是否吸合。（三）绞车到达减速点电笛HA没有鸣响限位开关1SS损坏，需要更换。小结小结本任务对煤矿常用的绞车控制电路进行了分析，并对一些常见故障安排了排查训练，通过任务的实施，为后面实施TKD控制系统的运行维护与检修奠定了基础。思考与练习1.简述绞车起动操作的注意事项？2.进行反向不加速故障的分析处理？知识要点◆TKD型电控系统的主要设备：高压开关柜、高压换向接触器、电磁控制站、制动电源装置、磁放大器和自整角机技能目标知识要点◆TKD型电控系统的主要设备：高压开关柜、高压换向接触器、电磁控制站、制动电源装置、磁放大器和自整角机技能目标◆能说出TKD型电控系统用途、功能、主要电气设备◆能TKD电控系统主要电气设备进行维修任务描述任务描述矿井提升设备属于大功率、恒转矩负载，在运行过程中需要频繁启动、加速和制动，因此通常采用交流绕线式电动机拖动。按照提升工作图的要求，改变转子回路中串接电阻的方式实现提升机的加速、等速、减速和爬行等工作过程的控制。TKD型电控系统即交流绕线式电动机拖动的单绳交流提升机电气控制系统，主要组成设备有：高压开关柜、高压换向接触器、电磁控制站、制动电源装置、磁放大器和自整角机。任务分析任务分析TKD型电控系统设备多，接线复杂，只有对其中的每一种设备的结构、性能、工作原理有足够的了解，并且能熟练分析判断每一种设备的常见故障，才可能保证整个系统的正常运行，知识准备知识准备一、提升机电控系统的组成交流提升机电控系统的类型很多，目前国产用于单绳交流提升机的电控系统主要有：TKD—A系列、TKDG系列、TKD—NT系列、JTKD—PC系列和用于多绳交流提升机的电控系统主要有：JKMK/J—A系列、JKMK/J—NT系列、JKMK/J—PC系列等。各种电控系统主要由高压开关柜（空气或真空）、高压换向接触器（空气或真空）、转子电磁控制站、制动电源、操纵台、液压站、润滑油与制动油泵站、启动电阻、运行故障诊断与报警装置等电气设备组成。以TKD—NT、JKMK/J—NT电控系统为例。其基本结构与组成如图2-3所示，该电控系统的型号及其含义见图2-4。图2-3交流提升机电控系统组成框图电控系统的型号及含义—NT—□□－□□□□□／□□－N－NT－□□－□□□□□／□□JKMK/ＪTKD图2-4TKD-NT、JKMK／J-NT系列提升机电控系统的型号及含义三、提升机电控系统中的主要电气设备（一）交流提升机制动电源装置矿井交流提升机采用电气制动方式可获得平稳、安全、可靠的制动运行状态，避免了严重的机械磨损，防止了机械冲击，减少了机械部分的维修工作量，延长了提升机械的使用寿命，特别是易于实现提升系统的自动化，从而有效地改善了提升系统的性能，提高了设备的提升能力。异步电动机的电气制动方式有动力制动和低频发电制动，制动电源有模拟量制动电源和数字量制动电源两类，目前国产制动电源装置的型号、特点及及选择如下。1．KZG（D）系列晶闸管动力制动电源装置1）应用范围及用途该装置可以和任何型号交流提升机电控配套使用，控制提升机减速和下放重物的速度。（1）负力提升方式：提升机运行至减速点时，电机从主电源上断开，经过消弧延时，本装置投入，并通过速度闭环的调节改变输出电流大小，使减速段的实际速度跟随给定速度；（2）脚踏制动方式：在重物下放期间或要求提前减速时，可以通过脚踏进行速度控制；（3）该装置带有电源开关接触器，全数字动力制动电源装置自带速度继电器，能够自动切换转子电阻大小，充分发挥系统的制动能力；（4）该系列装置有全数字调节和模拟量调节两大类。2）型号含义3）工作原理与技术性能KZG（D）系列可控硅动力制动电源装置的工作原理如图2-5所示。