电机与拖动课程设计——矿井提升机交流拖动系统

矿井提升机交流拖动系统

摘要：

本装置主回路由三相交流电供电，用以对JKD1850*4提升机的主电动机供电。主电动机采用交流电动机，400W，440V，975A。调速方式为串电阻调速。采用转速负反馈，在额定转速时，负载从10%变化到100%时转速偏差为额定转速的5%。本装置按连续负荷性质考虑，能在各种负荷下平稳运行，在长期额定负荷下，允许150%额定负荷，持续时间约两分钟。

关键字：提升机主拖动电动机转子电阻控制系统主回路和控制回路

矿井提升机系统简介：

矿井提升机是矿山生产设备，提升机电控装置的技术性能，既直接影响矿山的生产的效率及安全，又代表着矿井提升机发展的整体水平。矿井提升机，从电力拖动而言，可分为交流拖动和直流拖动两大类。交流拖动系统结构简单，坚固而耐用，建筑面积小，维护方便，运行可靠，价格低，设备供货容易，安装调试周期短等优点。主要缺点是启动阶段电能损耗大。在调速方面性能，交流拖动系统一般不如直流拖动系统优越，但选用了动力制动、低频制动、可调机械闸、负载测量、计量装载等辅助装置后，交流拖动系统亦可以达到满意的调速性能。综合以上的原因，交流拖动系统在我国中小型矿山或中等深度以下矿井获得了广泛的应用。

矿井提升系统的类型很多，按被提升对象分:主井提升、副井提升;按井筒的提升道角度分:竖井和斜井;按提升容器分:箕斗提升、笼提升、矿车提升;按提升类型分:单绳缠绕式和多绳摩擦式等。我国常用的矿用提升机主要是单绳缠绕式和多绳摩擦式。我国的矿井与世界上矿业较发达的国家相比，开采的井型较小、矿井提升高度较浅，煤矿用提升机较多，其他矿(如金属矿、非金属矿)则较少。因此在20世纪60年代开始单绳缠绕式矿井提升机采用较多。

目前我国提升机90%以上均采用交流绕线式异步电动机的拖动方式，其电控系统用于单绳缠绕式提升机的有TKD系列，多绳磨擦式提升机的有JKM、幻J 系列。这几种提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行起动和调速。串

电阻调速是一种恒转矩调速方法转子功率的损耗随着串入的电阻的增大而增大。尽管转子串电阻调速方法很不经济，低速特性也很软，稳定性差，但是由于这种调速方法比较简单易行，起动转矩较大在拖动起重机等中、小容量的绕线式异步电动机中仍然应用广泛。

交流拖动系统具有结构简单，坚固耐用，建筑面积小，维护方便，运行可靠，价格低廉，设备供货容易，安装调试周期短等优点。主要缺点是启动阶段电能损耗较大，当用于要求频繁启动或不同运行速度得多水平提升机时就更为不经济。

主拖动电机选择及计算:

系统数据如下：矿井多绳摩擦轮提升机型号：JKD1850*4；提升机滚筒直径D=1.85m ；罐笼自重：4.5t ；平衡锤重量：6t ；提升高度：H=600m ；提升速度v=6.5m/s ；系统转动惯量GD=4450kg/㎡；机械能效率为：{ EMBED Equation.3 |9.0=η；减速比I=2.031。

提升机速度图，加速度图和力图如下：

矿井提升机交流拖动系统均选用绕式异步电动机作为主拖动电动机，绕线式异步电动机转子串电阻后能限制启动电流和提高启动转矩，并能在一定范围内进行调速。为了说明这一问题，可用，其机械特性进行分析。

绕线式异步电动机的机械特性方程式：

………………………….①

式中：：电动机某瞬间产生的电磁转矩

：电动机的最大转矩

：对应于最大转矩的转差率

：对应于转矩的转差率，

：与转矩对应得转速

：电动机的同步转速

有上式可绘出异步电动机特性曲线如下：

制动方式的选择及相关计算:

