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文档简介
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本章着重介绍应用开关电器、主令电器、接触器、继电器、断路器、熔断器的煤矿通风、压风、排水、提升电气控制方案、电路。介绍了煤矿通风、压风、排水、提升等生产设备的技术要求、工艺流程、技术参数、工作特点,分析了排水设备中电动机定子串电抗启动原理与实现,压风设备中电动机转子串频敏变阻器启动原理与实现,着重介绍并要求学生掌握时间控制原则和电流时间混合控制原则在煤矿提升系统生产中的应用原理、方法与实现。23.1矿井主要通风设备控制3.1.1主要通风设备概述矿井通风设备是煤矿重要的固定设备之一,其主要作用是将地面的新鲜空气连续不断地送入井下,保证井下空气的含氧量,稀释、排出爆炸性和有害气体,调节井下所需的环境温度和湿度,改善井下工作条件,保证矿井安全生产。因此,矿井通风设备对煤矿生产有着重要意义。特别是对含有瓦斯的矿井,良好的通风是防止瓦斯爆炸和安全生产的重要保证。井下工人需要在环境温度低于25℃的条件下工作,才能安全生产并提高生产率。因此.新鲜空气在矿井里是每时每刻都不可缺少的。按照通风设备的工作介质在通风机中的运动情况,通风设备分为离心式通风设备和轴流式通风设备两大类,二者的区别在于离心式通风设备其风流沿通风机叶轮的轴向进入并沿径向流出,而轴流式通风设备的风流则沿通风机叶轮的轴向进入并沿轴向流出。33.1矿井主要通风设备控制1.主要通风机电力拖动的特点和要求1)通风设备电力拖动的特点矿井通风条件的变化是缓慢的。主通风机一般不需要调速,并且是夜以继日地工作,启动和停车次数极少,而且不需反向。根据这一特点,主通风机宜采用同步电动机,这样可提高全矿供电电力网的功率因数。当所需电动机的功率较小,产品中又无这种同步电动机时,亦可采用鼠笼式异步电动机或绕线式异步电动机。矿井通风设备所使用的电动机:矿山主通风机和辅助通风机(或称分区通风机)均设置于地面,可用一般构造的电动机。在有瓦斯或煤尘爆炸危险的矿井,则在扩散器和风道保证不漏气的情况下,或风机与电动机之间有防火墙隔绝的条件下,也可采用一般构造的电动机。否则,必须采用隔爆型的电动机和隔爆型的电气设备。43.1矿井主要通风设备控制在矿井通风设备的电力拖动中,根据不同功率,使用不同的单机型号。当功率为100~150KW时,可以采用低压鼠笼式异步电动机。当功率为150~350KW时,可以采用低压同步电动机,其电压为380V。当功率高于350KW以上时,可采用高压同步电动机,其电压为6KV。当通风机需要调速时,可选用绕线式电动机,并采用相应的控制电路,以满足通风机的调速要求。2)对矿井通风设备电气控制的要求矿井通风设备是煤矿最主要的用电设备。为适应矿井通风技术的发展,提高通风设备运转的可靠性和经济性,保证矿井生产的安全,矿井通风设备的电气控制应能完成以下要求:(1)应能保证风机远动化和自动化的启动和停止,以及同步电动机的自动投入励磁;(2)当工作的风机发生故障时,能自动停车,并能自动启动备用通风机和打开相应的风门;53.1矿井主要通风设备控制(3)应能保证远距离操纵反风装置进行反风;(4)远距离监视通风机工作情况(风量、负压、各轴承温度、电动机的情况、反风门的位置等),当工作不正常时,发出信号自动停车;(5)应有较完备的信号监视和故障警报系统。要达到上述各项要求,需要合理地选择通风机的电气控制系统,正确地选择各种电器和仪表。自动地、及时地调节主通风机的风量,在保证矿井大气条件和安全生产的前提下,实现通风设备的经济运转。因此,现代化矿井通风设备的控制系统必须向着综合自动化方向发展。63.1矿井主要通风设备控制2.常用通风机的技术特征矿用离心式通风机主要有4-72-11型、G4-73-11型和K4-73-01型,前两种多用于中、小型矿井,后者常用于大型矿井。常用的轴流式通风机有FBCZ和FBCDZ系列。FBCZ系列通风机为单级防爆式,是根据中、小型煤矿通风网络参数设计的,适用于通风阻力较小的中、小型各类矿井;FBCDZ系列通风机是双叶轮对旋防爆式,是根据大、中型矿井通风网络参数设计的,适用于通风阻力较大的大、中型各类矿井。73.1矿井主要通风设备控制3.1.2通风机常用电气控制举例煤矿主要通风机房均设有两套同等能力的通风机及其传动电动机,通常需设置两套独立的电控设备。其中一套工作,一套备用,并且能在十分钟内完成工作风机和备用风机的倒换以及反风操作。专为风机节能运行而设的调速装置可为两套风机所共有,但需同时备有安全可靠、便于操作的切换设备。现有的各种标准化高、低压配电通用产品,既可用作通风机房的高、低压配电设备,又可用作通风机的电控设备。对于使用高压电动机的通风机房,可选用XGN-10型、KGN-10型及GG-1A型等固定式开关柜或KYN-10型、JYN2-10型等移开式开关柜。对于低压笼型电动机,各种固定式、抽屉式低压配电柜,TP系列通用控制屏及GCK-1系列电动机控制中心,JK型交流低压电控设备等均可选用。83.1矿井主要通风设备控制其中有些产品系列还有实现鼠笼型电动机降压启动以及电动机可逆运转、绕线型异步电动机利用频敏电阻器启动等功能。为实现鼠笼型电动机的降压启动、绕线型电动机的启动及电动机的可逆运转,可根据生产实际选用其中一种启动控制设备使用。作为教材,仅介绍几种通风机启动电控设备及其工作原理,以期取得举一反三之效。1.鼠笼型电动机降压启动控制设备1)JJ1系列自耦减压启动拒JJI系列自耦减压启动柜作为交流电压为380~660V,功率为11~315KW的三相鼠笼型电动机降压启动控制设备,可使电动机自动加速到满速。装置设有电动机的短路、过载、欠压以及防止单相运转等保护。从降压启动到全压运行之间的转换,采用DJ1-A型电流-时间转换装置实现电流和时间的双重控制。93.1矿井主要通风设备控制自耦变压器降压启动控制是利用特制的三相自耦变压器降压启动电动机。自耦变压器备有不同的电压抽头,根据电机容量、转矩和启动要求而选择使用,例如可设为电源电压的73%,64%和55%等。自耦变压器降压启动继电器控制线路如图3-1所示。其工作过程如下:合上开关QS,按下SB2按钮,KM1线圈得电,其主触点吸合,接通自耦变压器TC,使电动机定子绕组串入自耦变压器而降压启动。其辅助动合触点KM1闭合,分别起自保、接通指示灯HL2的作用。KM1的辅助动断触点断开指示灯HL1和KM2线圈回路,以确保KM2不得电。KM1得电的同时,接通时间继电器KT,KT得电后延时△t,此时电动机M已接近额定转速,KT延时动合触点闭合,使中间继电器KA得电并自锁,其动断触点断开使KM1断电,其与自耦变压器相联的主触点断开,切除自耦变压TC,同时也使时间继电器KT失电,其延时动合触点瞬时从闭合状态被打开,但由于KA的辅助动合触点闭合而自保,维持其动合触点吸合,动断触点打开。