图2-5KZG（D）系列可控硅动力制动电源装置的工作原理3）全数字动力制动电源采用原装进口全数字直流调速器作为核心部件，硬件配置简洁可靠，调试简单，维护量小；主回路采用三相全控桥式电路，控制回路为速度、电流双闭环控制，电流脉动小，调节平滑，制动力强，制动平稳。制动电源具有模拟凸轮板速度给定信号，因此速度闭环不需要靠深度指示器上的限速凸轮板机构完成；三只速度继电器KV1、KV2、KV3用于在制动过程中切换转子电阻以获得最佳的制动效果；具有自诊断功能，能随时查询到报警、运行状态、参数的综合诊断及监视信息。全数字动力制动电源只与6KV和10KV高压电机配套使用。4）模拟量动力制动电源该装置采用专用的集成电路作为触发脉冲的形成环节，线路简单可靠；主回路为单相半控桥形式，晶闸管、二极管采用框架组件结构，冷却方式为强迫风冷。模拟量动力制动电源能与380V、660V、6kV及10kV电机配套使用。5）动力制动电源装置输出参数的选择（1）最大直流输出电流提升异步电动机动力制动的直流电源的最大输出电流是根据系统所需的最大平均力矩来确定的，最大平均力矩为（2-1）式中Favmax——最大平均负力，N；D——提升机卷筒直径，m；i——从提升电动机到卷筒的减速比。根据最大平均力矩，利用动力制动状态下异步电动机的万用曲线计算出所需的最大等值定子相电流，即可求出所需的最大直流动力制动电流即直流电源的最大直流输出电流（2-2）式中I1max——最大等值定子相电流有效值，A。对于双闭环动力制动系统，考虑到动力制动电流强激的要求，最大直流动力制动电流Idmax应按1.4～1.6倍的裕量来选取（2-3）（2）最大直流输出电压的计算为了保证系统可靠地工作，直流电源的最大输出电压应按1.5～1.6倍的电压储备量，根据最大直流输出电流来确定Udmax=（1.5～1.6）Idmax×2r1（2-4）定子一相绕组的电阻r1应当实测，在实测不可能时可按下式计算当U1N=6000V时当U1N=380V时式中SN%——电动机额定转差率的百分数。对于双闭环动力制动系统，考虑到动力制动电流强激的要求，最大直流输出电压应取（2-5）式中——直流动力制动电流的强激倍数；对于三相桥式半控主回路，可取2.5～3倍的强激；在需要设置整流变压器的情况下，为了减小变压器的容量，可取偏低的强激倍数；在不用整流变压器即可控整流电路直接接于交流220/380V电网的情况下，则取偏高的强激倍数。对于三相桥式全控主回路，可以取更大的强激倍数；设置整流变压器时，取用3.5倍左右的强激倍数;不用整流变压器时，则取用尽可能大的强激倍数。（3）最大输出功率的计算直流电源最大直流输出功率为（2-6）式中Pdmax的单位为kW。6）动力制动装置参数及配套表KZG（D）系列晶闸管动力制动电源装置参数及配套表见表2-1。表2-1KZG（D）系列晶闸管动力制动电源装置参数及配套表2．KDG—D系列全数字低频制动电源装置1）应用范围及用途该装置可以和任何型号交流提升机电控配套使用，控制提升机减速和低速爬行。（1）正力提升方式：在这种工作方式下，减速段采用正力减速，通过电机转子电阻的切换来实现，当速度下降到爬行速度时，低频装置投入实现低频拖动爬行；（2）负力提升方式：提升机运行至减速点时，电机从主电源上断开，经0.5秒的消弧延时低频装置投入，通过速度闭环的调节作用改变输出电压、输出电流、输出频率的大小，使减速段的实际速度跟随给定速度，并实时将系统的部分动能转化为电能回馈电网，另一部分电能通过转子电阻，当速度下降至爬行速度时，自然过渡到爬行状态，在正力或负力方式下，低频装置还可以完成换层、平罐等拖动；（3）验绳提升方式：验绳方式是用低频装置直接拖动电动机运行于爬行速度的工作方式，用于检查和更换钢丝绳、检查和维修井筒、更换提升水平、低速下放重物等。