第3章-矿井运载调速控制技术.ppt

1、第三章 矿井运载调速控制技术,1,2,驱动系统构成,2,控制部分,矿山运输装备的主要驱动形式,3,直流电动机+减速器 直流电动机直联 异步电动机+减速器 异步电动机+液力偶合器+减速器 异步电动机+CST系统 异步电动机+变频调速装置 绕线式异步电动机+转子电路变电阻起动装置,起动：驱动电机从接通电源开始转动，直至升速到某一固定转速稳定运行的过程。,3.1 驱动系统的起动,直流电机有直接起动、串电阻起动和降电压起动三种启动方式。,交流电机有直接起动、降压起动、转子串电阻起动、变频起动等多种起动方式。,1) 直流电机起动方式,a）直接起动：将电动机直接接入到额定电压的电源上起动。,优点：不需其他

2、设备，操作简便； 缺点：起动电流大； 应用：小型电动机，如家用电器中的直流电机。,b）串电阻起动：将一组起动电阻串入电枢回路以限制起动电流，当转速上升到额定值后，再将起动电阻从电枢回路中逐级切除。,优点：起动电流小； 缺点：变阻器比较笨重，起动过程消耗很多能量； 应用：广泛应用于各种中小型直流电机。,1) 直流电机起动方式,c）降压起动：通过暂时降低电动机供电电压的办法来限制起动电流 。,优点：起动电流小，起动平稳； 缺点：需要一套可变电压的直流电源； 应用：适合于大功率直流电机。,1) 直流电机起动方式,a）直接起动,优点：所需设备少，起动方式简单，成本低。 缺点：起动力矩小，一般MSTMN

3、； 起动电流大，一般IST(57)IN； 对电网冲击大； 应用：小容量电机。,可以直接起动条件：起动电流倍数,2) 交流电机起动方式,b）降压起动自耦变压器降压,优点：起动电流与端电压的平方成比例降低，相同的起动电流能获得更大起动转矩；可直接人工操作，也可用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低。 缺点：设备配置较为复杂。 应用：适合所有的空载、轻载起动异步电动机。,2) 交流电机起动方式,b）降压起动Y/降压,原理：起动时将定子绕组接成Y，升速至接近额定转速时再转为；电压可降至58，起动电流降为33。,优点：起动电流小，不需添置起动设备。 缺点：只能用于连接的电动机，起动转矩小。 应用：大

4、型异步电机。,2) 交流电机起动方式,c）转子串电阻起动,原理：逐级切除起动电阻，实现平滑起动；串频敏变阻器可使起动更平稳。 优点：起动性能好，可重载起动。 缺点：起动设备较为复杂。 应用：只适用于绕线式三相异步电动机。,2) 交流电机起动方式,d）变频起动,原理：采用“交-直-交”将电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电。 优点：以较小的起动电流，获得较大的起动转矩。 应用：大型电机重载起动。,变频器,2) 交流电机起动方式,3) 矿山运输机械主要起动方式,13,直流电机调压起动方式 交流电机变频起动方式 机械式软起动液力偶合器、可控起动传输装置(CST),调速：按照工作机械

5、的生产工艺要求，以人为或自动控制的方式来改变电动机运行特性，使其转速产生变化称为速度调节，简称调速。,3.2 驱动系统的调速,直流电机有串电阻调速、降压调速和弱磁调速三种调速方式。,交流电机有变极调速、变转差率调速和变频调速等三种调速方式。,15,改变U调速,改变R调速,1) 直流电机调速技术,改变调速,16,a）改变电枢回路电阻的调速方法,缺点：耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能有级调速。 这种方法目前只在少量小型电机车上采用。,17,b）改变电枢回路电压的调速方法,可以平滑无级调速，一般只能在额定转速以下调速； 调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速稳定性高，调速范围较