10图3-1自耦变压器降压启动继电控制线路图113.1矿井主要通风设备控制KM1得电的同时,接通时间继电器KT,KT得电后延时△t,此时电动机M已接近额定转速,KT延时动合触点闭合,使中间继电器KA得电并自锁,其动断触点断开使KM1断电,其与自耦变压器相联的主触点断开,切除自耦变压TC,同时也使时间继电器KT失电,其延时动合触点瞬时从闭合状态被打开,但由于KA的辅助动合触点闭合而自保,维持其动合触点吸合,动断触点打开。由于KA的得电,在使KM1释放的同时,使KM2得电,KM2主触点接入主电路,使电动机全压投人运行。KA的辅助动断触点断开,KM1的辅助触点动合、动断触点复原,指示灯HL2熄灭、HL1发光,KM2的辅助动合触点闭合,接通指示灯HL3。当电动机达到稳定运行时,由于KM2、KA吸合;KT和KM1处于断电状态。当按下停止按钮SB1时使KM2、KA失电,电机停转。电动机的短路保护和过负荷保护如前所述。2)QJ3型降压启动器123.1矿井主要通风设备控制常用的QJ3型启动补偿器电气原理如图3-2所示。补偿器由自耦变压器、保护装置、操作机构和触头系统组成。其中触头部分浸在绝缘油中,以便触头分断电流时产生的电弧能在油中冷却、汽化而迅速熄灭。启动器中的自耦变压器有两组抽头,分别是65%UN、和80%UN,可根据电动机启动时负载的大小选择不同的启动电压。变压器的绕组是按短时工作设计,一般规定在4h内的电动机启动时间不超过40~60s,否则变压器将超过允许温升而不能工作。启动器内有过载和欠压两种保护。过载保护的热继电器FR触点串接在欠压脱扣线圈KV回路中,当电动机过载时,热继电器动作,其常闭触点FR断开,脱扣线圈失电,切断电源停车;当电源断电或电压低于规定值时,脱扣线圈动作,直接顶开主触头,电源恢复正常后,要重新启动电动机。为避免误操作使电动机全压启动,启动器的操作手柄设有机械闭锁装置,保证电动机只有先经过启动阶段,才能投入全压运行。13图3-2QJ3型自耦变压器降压启动器控制电路图143.1矿井主要通风设备控制启动器停车时,按下停止按钮SB,失压脱扣线圈失电,衔铁释放,触动开关连杆使操作手柄从运行位置自动跳回停止位置,电动机停车。QJ3型启动器一般用于75KW以下的鼠笼型电动机启动。153.1矿井主要通风设备控制2.高压鼠笼型电动机电抗器启动设备为减小启动电流,还可以在电动机定子回路串入电阻或电抗器.以降低定子绕组电压的方法来实现。在定子回路中串入电阻或电抗器时,由于电流会在电阻或电抗器上产生压降,所以加在电动机定子绕组上的电压会降低,从而可减小启动电流。但是,这种启动方法不仅会降低启动转矩,若采用定子绕组串电阻启动,则启动电流还会在电阻上产生较大的有功损耗,因此,串接电阻启动多用于小容量电动机;对于容量较大的电动机,常采用串电抗器降压启动的方法。采用定子绕组串电抗器降压启动,不仅可以降低启动电流,而且还能克服启动电阻上电能损耗的缺点,所以对于大容量、高电压电动机的启动,如矿井排水、压气和通风设备的拖动电动机(笼型电动机)常采用这种启动方法。163.1矿井主要通风设备控制电抗器降压启动控制电路如图3-3所示。它是用于6KV、1000KW以下鼠笼型电动机降压启动的QZO—6A型高压综合启动器控制电路。电路中装设气冷式QKSQ型三相电抗器,并用电流继电器自动控制启动时间,用高压交流接触器短接电抗器。另外电路还设置了多种保护。首先需要说明的是,为了熟悉煤矿电控设备标号习惯,图3-3的电路标示与本书第二章所介绍的不同之处是接触器KM的辅助触点与主触点标号有区别,主触点标号为KM,辅助触点标号分别予以编号如KM1、KM2、KM3等。本文在本案例分析过程中沿用煤矿编号方法,不作改动,也是一种可参考的标注方式,敬请读者留意。主电路由高压隔离开关QS,SN1-10G型贫油断路器QF,电流互感器TA1、TA2及三相电抗器L组成。17图3-3QZO—6A型高压综合启动器原理图183.1矿井主要通风设备控制三相电流继电器KI1作为TA1的负载,用于电动机启动时间的控制;电流表PA可显示电动机正常运行时的电流值;过电流继电器KI2用于电动机的过电流保护。控制电路分两部分,分别由两路电源供电,一路由主电路的电压互感器供电,另一路由专用电源供电。高压油断路器QF是带有失压脱扣装置的手动开关,即当脱扣线圈有电时才能合闸。合闸时,由手动操作带动主触头先闭合,待断路器手把合到底后,其辅助触点才能动作,即主触头先于辅助触点闭合。触头断开时,可以手动操作,也可以通过脱扣线圈KV控制。当KV失电时,由机械脱扣机构将触头打开。电动机启动前,先合上隔离开关QS和转换开关SA1、SA2、控制回路有电,绿色指示灯HG亮,电压表PV指示工作电压数值。因为KM3是接触器KM的辅助常闭触点,故同时脱扣线圈KV支路接通,允许油断路器QF合闸。193.1矿井主要通风设备控制电动机启动时,手动操作油断路器QF合闸,电动机串接电抗器启动。由于断路器的辅助触点QF0~QF4滞后于主触头动作,因而在此期间,较大的电动机启动电流首先使三相电流继电器KI1吸合,其常闭触点KI1提前切断接触器KM支路。所以,当油断路器合闸时,不会因其辅助触点QF4的闭合而使KM有电。油断路器QF的其他辅助触点动作将引起:(1)QF0打开,绿灯HG灭,表示电动机正在启动;(2)QF1闭合,为红灯HR亮做准备;(3)QF2闭合,短接触点KM3,保证KV的电流通路;(4)QF3打开,保证电动机在运行过程中脱扣线圈KR不被送电。203.1矿井主要通风设备控制电动机在启动过程中,随着转速的升高电流逐渐降低,当电流下降到继电器KI1的释放值时,三相电流继电器KI1释放,其常闭触点KI1闭合,接触器KM支路被接通。接触器KM有电吸合,引起:(1)主触头KM闭合,短接电抗器L,电动机全压运行;(2)触点KM1闭合,红色指示灯HR亮,表示电动机降压启动结束;(3)触点KM2打开,电流表PA指示电动机在额定电压运行时的工作电流;(4)触点KM3打开,在完成电动机在启动过程中KV支路的接通后再断开,保证电动机过流时KV能断电;(5)触点KM4闭合,为解锁脱扣线圈KR支路通电做准备。213.1矿井主要通风设备控制2)电路保护启动前,如果短接电抗器的接触器主触头KM没有断开,其辅助触点KM3为断开状态,失压脱扣线圈KV支路不能接通,油断路器就不能送电。在启动过程中,若接触器KM发生故障,经1min还不能短接电抗器(红灯不亮),此时必须按动停止按钮SB,断开脱扣线圈KV支路,使断路器跳闸,切断主电路,以防电抗器因长时通电而被烧坏。在运行过程中,为防止专用控制电源断电,造成高压接触器KM主触头断开,使主回路重新串入电抗器,引起电动机降压运行,而损坏电抗器和电动机,在高压接触器中采用自动闭锁装置。即当KM有电吸合后,接触器将自动闭锁此状态,即使KM失电,其吸合时的状态也不会改变,只有当另一个解锁脱扣线圈KR有电吸合时,KM的触头才能恢复原状态。223.1矿井主要通风设备控制解锁脱扣线圈KR吸合的条件是:该控制回路供电电压正常,且油断路器的QF3与接触器的KM4闭合。