3）技术特点及参数（1）装置采用全数字变频器和逻辑无环流技术，省去有环流系统的三个环流电抗器，具有体积小、噪音低、空载损耗小等特点；（2）减速段速度调节采用低频发电制动方式，将系统的动能反馈给电网，与动力制动减速相比，不仅调速性能好，减速与爬行自然过渡，而且节能效果显著；（3）采用现代智能控制技术实现速度电流闭环调节，负力减速阶段在各种负载条件下均可严格按照给定的速度图运行，使交流拖动系统在减速段达到直流拖动系统的调速性能，减速段到爬行段过渡平滑；（4）由于装置优良的调节性能和发电状态的自然过渡，在提升系统的最大静张力差允许范围内均能实现正力减速与爬行、负力减速与爬行及验绳等多种工作方式，能满足主、副井提升的所有控制要求；（5）系统具有完善的自诊断功能，通过彩色液晶显示器可以指示各种故障信息（七十余种）、速度图和系统运行参数等，提高了系统的可靠性和维护性；（6）三相低频电源装置调节参数都可以通过操作面板按键完成，并通过液晶显示屏进行显示，使操作、维护更加简单明了；（7）采用矢量控制技术，在不需要外加速度检测元件如测速机或编码器的情况下，零速启动转矩达150％，确保低速爬行时的启动与运行特性；（8）技术参数：输入电压380VAC；输出电压0～660V；输出频率l～4Hz；（9）减速段频率从大到小连续变化，输出频率紧紧跟随给定频率，并且频率与电流值可以准确指示出来。4）原理框图KDG—D系列全数字低频制动电源装置工作原理如图2-6所示。5）全数字低频电源装置配套参数表全数字低频电源装置配套参数表见表2-2。表2-2全数字低频电源装置配套参数表电机电压/功率低频电流低频电压6kV≤400kW100A440V＜800kW200A＜1000kW250A10kV≤400kW60A660V＜800kW120A＜1000kW150A图2-6KDG—D系列全数字低频制动电源装置工作原理6）低频制动电源装置输出参数的选择（1）低频频率fL1的确定低频频率fL1的确定是以满足爬行速度为依据，其低频频率范围与提升容器最大运行速度、爬行速度及电源数据等因素有关（Hz）（2-7）式中f1——工频频率，（Hz）；vc——爬行速度，m/s；vmax——最大速度，m/s。（2）低频电源电压的确定低频电源电压的确定以保证足够的爬行转矩为依据，并应使电动机在低频电源供电时其电磁转矩和过载能力基本不变。低频电源电压可按下式计算（2-8）式中U1——工频电源线电压，V；UL1——低频电源线电压，V；f1——工频电源频率，Hz；fL1——低频电源频率，Hz；Kuc——电压补偿系数，补偿频率降低对电动机最大转矩的影响。当fL1=2～5Hz时，Kuc=1.1～1.5，频率愈低取值愈大。（3）低频电源容量的确定用于主井提升时，一般根据爬行时所需功率选用。低频电源容量可按下面两种方法进行估算（2-9）式中PL1——低频电源容量，kVA；PN——提升主电动机的容量，kW。（2-10）式中IL1——爬行时所需低频线电流，根据爬行时所需力矩计算，A。用于副井提升并担负下放重物时，则根据使用低频电源供电期间所需最大功率估算（2-11）式中UL1max——低频电源供电期间所需的最大电压，V；IL1max——低频电源供电期间所需的最大电流，A。同时应使UL1max＜UL1N；IL1max＜IL1N式中UL1N——低频电源允许的最大输出电压，V；IL1N——低频电源允许的额定输出电流，A。（二）磁放大器和自整角机1．磁放大器1）磁放大器的基本工作原理磁放大器是一种无触点电器，利用铁磁材料的非线性特性，由饱和扼流圈（交流绕组）与整流元件组成的一种电磁装置。