6、大； 调速时，电动机转矩不变，属于恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速； 可以靠调节电枢电压来起动电机，而不用其它起动设备。,18,整流调压电路：交流电网与直流电动机的接口电路。,三相全控整流 基于晶闸管的单向导电并可控的特性 （每时刻都有2个不同相的晶闸管同时导通，形成向负载供电的的直流回路）,PWM斩控整流以斩控整流代替相控整流（功率因数高、动态响应好、电能可双向传输）,19,c）改变励磁磁通的调速方法,可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，在额定转速以上调节； 调速特性较软，且受电机换向条件等的限制； 调速时维持电枢电压和电枢电流不变，即功率不变，属于恒功率调速。,20,2) 交流异步电

7、机调速技术,根据上述公式，改变其三个参数（S、f、p）可能有三种调速方法：,改变定子极对数p调速 改变转差率s调速 改变电源频率f调速,21,a）改变定子磁极数调速,U相两个线圈顺向串联，定子绕组产生4极磁场,反向串联和反向并联，定子绕组产生2极磁场：,22,a)星形改接成双星形 b)三角形改接成双星形,特点：属恒功率调速；低速时电机的输出转矩约为高速 时的2倍,Y-YY型变极,D-YY型变极,b）变转差率调速,i) 绕线转子电动机的转子串接电阻调速,同步速和最大转矩不变，但临界转差率增大。 当恒转矩负载时，电机的转速随转子串联电阻的增大而减小。,ii) 绕线转子电动机的串级调速,在绕线转子电

8、动机的转子回路串接一个与转子电动势 同步频率的附加电动势 。,通过改变 的幅值和相位，也可实现调速，这就是串级调速。,iii) 调压调速,同步速和临界转差率不变，但最大转矩变化。 调压调速既非恒转矩调速，也非恒功率调速，可用于恒转矩负载，不适用恒功率负载。 最适用于转矩随转速降低而减小的负载：风机类负载。,26,c）变频调速,1、恒转矩变频调速（50Hz以下）,2、恒功率变频调速（50Hz以上）,27,变频器的结构功能（以交-直-交型为例）,工作原理,28,3.3 开关磁阻电机控制技术,1）开关磁阻电机原理,优点： 转矩方向与相电流方向无关，易于控制； 转子无绕组、惯量小，易于加减速； 易于冷

9、却，允许较大温升； 能量再生。,缺点： 能量转换密度低于电磁式电机； 转矩脉动较大，15； 不能单独投入电网，必须与控制器一起使用；,“磁阻最小原理”,通电顺序：DABC，逆时针转,通电顺序：BADC，顺时针转,29,开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电动机、功率变换器、控制器、转子位置检测器四大部分组成。,特点：兼具直流、交流两类调速系统的优点，新一代无级调速系统。,2）开关磁阻电机调速系统,30,3）开关磁阻电机控制方式, 起动斩波方式,应用于电动机起动过程：限制电流峰值，调节起动转矩大小，属于全开通起动斩波方式。, 定角度斩波方式,应用于电机低速段：各相绕组按照转子位置相继通电和断电，电

10、机以较大的有效转矩加速。, 角度位置控制方式,应用于电机高速段：电机转矩只能通过改变开关角来调节，并由此实现速度闭环控制。,31,变角度斩波方式 中速段：通过反复通断功率开关器件，形成某一电流峰值的斩波波形。,PWM控制方式 （高速低速均可） 通过改变相绕组端电压的有效值调节相电流的波形。,32,组成：电动机、液力耦合器、减速器和传动滚筒组及控制装置。,3.4 带式输送机调速控制,33,1）带式输送机的起动,起动时产生的动态张力数倍于正常运行的稳态张力。 起动时皮带与滚筒之间易打滑。 起动时对电网冲击大。,带式输送机起动时存在的问题：,34,带式输送机起动装置要求,起动加速度应控制在一定范围内