即在电动机正常运行过程中(接触器的KM4闭合),油断路器跳闸时KR才有可能有电吸合。若油断路器不跳闸,KR就不会有电,从而保证电动机在正常运行过程中,不会因KM失电而重新串入电抗器。另外,在电动机运行过程中,若专用控制电源出现故障时,KM的触头将保持吸合时的状态,故主电路仍能正常运行。但停机后,因接触器KM各触头状态不变,其辅助触点KM3为断开状态,故失压脱扣线圈KV不能接通,而使油断路器不能合闸。因此,必须找出控制电源故障,并排除后,解锁脱扣线圈KR才能有电,才能使接触器KM解锁而恢复原态。233.1矿井主要通风设备控制3.绕线型异步电动机的启动控制设备1)转子回路串频敏变阻器的启动器(1)GTT6121型启动器电器原理GTT6121型启动器电机转子回路串频敏变阻器的启动控制电路如图3-4所示。该电路是GTT6121型启动器,用于低压绕线式电动机的不可逆控制。启动前,首先闭合自动开关QS,主电路有电。闭合开关SA1,控制回路有电,绿色指示灯HG亮。启动时,按下启动按钮SB1,接触器KM1有电吸合,其主触头闭合,电动机转子串频敏变阻器RF启动,常开触点KM1自保;常开触点KM1闭合,红色指示灯HR亮,表示电动机正在启动。24图3-4GTT6121型启动器电器原理图
(a)工作原理图(b)机械特性示意图253.1矿井主要通风设备控制接触器KM1的触点KM1闭合,时间继电器KT有电,其常开触点经延时⊿t后闭合,接通中间继电器KA,通过其常开触点KA使接触器KM2通电吸合,KM2的主触头闭合短接转子绕组,切除频敏变阻器。同时辅助触点KM2打开,绿色指示灯HG灭,表示电动机降压启动结束进入全压运行状态。停车时,按下停止按钮2SB,接触器KM1失电,主触头打开,电动机停转。同时其他接触器、继电器及其触点恢复原态,为下次启动作准备。主电路中的电流互感器二次侧装有指示电流表和用于电动机过载保护的热继电器。需要指出的是,由于电动机启动电流较大,频敏变阻器容易发热,所以转子回路串频敏变阻器启动方法,只能用于电动机的偶尔启动。263.1矿井主要通风设备控制(2)KRG—6B型高压综合启动装置用于6kV、1000KW以下的大功率电动机,可采用KRG—6B型高压综合启动装置。其电气原理如图3-5所示。这种启动器适用于水泵、空压机等设备的轻载启动,在频敏变阻器完全冷却的情况下,可连续启动二次或三次,否则频敏变阻器会因过热而不能正常工作。启动装置的主电路包括高压隔离开关QS和具有脱扣装置的高压油断路器QF;电流互感器TA1二次以不完全星形方式接三相电流继电器,KI1间接控制频敏变阻器的切除;电流互感器TA2二次以两相差接方式接过流继电器,用于对电动机进行过流保护;电压互感器TV二次作为控制回路电源(没有绘出),并接的电压表PV用于显示主电路工作电压。27图3-5KRG—6B型高压启动器电气原理图283.1矿井主要通风设备控制启动前,首先闭合高压隔离开关QS和转换开关SA,控制回路有电,绿色指示HG亮。同时保护电路中的脱扣线圈KV有电吸合,允许合闸启动电动机。启动时,手动操作油开关QF,其主触头先于辅助触点QF1~QF4动作,电动机转子回路串频敏变阻器启动。较大的启动电流使主回路的三相电流继电器KI1吸合,其常闭触点KI1打开,切断接触器KM电路,保证启动过程中频敏变阻器不被切除。待油开关操作手柄完全合上时,其辅助触点才动作:QF1打开,绿灯HG灭,表示电动机正在启动;QF2闭合.为红灯HR亮作准备;QF3闭合,短接KM常闭触点,保证脱扣线圈在启动瞬间的电流通路;QF4闭合,为接触器KM通电作准备。随着电动机转速升高,主电路电流下降到某一数值(一般为1.2倍的额定电流)时,三相电流继电器KI1释放,其常闭触点闭合,使接触器KM有电吸合.主触头KM闭合短接电动机转子绕组,切除频敏变阻器。同时常开触点KM1闭合,红色指示灯HR亮.表示电动机降压启动结束。293.1矿井主要通风设备控制在启动过程中,如果接触器KM发生故障,经1min后红色指示灯仍不亮,说明频敏变阻器未被短接,这时必须按下停止按钮SB,切断脱扣线圈电路,使油开关跳闸,以避免频敏变阻器长时间接在电路中而被烧坏。当电动机发生过载或短路故障时,具有反时限保护的电流继电器KI2动作,其常闭触点KI2打开,脱扣线圈失电,油开关跳闸,起到保护作用。当主电路电压低于某一数值(欠压)时,脱扣线圈因吸力不足而释放.油开关跳闸或不能被送电。另外,该电路还设有限位开关SQ,其触点串接在脱扣线圈回路中,当启动器箱盖打开时,触点断开,油开关不能送电合闸,从而起到安全闭锁作用(图3-5中未画出)。303.1矿井主要通风设备控制保护电路中并联触点QF3和KM3的作用是:在电动机启动前,先由常闭触点KM3为脱扣线圈提供通路,若电网电压正常,脱扣线圈吸合,允许油开关QF送电,否则油开关不能合闸送电;另外,当接触器触头KM因故没有断开,与其同轴的触点KM3就不能闭合,脱扣线圈因送不上电而不能使油开关合闸送电,防止电动机不串频敏变阻器而直接启动。因而必须首先排除接触器KM故障,才能使电动机正常启动。停车时,可操作油开关手柄直接切断电动机电源,或按动停止按钮SB,通过脱扣线圈使油开关跳闸,电动机停转。4.通风机的软启动电控设备通风机使用软启动设备进行启动控制可以消除设备在启动和停车过程中对系统的机械冲击,降低机械冲击危害,消除设备在启动过程中对电网的冲击,降低启动电流,降低因启动电流过大而造成的电网压降。通风机软启动设备的选择与使用参考本书第三节。313.2煤矿主要压气设备的电气控制3.2.1矿井空气压缩设备概述1.矿山压气系统的组成与作用现代工矿企业中,使用压缩气体的机器愈来愈多,例如:化工、石油、冶金、轻工、纺织及采矿等,许多工业中无不广泛使用各种各样的气体压缩机。因此,气体压缩机是近代工业生产中不可缺少的通用机器。压缩空气一直是矿山所采用的原动力之一,用以带动凿岩机、风镐及其他风动机械进行工作。由于像凿岩机这类风动工具的冲击力强,适用于钻削坚硬的岩石,而且风动工具结构简单、重量轻、操作方便,尤其在有瓦斯和煤尘爆炸危险的矿井里,使用这种动力比使用电力安全。虽然整个压气系统(包括压缩空气的生产和输送,以及在风动机具中的使用)的效率很低,成本较高,但在目前矿山采掘作业中,仍然普遍采用风动工具来凿岩和落煤。32矿山压气系统主要由拖动设备(一般用电动机),空气压缩机及其附属装置(包括滤风器、储气罐、冷却装置等)和压气管道等组成,其组成示意图如图3-6所示。空气压缩机的任务就是要安全、经济、可靠地产生足够数量和压力的空气。矿山空压机站一般都是设在井上,用管道把压缩空气送人井下,沿大巷,上、下山到工作面,带动风动工具工作(见图3-6)。但在低沼气矿井中,若送风距离较长时,为节省钢材,减少压力损失,亦可在井下主要运输巷道附近新鲜风流通过的地方,设置空压机站。1—电动机;2—空压机;3—虑风机;4—储气罐;5—管道;6—风动工具图3-6矿山压缩空气设备示意图333.2煤矿主要压气设备的电气控制2.