由于磁放大器具有稳定性好、可靠性高、过载能力强、抗干扰能力较强，可以综合比较几个独立的信号、使用寿命长、维修方便等优点，在提升机电控系统中作为放大元件而得到应用。它的缺点是电磁惯性较大，体积较大而限制了它的应用。磁放大器的原理线路如图2-7所示。铁芯中有两个绕组，一个是工作绕组WA（交流绕组），该绕组通过负载RL接到电源上。另一个是控制绕组（直流绕组）WC，接直流控制信号。图2-7磁放大器原理图图2-8放大器铁芯磁化曲线在图2-8中，当控制绕组中的控制信号为零，工作绕组接交流电源时，在铁芯中产生的磁感应强度为B1=Bmsinωt，如图中曲线①所示，对应的磁场强度H可由磁化曲线逐点求得，如图中曲线③所示。因为磁场强度H与绕组中的电流成正比，故曲线③也表示电流的变化曲线。可见在磁化曲线原点附近，铁芯导磁率μ与H成反比，而铁芯电感L与导磁率μ成正比，所以此时的交流绕组阻抗较大，、流过工作绕组的负载电流很小。在直流控制绕组中加一直流信号时，铁芯中产生一直流磁感应强度BC，此时铁芯中的磁感应强度为B2=BC+Bmsinωt，图2-9磁放大器的控制特性如图中曲线②，对应的磁场强度由磁化曲线求得，如图中曲线④所示。可见铁芯的饱和度增加，使磁场强度波形发生畸变，正半周内H变大。但由于这时的铁芯导磁率图2-9磁放大器的控制特性由此可见，利用铁芯磁化的非线性特性，用较小的直流信号控制铁芯的饱和度，即可控制较大的负载电流的变化，产生放大、控制的作用。交流负载电流随直流控制电流的变化关系称为磁放大器的控制特性，其特性曲线如图2-9所示。2）磁放大器的结构实际使用的磁放大器采用双铁芯、双工作绕组反极性串联、多组控制绕组的结构形式，如图2-10所示。这样既解决了单铁芯交流磁场正、负半周不对称的问题，同时双工作绕组上的交流感应电势反极性串联，相互抵消，不会使控制绕组中的直流控制信号发生畸变。工作绕组接桥式整流电路即可供给直流负载如图2-11所示。无反馈的磁放大器放大倍数很小。为了增加放大系数，减小磁放大器的电磁惯性，一般磁放大器都采用正反馈的内部接线形式。常用的正反馈方式有内反馈如图2-12和外反馈如图2-13两种。也可以在内反馈结构上附加外反馈以调整反馈系数。内反馈磁放大器是在交流绕组中串联二极管，使流过一组工作绕组的电流为半波整流电流，而在负载上直接获得直流工作电压。同时由于流过工作绕组的半波电流的直流分量图2-10双铁芯磁放大器图2-10双铁芯磁放大器图2-11直流输出的磁放大器矿井提升机电控系统中采用的直流输出内反馈磁放大器的工作特性如图2-14所示。图中，磁放大器输出特性的ac段为线性工作段。但当IC=0时，工作电流IL不为零，使线性工作区缩小且磁放大器空载电流变大。因此，一般磁放大器在使用时预先给一个控制绕组加上一个固定直流电流（一般为负值），使IC=0时输出电流IL降到a点。这个绕组叫偏移绕组。也可以利用偏移绕组任意设置静态工作点如图2-13所示。图2-12内反馈磁放大器图2-13具有偏移和外反馈的磁放大器交流拖动提升机电控系统中的可调闸磁放大器AM1和电气制动前置磁放大器AM3一般都工作在特性曲线的上部B*图2-12内反馈磁放大器图2-13具有偏移和外反馈的磁放大器3）磁放大器技术数据矿井提升机电控系统多采用FC2、FC3系列磁放大器。字母“FC”表示磁放大器，数字表示类型。2类磁放大器为“O”形铁芯；3类磁放大器为“U”形铁芯。图2-14图2-14直流输出内反馈磁放大器的工作特性图2-15FC2系列磁放大器1—铁芯；2—工作绕组；3—控制绕组磁放大器的各类绕组端子用数字编号。图2-15中1～8为工作绕组；11～22为控制绕组。控制绕组可兼作外反馈绕组或偏移绕组。各绕组端子的编号原则是：凡单号端子（或双号端子）均为同名端。当电流分别从单号端