为了保证复合较大的提升机能持续稳定安全的运行，同时为了系统安全、可靠地停车，提升机电控系统中设有动力制动装置。

动力制动的概念

当电动机转子旋转时，切断定子交流电源，然后输入直流电流，转子绕组则接到外电阻上或短接，此时，在电动机定子中形成一个静止的定子磁场，这个磁场在旋转的转子绕组内感应出电动势，从而引起转子电流。不动的定子磁场与转子电流磁势形成的合气隙磁通与转子电流相互作用，产生了制动力矩，电动机将被制动，这种制动叫做动力制动。

动力制动时定子磁场是静止的，转子转速即为转子导体切割磁力线的速度。转子速度n与同步转速之比是绕线型同步电动机动力制动时的转差率，即。转子磁场的旋转方向，与转子旋转地方向相反，转子磁场的转速与转子本身的转速相等。这样，转子磁场对定子而言是不动的。

动力制动的接线图a、工作原理图b、矢量图c以及结构框图如下：

各量计算：

直流磁势：

等值电流：

的推导：

三相合成磁势的幅值可以表示为：

。

令等于直流磁势的幅值，则与直流磁势等值的三相电流的幅值为：，则

这个电流的有效值称为等值电流，其值为：

输入定子的电流对应的直流电阻，式中为电动机定子相电阻。

动力制动此种方法的优点：

第一，定子绕组本身不需要任何改装；

第二，第二，通道直流电流反需要一个双极接触器；

第三，第三，不会引起电机过热。

动力制动的控制原则及控制方式：

首先，靠系统引来的速度偏差信号调节整流装置输出电流的大小，速度偏差越大，触发角电路的脉冲相位愈往前，晶闸管的开放角增大，输出电压升高，制动电流增加，制动力加大；反之，情况与之相反。其次，在制动的过程中，在按速度偏差调节的同时，按照速度原则配置合理的转子电阻，充分发挥动力矩的效果。

控制方式：脚踏动力制动；速度闭环控制。

转子回路电阻级数确定及计算

电动机转子电阻的计算，对提升设备的正常运转有着重要的作用。进行启动电阻计算时，首先应确定预备级数和加速级数。因为所选的级数直接影响到最大切换力矩的增大或减小及平均启动加速的提高或降低，甚至由于过载能力不够而加大电动机容量，故应全面考虑，选出经济合理的级数。一般情况下，预备级数和加速级数的选择如下：

电动机功率/kw 电阻级数预备级数

100 4 1

100~200 5 1

200~400 5~8 1~2

400~1000 8 2

三相平衡启动电阻的计算方法很多，但基本上有两种类型：一类是按给定加速度来计算启动电阻，另一类是以充分利用电动机的过载能力为出发点来计算。因第一类方法计算较为方便准确，故为较为通用的方法。