压气设备电力拖动的特点和要求压气设备的拖动电动机属长时工作方式,无调速要求。当排气量不大时,可由异步电动机拖动;当排气量较大时,可采用同步电动机拖动。为保证空压机运行可靠、安全,对于排气量大的空气压缩机在运行过程中,其电力拖动控制有以下要求:(1)为保证空压机的润滑油压、油温在规定范围内,应有相应的保护措施。(2)空压机的冷却水不能出现间断,应有断水保护。(3)应密切监视各级排气温度,以免超过规定范围,要有温度保护。(4)避免空压机气压超过规定范围,要有压力保护。(5)空压机必须实行空载启动,以防止电动机过载等严重事故的发生。343.2煤矿主要压气设备的电气控制3.常用空气压缩机的电气技术特征煤矿常用的空气压缩机是固定型二级双缸复动水冷活塞式空气压缩机,按其高、低压气缸的排列方式,可分为L形和D形两种。L形空压机的高、低压缸一个水平排列、一个垂直排列。它兼有立式和卧式的优点,并用装在曲轴上的平衡铁进行大部分或全部惯性力的平衡,因此可以制成较高的转速。D形空压机为对称平衡式,其特点是气缸水平布置在曲轴两侧,相对两列的活塞力方向相反,能互相抵消,从而改善曲轴的受力状况,可节省材料、减轻机体重量和降低制造成本。353.2煤矿主要压气设备的电气控制压气设备电力拖动装置的基本形式是电动机。国产空气压缩机,当其排气量在40m3/min以下时多采用异步电动机拖动,电动机容量一般在200KW以下。当排气量在40m3/min以上时,同步、异步电动机均可采用。由于所需电动机容量较大,通常配备刚性连接、直联拖动的低速同步电动机。尤其是大功率、转速低于600r/min时,选用同步电动机最为适宜。这是因为大型活塞式压气机的曲轴转速一般较低,而大容量的低速异步电动机功率因数很低。采用同步电动机拖动,可向电网输送超前的无功电流,提高矿井供电系统的功率因数。不论是异步电动机拖动还是同步电动机拖动,共同的特点是启动电流大,启动力矩小。因此,采用电动机拖动时,空气压缩机必须实行空载启动,以防止电动机过载。移动式压气站的特点是具有工作的独立性,在供电不方便的情况下,采用内燃机拖动比较合理。但内燃机的废气容易污染大气,井下移动式压气站不宜采用。363.2煤矿主要压气设备的电气控制3.2.2空气压缩机的电气控制举例空压机的电气控制设备,也是由主机制造厂配套供应的,可分为低压笼型电动机拖动、低压绕线型电动机拖动和高压同步电动机拖动三种类型。1.低压笼型电动机的电控设备1)采用星—三角的电控设备以PKY—SB型压缩机控制台为例,该控制台为台式结构,全部电气元件均装于台内,板前接线,进出线都在控制台下方接线板上,控制台可靠墙安装。该控制台可为3L—10/8型空压机配套用,其原理图如图3-7所示。37图3-7PKY—SB型空压机控制台原理图383.2煤矿主要压气设备的电气控制2)工作原理自动空气开关QS合闸后,合上开关SA,主回路处于准备工作状态,控制回路有电。按启动按钮SB1,KM1得电动作,接通电动机转子的三个线头U1、V1、W1,电动机Y形启动;同时辅助常开触点KM1闭合实现自保,也使时间继电器KT1得电;延时△t后(一般整定为5~10s),常开触点KT1闭合,中间继电器KA1得电;此时电动机速度接近额定转速,常闭触点KA1打开,KM1失电;常开触点KA1闭合,接触器KM2得电,主回路常开触点KM2闭合,电动机转为三角形运行;即电机启动后,按时间原则先让交流接触器KM1失电,再让交流接触器KM2得电,电动机成△接法运行。按停止按钮SB,交流接触器2KM失电断开,电动机停止运转。393.2煤矿主要压气设备的电气控制3)保护系统(1)使用DZ10—250/330型空气开关QS作短路、过流保护,其额定电流为140A。(2)使用热继电器FR作过载保护。热继电器型号为JR16B—20/3,出厂整定为3.3A。(3)控制回路采用熔断器保护。若控制回路熔芯熔断,应按图纸要求更换熔芯。(4)用温度继电器防止空压机二级排气温度过高。当空压机有故障,二级排气温度超过160℃时,温度继电器KR(图中仅有KR触点、出厂时整定为160℃)动作,中间继电器KA4的常开触点接通,电笛发出声音报警,指示灯HT发出光报警。403.2煤矿主要压气设备的电气控制(5)采用压力控制器作油压低保护:①电动机启动30s后,若油压仍低于0.1MPa,压力控制器常闭触点KP不动作(图中仅有KP触点),时间继电器KT2的常开触点延时30s后闭合,KA5得电,其常闭触点断开,交流接触器KM2断电,电机停止运转。②当压缩机启动,经过30s,润滑油压为上升到大于或等于0.1MPa时,压力继电器常开触点KP动作,接触器KA3线圈得电,两个常开触点KA3闭合,一方面自保,另一方面为KA2通电声光报警做准备。③在压缩机正常运行过程中,由于某些故障,润滑油压力小于0.1MPa时,压力继电器的常闭触点KP恢复原状,KA2线圈得电吸合(此时由于KA3处于自保状态,使与KA2串联的常开触点KA3处于闭合状态)。中间继电器KA2得电,其常开触点闭合,电笛响;常开触点闭合,HL亮发出灯光指示。413.2煤矿主要压气设备的电气控制④消音:按钮SB2(此时KA2的常开触点处于闭合状态),中间继电器KA6得电,其常闭触点断开,笛声即消除。2.采用自耦变压器降压启动的电控设备该设备电控原理如图3-8所示。其电气元件全部装于PKX—IV型控制箱内,附件(压力、温度继电器)安装在空压机上。自耦变压器连接和断开在控制箱内自动切换,不须手动操作。1)主回路自动空气开关QS合闸后,主回路处于准备工作状态。将转换开关SA置于通的位置,指示灯HL1发出绿光,指示控制回路得电。按启动按钮SB1,KM1得电动作,通过自耦变压器接通电动机的三个线头U、V、W,电动机降压启动。经10~15s延时后,KM1失电,KM2得电,电动机转入正常运行。按停止按钮SB,KM2失电,其触点断开,电动机停止运转。42图3-8PKX—IV型压缩机控制箱原理图433.2煤矿主要压气设备的电气控制2)控制回路合上开关SA,控制回路得电。按启动按钮SB1,接触器KM1得电,电动机降压启动。同时KM1的常开触点闭合,时间继电器KT1得电。经一定△t延时后(一般整定为10~15s),其延时常开触点接通,中间继电器KA1得电并自锁。KA1的常闭触点首先断开,使交流接触器KM1失电;KA1的另一常开触点闭合,接触器KM2得电,电动机投人全压正常运转。按下停止按钮SB,控制回路所有电气元件同时失电,电动机停止运转。3)保护系统(1)使用自动空气开关QS(DZ10—250/330型)作为短路保护,整定电流为200A,可调。443.2煤矿主要压气设备的电气控制(2)用热继电器FR分别接人两电流互感器TA1、TA2的次级,经过电流变换作电动机的过流保护。热继电器采用JRO—20/3型,出厂整定为3.5A。热继电器动作后,其常开触点闭合,KA5的线圈得电吸合。KA5的常闭触点断开,KM2失电,电动机停转;其常开触点闭合,电铃H、指示灯HL4回路通电,发出声光信号报警。故障排除后,将热继电器手动复位。(3)用DJ4型压力继电器作为油压保护元件,当齿轮油泵损坏、润滑油管路破裂或进油管路堵塞,使油压低于0.1MPa时,保护动作:①压缩机已启动,润滑油的压力仍低于0.1MPa,则压力继电器KP不动作,KT2有电。经30s延时后,其触点闭合,KA4有电。KA4的常闭触点断开,交流接触器KM1、KM2均失电,电动机停转。②当压缩机启动,经过30s,润滑油压为上升到大于或等于0.1MPa时,压力继电器KP动作,KA3吸合,常开触点KA3闭合,一方面自保,另一方面为KA2通电声光报警做准备。453.2煤矿主要压气设备的电气控制③在压缩机正常运行过程中,由于某些故障,润滑油压力小于0.1MPa时,压力继电器KP恢复原状,KA2线圈得电吸合(此时由于KA3处于自保状态,使与KA2串联的常开触点KA3处于闭合状态)。其常开触点闭合电铃H、指示灯HL3回路,发出声光信号报警;同时KT2线圈有电吸合,若润滑油压力不能恢复,经30s延时后,则KA4有电,KM1、KM2失电,电动机停转。(4)在空压机运转过程中,若立缸排气温度超过160℃,则温度继电器KR1动作,KA6线圈有电,其常开触点闭合电铃H、指示灯HL5回路,发出声光报警信号。(5)在空压机运转过程中,如卧缸排气温度超过160℃,温度继电器KR2动作,KA7线圈有电,其常开触点闭合,电铃H响、指示灯HL6亮,发出声光报警信号。(6)在空压机运转过程中,如排气压力超过规定值,压力继电器KP1动作,KA8线圈有电,其常开触点闭合,电铃H响、指示灯HL8亮,发出声光报警信号。463.2煤矿主要压气设备的电气控制3.螺杆式空压机电控设备LG20—10/7型螺杆式空压机电控设备的电气原理图如图3-9所示。请同学们自行分析。47图3-9LG20—10/7型螺杆空压机电控原理图483.2煤矿主要压气设备的电气控制4.绕线型电动机拖动的电控设备绝大多数的3L—10/8型及4L—20/8型活塞式空压机,均配低压绕线型电动机,其电控设备一律采用频敏变阻器启动,一般不带温度和压力保护装置。1)频敏电阻器频敏电阻器是一种静止的无触点启动设备,具有启动特性好、结构简单、占地面积小、很少需要维护、控制系统简单、易于实现自动控制等优点,因此得到广泛应用。2)频敏电阻器的结构和基本原理频敏电阻器是利用铁磁材料对交流频率极为敏感的特性制成的一种控制电器。由铁芯与线圈组成,其结构如图3-10(a)所示。当在线圈两端加上交流电压后,交变磁通便在铁芯的厚钢板中产生涡流,其等值电阻取决于涡流电路的几何形状,截面以及铁芯材料的电阻系数等。由于结构上的这个特点,使得频敏电阻器同时具有电抗器与电阻器的作用,相当于一个电阻器与电抗器的并联组合体。49(a)频敏变阻器的结构示意图;(b)频敏变阻器的接线图;(c)频敏变阻器的等值电路图图3-10频敏变阻器的结构、接线图及等值电路图在电动机的启动过程中,随着转子感应电势频率的降低,一方面使频敏电阻器的电抗逐渐减小,另一方面也使铁芯中涡流集肤效应逐渐减弱,涡流在厚钢板中渗透的深度逐渐增加,即涡流通道截面加大,等值电阻减小。这种等值电阻和电抗随着电动机转差率的减小而减小,满足电动机在整个启动过程中的要求。频敏电阻器的接线图及一相等值电路图如图3-10(b)、(c)所示,图中Rb、Xs,Rs,分别是绕组的电阻,绕组的励磁电抗和铁芯的等值电阻。503.2煤矿主要压气设备的电气控制3)频敏变阻器的性能绕线型异步电动机转子接入各种理想元件时的机械特性如图3-11所示。接入频敏变阻器时,它的机械特性形状介于变电阻和变电抗的机械特性曲线之间。频敏变阻器是一个变电阻与变电抗的并联组合,其功率因数小于1,不同功率因数的频敏变阻器对电动机机械特性及启动电流特性的影响如图3-12所示。由图中可以看出,在相同启动电流的情况下,功率因数越高,启动转矩就越大,但特性较软;功率因数较低,启动转矩稍小,但上部特性较好。功率因数:l―0.4;2―0.6;3―0.8;影响频敏变阻器功率因数的主要因素有导线匝数、铁芯气隙、叠片厚度等。在使用中,通过调整频敏电阻器的功率因数来改变机械特性曲线的形状,以适应不同的负载。51
(a)
定子串电阻或电抗(b)定子接自耦变压器(c)转子传频敏变阻器图3-11绕线型异步电动机机械特性比较3-12不同功率因数的频敏电阻器对电动机机械特性及启动电流特性的影响(功率因数)523.2煤矿主要压气设备的电气控制4)频敏变阻器的选用当使用绕线型异步电动机拖动已经关闭了闸门的离心式通风机或离心式水泵启动时,属于轻载启动。拖动已经开启闸门的轴流式通风机启动时,一般属于重载启动。通风机为偶尔而启动的机械,通常启动后用接触器或断路器将频敏变阻器短接。目前生产的偶而启动频敏变阻器有BP1、BP2、BP3、BP4和BP6等系列产品。偶而启动用绕线型电动机配用频敏变阻器可根据负载性质、电机容量及转子额定电流选取。当钢丝绳牵引胶带输送机选用交流绕线型异步电动机拖动,并采用频敏变阻器启动时,频敏变阻器应按重任务、满载启动的要求来选择。推荐选用启动转矩较大的BP4G系列频敏变阻器。5)频敏变阻器的调整频敏变阻器的铁芯与轭铁间设有气隙,在绕组上留有几组抽头。当改变绕组匝数或气隙时,可以调整电动机的机械特性和启动电流变化曲线,如图3-13所示。具体调节方法如下:53具体调节方法如下:(1)启动电流过大及启动过快时,相应增加匝数;反之,相应减少匝数。(2)刚开始启动时,启动转矩过大。而启动终了时稳定转速低于要求值,致使短接频敏变阻器时产生较大冲击电流,此时可增大气隙。(a)匝数:1<2<3
(b)气隙大小:1>2>3图3-13改变绕组匝数或气隙时的特性543.2煤矿主要压气设备的电气控制6)绕线式电动机频敏变阻器启动设备(1)低压绕线式电动机频敏变阻器启动设备低压绕线式电动机转子回路串频敏变阻器启动控制电路如图3-14所示。该电路是GTT6121型启动器,用于低压绕线式电动机的不可逆控制。启动前,首先闭合自动开关QS,主电路有电。闭合开关SA,控制回路有电,绿色指示灯HG亮。启动时,按下启动按钮SB1,接触器KM1有电吸合,其主触头闭合,电动机转子串频敏电阻器RF启动,常开触点KM1闭合自保;常开触点KM1闭合,红色指示灯HR亦亮,表示电动机正在启动。接触器KM1的常开触点KM1闭合,时间继电器KT有电,其常开触点经一段时间的延时后闭合,接通中间继电器KA,通过其常开触点KA使接触器KM2有电。KM2主触头常开触点吸合,短接转子绕组,切除频敏变阻器。同时辅助触点KM2打开,绿色指示灯HG灭,表示电动机降压启动结束进入全压运行状态。553.2煤矿主要压气设备的电气控制停车时,按下停止按钮SB2,接触器KM1失电,主触头打开,电动机停转。同时其他接触器、继电器及其相应触点恢复原态,为下次启动作准备。主电路中的电流互感器二次侧装有指示电流表和用于电动机过载保护的热继电器。需要指出的是,由于电动机启动电流较大,频敏变阻器容易发热,所以转子回路串频敏变阻器启动方法,只能用于电动机的偶尔启动。