1．第一预备级

第一预备级的作用是：①消除传动齿轮间隙、紧绳②当检查井筒及钢丝绳时，以获得的低速运行③消除电动机接入电网时的管电压。

一般情况下，是第一预备级所产生的力矩为额定力矩的0.3~0.4倍，即，也可以按验绳要求来计算：

式中K为阻尼系数

Q为有效负载质量，kg

P为钢丝绳单位质量，kg/m

H为提升高度，m

为电动机额定力，kg

第一级预备电阻：

式中电机转子额定电阻，Ω

：为电机转子的额定电压，V

：为电机转子额定电流。A

2．第二预备级：

第二预备节的作用：当提升人员时，限制罐笼启动加速变在斜井提升中，限制矿车在电车轨道的运动速度。

普通罐笼第二预备级产生的力矩可为电动机额定力矩的0.9~1倍，即=0.9~1，其电阻为：

3．主加速极

a．完全启动：指主加速极第一段特性，在时，电动机所产生的力矩等于切换力矩的上限。

主加速级平均力矩相对值：

式中为主级加速的起始力值，kg

为主级加速的终了力值，kg

电动机额定转差率：

自然特性曲线上的临界转差率：

则有：

b．不完全启动：指住加速第一级特性，在时，电动机产生的力距小于切换力矩的上限，一般可取等于平均启动力矩。

主加速平均启动力相对值：设主加速级第一特性，在时，电动机所产生的相对值等于，求主加速第一级特性曲线上时的转差率

式中，主加速第一级特性曲线上时的转差率，不完全启动时，对于普通罐笼；

启动电阻公比：

算出，再根据启动电阻公比q和主加速级数n，找出的值，则：

转子电阻控制系统涉及的工作原理

转子控制回路由三相电流继电器、时间继电器、加速接触器、消弧继电器、主令控制器触头及信号接触器等所组成。

电流继电器有三个电流线图，用来反映启动过程中定子电流的变化，它的常开接点与时间继电器配合，共同调节启动过程中的速度，用以实现以电流为主附加时间校正原则的自动或手动控制。电流继电器的线圈接在电动机定子侧电流互感器LH回路里。在预备级电阻上，电动机定子电流很小，继电器不工作。因此，预备级电阻的切除是按时间原则切除的

LJC-8JC为8个加速接触器，用以控制转子电阻的切除和接在加速阶段它受1SJ~8SJ时间继电器的触头的控制，可以实现以电流为主附加延时以及人工控制的加速过程，串有XC的触头是使2JC~8JC在加速和自由停车减速时受XC的控制，如果采用电动机减速时完全由司机靠主令控制器触头将电阻加入的方法，这是回路中触头2HK-6短路XC的触头看，在动力制动加速和减速时，因为KDC 断电，其回路中的触头3.5V断开，使2JC~8JC原来的控制通路切断。

1SJ~8SJ为时间继电器，用以控制加速器1JC~8JC的延时，时间继电器受电流继电器JLJ的常开触头的控制，在启动过程中，只有当启动电流降到JLJ的整定和释放值时，其触头才能打开，延时继电器才能断开，经整定时限后控制加速加速接触器，若启动电流没有降到规定的释放值，JLJ触头仍然闭合，相应的加速接触器就无法切除电阻，防止了因切换电阻过早而造成的启动电流过大而损坏

系统。由于延时继电器是直流继电器，故将交流电源经铁磁稳压源后再经桥式整流器整流，并经电容滤波后再接至各延时继电器回路。

主回路和控制回路原理图

1．主回路

主回路用于供给提升机电源，实现失压、过流保护，控制电机的转速。主回路由高压开关柜、高压换向器的常开触头、动力制动接触器的常开触头、动力制动电源、提升电动机、电机转子电阻、加速接触器的常开触头和装在司机操作台上的指示电流表和电压表等组成。主回路原理图如下

2．控制回路

采用220V交流电，由回路AK通过接触器JC4控制通断。安全接触器AC 和加速接触器1JC~8JC等的线圈都设置在单相交流电源靠近零线的一侧，这可保证某些接点或导线绝缘损坏对地短路时，AC立即断电，进行安全制动。时间继电器均采用直流220V，由整流电路和供电。

控制回路包括信号回路、电机正反转回路、动力制动接触回路、转子电阻控制回路。

心得体会及收获

在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，在查找设计参考文献的过程中，不仅学会了有关本次课程设计的相关知识，更了解到了许多我们这个专业的其他有趣的知识。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

通过这次课程设计，我感到自己在许多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次矿井提升机设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了电机与拖动这一学科课程所学的内容，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。

在这次设计过程中，体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。

在此感谢我们的徐崇波老师.，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次课程设计离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。

由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教，我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考文献

1．卢燕《电机及与电气控制技术》中国石油大学出版社

2．卢燕《矿井提升机电力拖动与控制》冶金工业出版社

2．康华光《数字电子技术》

3．王兆安《电力电子技术》机械工业出版社

4．华成英《模拟电子技术》

6．冯英《电磁继电器》

7．杨维骏《电气继电器》

8．荆立新《主提升机》