(2)高压绕线式电动机频敏变阻器启动设备用于6kV、1000KW以下的大功率电动机,可采用KRG—6B型高压综合启动装置。其电气原理如图3-15所示。这种启动器适用于水泵、空压机等设备的轻载启动,在频敏电阻器完全冷却的情况下,可连续启动二次或三次,否则频敏变阻器会因过热而不能正常工作。56图3-15KRG—6B型高压启动器电气原理图57启动装置的主电路包括高压隔离开关QS和具有脱扣装置的高压油断路器QF;电流互感器TA1二次以不完全星形方式接三相电流继电器KI1,控制频敏电阻器的切除;电流互感器TA2二次以两相差接方式接过流继电器KI2,对电动机进行过流保护(脱扣线圈KV动作进行失电保护);并接的电表PV显示主电路工作电压。启动前,首先闭合高压隔离开关QS和转换开关SA,控制回路有电,绿色指示灯HG亮。同时保护电路中的脱扣线圈KV有电吸合,允许合闸启动电动机。启动时,手动操作油开关QF,其主触头先于辅助触点QF1~QF4动作,电动机转子回路串频敏电阻器启动。较大的启动电流使主回路的三相电流继电器KI1吸合,其在控制回路中的常闭触点打开,切断接触器KM电路,保证启动过程中频敏电阻器不被切除。待油开关QF的操作手柄完全合上时,其辅助触点才动作:QF1打开,绿灯HG灭,表示电动机正在启动;QF2闭合,为红灯HR亮作准备;QF3闭合,短接KM常闭触点,保证脱扣线圈在启动瞬间的电流通路;QF4闭合,为接触器KM通电作准备。3.2煤矿主要压气设备的电气控制583.2煤矿主要压气设备的电气控制随着电动机转速升高,主电路电流下降到某一数值(一般为1.2倍的额定电流)时,三相电流继电器KI1释放,其常闭触点闭合,接触器KM有电吸合,主触头KM闭合短接电动机转子绕组,切除频敏变阻器。同时常开触点KM1闭合,红色指示灯HR亮,表示电动机降压启动结束。在启动过程中,如果接触器KM发生故障,经1min后红色指示灯仍不亮,说明频敏电阻器未被短接,这时必须按下停止按钮SB,切断脱扣线圈电路,使油开关跳闸,以避免频敏变阻器长时间接在电路中而被烧坏。当电动机发生过载或短路故障时,具有反时限保护的电流继电器KI2动作,其常闭触点打开,脱扣线圈失电,油开关跳闸,起到保护作用。当主电路电压低于某一数值(欠压)时,脱扣线圈因吸力不足而释放,油开关跳闸或不能被送电。593.2煤矿主要压气设备的电气控制另外,该电路还设有限位开关SQ,其触点串接在脱扣线圈回路中,当启动器箱盖打开时,触点断开,油开关不能送电合闸,从而起到安全闭锁作用。保护电路中并联触点QF3和KM3的作用是:在电动机启动前,先由常闭触点KM3为脱扣线圈提供通路,若电网电压正常,脱扣线圈吸合,允许油开关QF送电,否则油开关不能合闸送电;另外,当接触器主触头KM因故没有断开,常闭触点KM3不能闭合,脱扣线圈因送不上电而不能使油开关合闸送电,防止电动机不串频敏变阻器直接启动。因而必须首先排除接触器KM故障,才能使电动机正常启动。停车时,可操作油开关手柄直接切断电动机电源,或按动停止按钮SB,通过脱扣线圈使油开关跳闸,电动机停转。603.3煤矿主要排水设备的电气控制3.3.1矿井排水设备概述1.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3-16所示。611―离心式主排水泵;2―电动机;3―启动设备;4―吸水管;5―渔水器;6―底阀7排水管;8一调节闸阀9一逆止阀;10一旁通管;11一引水漏斗;12一放水管;13一放水闸阀;14―真空表;15―压力表;16―放气栓图3-16矿山主排水系统示意622.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转矩工作方式,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。3.3煤矿主要排水设备的电气控制633.3煤矿主要排水设备的电气控制3.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,另一路应能担负起全部负荷的供电。4.排水设备电动机的选择1)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。643.3煤矿主要排水设备的电气控制2)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。图3-17为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TL1时的加速转矩。它用于克服泵机组的惯性以提高转速。电动机机械特性与负载转矩特性的交点若在电动机最大转矩(转矩曲线最高点)点左侧部分(如a、b),则机组能稳定运行,否则是不稳定的。65图3-17异步电动机和负载的转速一转矩特性曲线663.3煤矿主要排水设备的电气控制Tmax―电动机的最大转矩;Tst―电动机的启动转矩;TN―电动机的额定转矩;a、b:―不同负载下的稳定运行点;TL1、TL2―负载的转矩(TL1以下不能长期运行);n0―电动机的同步转速;n1、n2―不同负载下的转速3)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1.1—1.5;γ一矿水相对密度,N/m3;Q一水泵在最高效率点运行时的额定流量,m3/s;H—水泵在最高效率点运行时的额定扬程,m;η一水泵的最高效率。673.3煤矿主要排水设备的电气控制在确定电动机的功率时,还需注意以下几点:(1)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。(2)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人并联运行时的大,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。4)电压等级的选择高压一般为6kV或3kV,低压为660V或380V。683.3煤矿主要排水设备的电气控制5.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,KW·h;ηM—电动机效率;ηs—电网效率,一般取0.95;Q一水泵在工况点的流量,m3/h;ZN、Zm―分别为正常涌水期和最大涌水期的天数,一般ZN取305d,Zm取60d,或按照矿井的具体情况而定;NN、Nm一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。693.3煤矿主要排水设备的电气控制3.3.2排水设备的电气控制举例如前所述,异步电动机在直接启动时,由于施加额定电压,启动电流将达到(5~7)IN,这样大的电流将会给供电系统造成很大冲击;所以除小容量电机外,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—△启动、串电抗器启动、自耦变压器启动、延边三角形启动等。这些方法同样应用于排水设备的起动,为避免内容重复,仅简要介绍一个水泵降压启动实例。本节重点介绍排水设备的软启动工作原理与方法。1.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。703.3煤矿主要排水设备的电气控制1)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3-18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,由电子控制器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,则电子控制器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。71(a)
软启动器的主电路
(b)传统启动方式与软启动电流曲线1―
全压起动;2―Y一△起动;3―
软启动;4―二次冲击电流图3-18软启动器的主电路与传统启动方式与软启动电流曲线723.3煤矿主要排水设备的电气控制2)软启动的优点由于异步电动机在直接启动时启动电流将达到(5~7)IN,给供电系统造成很大冲击,所以除小容量电机外,一般都采取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启动电动机,由于起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3-18所示。2.软启动的类型与应用1)不限流软启动:见图3-19中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:见图3-20。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大的场合。73图3-19小斜率软启动1—不限流软起动2——小斜率起动
图3-20阶跃恒流启动3)小斜率软启动:见图3-19中小斜率软启动特性曲线。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)恒流软启动见图3-20。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。743.3煤矿主要排水设备的电气控制5)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3-21,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0~60s。6)软起动器的应用(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、推厂最多的做法,原理见图3-22。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。753.3煤矿主要排水设备的电气控制(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。763.3煤矿主要排水设备的电气控制(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3-23所示的电路,当A1、B、C1三组晶闸管投入运行时,三相电源A、B、C与电机的U、V、W端相连,电机顺时针旋转;那么当A2、B、C2三组晶闸管投入运行时,三相电源A、B、C与电机的W、V、U端相连,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入运行,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。77图3-21软启动和软停车方式特性图3-22MCC原理图图(4)软启动器与PLC结合组成复合功能。以一台PLC程序控制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PLC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。78图3-23正反转无触点电开关793.3煤矿主要排水设备的电气控制在许多大型排水系统中,平时排水量不大,仅要求少量排水泵投人运行;有时则要求根据水位,逐级增加投人的水泵,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:第一种如图3-24所示。该方案采用一台PLC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,PLC控制首先启动电机M1,启动结束,合上旁路接触器KM2,使电机直接与电网相连,然后打开接触器KM1,使软启动器与该电机分离,合上KM3使软启动器与下一电机相连,由PLC控制下一台电机M2启动。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。80图3-24软启动器与程控器联合控制多台电机81第二种如图3-25所示。该方案每一台电机均配一台软启动器,由PLC程控器根据水位或其他控制量依次逐一启动各台电机,直至全部投人运行;反之,则逐一关闭各台电机。图3-25软启动与程控器联合控制823.3煤矿主要排水设备的电气控制该方案优点: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PLC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人工作。7)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。833.3煤矿主要排水设备的电气控制其次,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-断电-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。软启动器的成本比变频器低一些,它仅在启动与停车时投人运行,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1~2V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。843.3煤矿主要排水设备的电气控制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。3.水泵降压启动设备鼠笼式异步电动机降压启动设备或绕线型电动机的转子控制设备和选择参见有关内容。绕线型电动机的转子控制设备如油浸启动变阻器、频敏变阻器及其控制柜(屏),应根据具体条件布置在电动机的端头或水井对面的壁笼内。下面以GKF—H1型电抗启动柜为例来说明水泵的启动过程。GKF—H1型电抗启动柜包括柜体和柜外的QKSJ型油浸电抗器两部分,适用于额定电压为6kV,额定功率1500KW以下的鼠笼型电动机降压启动。该柜的电路原理图如图3-26所示。该设备多用于井下中央泵房主排水泵的启动。85图3-26GKF—H1型电抗启动柜电路原理图水泵启功时,先合上电源隔离开关QS1和SA,电压表PV即有指示,同时电源指示灯绿灯HL1亮。当水泵灌足引水后,合上油断路器QF(此时,由于隔离开关QS2没有合闸,所以失压脱扣器KV有电,其常开触点KV自保。86因为失压脱扣器线圈KV有电,所以油断路器QF可以合闸),QF合闸后,高压电源经过电抗器L降压后通入电动机M,电动机开始降压启动,此时绿灯HL1灭而黄灯HL2亮,当电动机加速到一定值时,水泵便做等速运转,电流表PA指示由大到小。此时可闭合隔离开关QS2,电抗器L被短接,电动机达到额定转速投人正常运行,QS2的辅助触点将指示灯HL2断开,将红色指示灯HL3接通,说明水泵启动结束,可开启闸阀排水。同时电流表指示上升,当闸阀全开时,电流表应达到正常工作电流。停泵时在关闭水泵闸阀后先拉开油断路器QF,然后分别拉开隔离开关QS1和QS2即可。电气保护由接在电流互感器回路的过流继电器KI和操作机构中的失压脱扣器完成。在启动时,若QS2在合闸状态,则失压脱扣器断路,使油断路器QF不能合闸,防止在电抗器短接的情况下直接启动。3.3煤矿主要排水设备的电气控制873.4煤矿主要提升设备的电气控制3.4.1矿井提升设备概述1.矿井提升机的工作方式矿井提升系统担负着矿井升降人员,提升矿物、矸石及输送材料设备等任务,是矿井生产的重要设备,矿井提升设备电控系统的工作方式主要决定于提升设备的功用,提升高度,提升容器的型式,提升水平数目和它们的间距。所有的提升设备都应当能够实行两种运行速度,一种是高(全)速运动,另一种是低速运动。高速运动用于提升煤炭,升降人员、设备等。低速运动用于检查井筒、钢绳,下炸药,下长材料及其他辅助操作。有时若各水平之间的距离不大时,低速运动也可作为两水平之间运行的速度。电控系统分为自动控制系统和手动控制系统。自动控制系统的特点是:提升机按给定的程序自动完成提升循环而不需要司机参与。专提货载的主井提升设备,最宜于采用这种控制系统。手动控制系统则每个提升循环都需要司机参与控制。883.4煤矿主要提升设备的电气控制我国现场习惯于把加速阶段能够用控制电器自动进行的电控系统称为半自动控制系统,实际上它也只是一种手动控制系统。按实行控制的地点分就地操纵系统和远距离操纵系统。就地操纵台安装于提升机房内;远距离操纵台则可安装在井底水平、井口,甚至直接装在罐笼内,由有关人员在这些地方直接发出开停指令。对于多水平提升的提升设备,其电控系统与电梯相似,可以从任何水平召唤,到某水平时自动停车,等等。目前,我国矿井提升系统有直流调速系统、变频调速系统、基于继电器接触器实现的有触点电控系统和采用PLC控制改造后的有触电控制系统,限于篇幅,本书进介绍基于继电器接触器实现的有触点电控系统和采用PLC控制改造后的有触头电控制系统。893.4煤矿主要提升设备的电气控制2.矿井提升机的运行要求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,故必须采用交流绕线式电动机拖动,采用改变定子电源电压、频率或改变转子回路串接电阻的方式进行启动、调速和制动。其各个运行过程要按一定的运行规律和要求进行控制。提升设备在一次提升过程中,提升速度、转矩等运行参量随提升时间变化的曲线,称为提升工作图。提升工作图是根据提升设备运行的安全性、可靠性和经济性的要求确定的。提升工作图有三阶段、五阶段、六阶段或更多阶段之分,阶段数的多少决定于提升容器的类型和装卸载装置的结构及提升方式,双箕斗提升速度图如图3-27所示。它包括提升过程的六个阶段,故称为六阶段速度图。90图3-27提升机六阶段速度图图中t0段为初加速阶段。在提升刚开始,箕斗运行在卸载曲轨内,为减小提升容器通过卸载曲轨时对井架的冲击,提升容器在曲轨内的速度和加速度不能太大,一般要将速度限制在v0=1.5m/s以下。tl段为主加速阶段。当箕斗离开卸载曲轨后,可以按较大的加速度运行,直至达到最大提升速度vm。对于箕斗提升,加速度al一般不大于1.2m/s2。913.4煤矿主要提升设备的电气控制t2段为等速阶段。提升容器以规定的最大速度vm运行。t3段为减速阶段。这时重载箕斗已接近井口,空箕斗接近装载点,提升容器以减速度a3运行。a3一般不大于1.2m/s2。t4段为爬行阶段。提升容器进入卸载曲轨,为减小冲击并且便于停车,容器一般要以0.4-0.5m/S速度低速爬行。T5段为停车休止阶段。提升容器到达终点,提升机抱闸停车,井底箕斗装载,井口箕斗卸载。以上t0~t5的六个阶段组成提升系统的一个提升过程。罐笼提升因无卸载曲轨,故没有t0阶段。但为准确停车,仍有爬行阶段,因此罐笼提升一般为五阶段速度图,如图3-28所示。当提升人员时,加速阶段的al和减速阶段的a3不大于0.75m/s2。92图3-28提升机五阶段速度图933.4煤矿主要提升设备的电气控制3.矿井提升机的供电方式矿井提升机的供电方式一般有单回路供电、双回路供电和环路供电几种方式。这些供电方式适用于高压电动机或低压电动机拖动,至于选用哪种供电形势,视具体情况而定。4.提升机电力拖动方式的选择提升机拖动方式的选择应满足生产工艺的要求,即满足各种可能出现的运行速度图和力图。在这个前提下对各种可能的拖动方案作技术经济比较,然后选择最合理的一种。在选择拖动方式时,首先要决定的是采用交流拖动还是直流拖动的问题。一般来说,交流拖动比较简单、设备和安装费用低、建筑面积小,但电气调速性能差、减速和爬行阶段需要附加拖动装置,而直流拖动则相反,调速性能好、不需要附加其他拖动装置、容易实现自动化、尤其适用于多绳摩擦轮提升,缺点就是设备和安装费用高、建筑面积大等。943.4煤矿主要提升设备的电气控制在我国目前条件下,交流拖动受到容量的限制,主要是生产的磁力控制站最大额定电流为900A、电压为900V、拖动最大容量约1000KW,双机拖动可到2000KW。拖动容量大于1000KW和提升速度大于10m/s时,采用直流拖动比较合适。特别是对于多绳提升机,常常要求较高的电气调速性能,1000KW以下也可以考虑选用直流拖动方式。在交流拖动方式中,应当尽量选用同一个附加拖动装置去满足速度图中的各个阶段,例如采用晶闸管交一交变频的低频拖动装置,它既可用于减速段,又可用于爬行段等。在直流拖动方式中,F—D机组拖动系统运行效率低、金属消耗量和用铜量大以及建筑费用高等限制它的发展,而晶闸管供电的拖动系统则具有广阔的发展前途。953.4煤矿主要提升设备的电气控制3.4.2矿井交流提升电气控制形式、分类与控制原则1.提升机电力拖动的主要形式
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