11、，使胶带运输机平稳起动，以降低起动时胶带内的动张力； 起动时间根据带式输送机的实际工况可在一定范围内调整，使输送机按理想的速度曲线平稳起动； 具有足够的起动转矩，可以实现满载起动； 在多机或多点起动时，软起动的控制系统有可以平衡各电机间功率的功能。,35,带式输送机软起动,36,机械软起动液力耦合器,工作原理：泵轮的机械能-液体的动能-涡轮的机械能 液力耦合器依靠液体环流运动传递能量，而产生环流的先决条件是泵轮转速大于涡轮转速，二者之间必须有转速差；若二者转速相等，液体的环流运动消失，能量传递即可停止。,此外，液体粘性软起动装置也是带式输送机常采用的一种软起动方式。（如：磁流变液传动）,37,

12、机械软起动 CST可控起动传输装置,CST可控传动系统,(a),输入轴(左侧)与鼠笼式感应电动机连接，输出轴与负载(带式输送机的驱动滚筒)相接。,动片,静片,无载起动过程：起动时，离合器不加压，动、静片不传动，输入轴一级齿轮太阳轮行星轮内齿圈动圈 加载过程：电机达额定转速后，离合器逐渐加压，动、静片逐渐传动，动圈动片静片输出轴,40,电气软起动大功率变频软起动系统,主流 变频方案,按是否有直流环节，大功率变频器分交-交变频和交-直-交变频2种。,41,2）多电机拖动同步控制,利用多台电机驱动同一输送机，这要求为多机驱动提供准确的负载分配，对胶带机进行功率平衡控制。,42,影响电机功率平衡的因素

13、：,1）静态因素主要取决于静态参数的设计，好的设计可以使静态功率平衡达到理想的效果。 滚筒上的围包角； 钢丝芯胶带与滚筒之间的摩擦因数； 各电机的机械特性； 各机械传动装置的传动比和效率； 传送带的弹性模量； 各驱动滚筒的直径差异。 2）动态因素主要取决于消除动态功率不平衡所用系统的响应速度。,43,3）输送机控制系统设计实例,输送机参数表,此带式输送机系统设计生产能力10.0Mt/a，主斜井承担井下10.0Mt/a的原煤提升任务。,44,头部驱动方式：4台电机同步驱动，电控系统由控制系统、变频器、供配电系统、保护系统等组成。,45,控制系统组成：S7-300系列PLC（核心），集中控制箱、温

14、度采集分站、操作台、研华工控机和组态软件。,46,3.5 矿井提升机调速控制,47,1）调速控制系统要求,加（减）速度大小应符合煤矿安全生产规程：升降人员时，a0.75m/s2，升降物料时，a1.2m/s2； 具有良好的调速性能； 有较好的起动性能； 机械特性曲线要硬； 工作方式转换容易； 尽量采用新技术和节能设备，易提高工作效率； 要求具备各种必要的连锁和安全保护环节，确保安全运行； 要求尽量节约投资和降低运转费用。,48,2）电控主要形式,a）直流传动调速系统,主拖动电机：采用直流他励电动机； 主要调速方式：晶闸管、PWM整流调压调速； 优点：调速性能好，低速阶段能够稳定运行，在加速，减速

15、和低速运行时的电耗小，容易实现自动化控制； 缺点：功率因数较低，电网谐波污染大，电机维护工作量大，初期投资相对较大等。,49,除前述的直流传动调速外，主流的为交流变频调速形式。,b）交-交变频传动系统,基本思想：把电网固定频率的交流电经功率半导体电路直接转为频率可调的交流电。,50,开关特征：截取电源电压的一部分，组成新的波形。 电力技术的精髓之一，开关特征。,51,全数字晶闸管交-交变频调速控制柜是电气传动的关键设备； 主控台是提升机、保护功能实现的核心设备； 控制方式切换柜是系统选择并联全电源或串联半电源方式工作的控制设备。,特点：,52,特点： 交-交变频调速方案具有驱动功率大、调速连续、效率高、输出机械特性优良的优点，适合大容量提升场合。 但由于同步电动机交-交变频调速技术难度大，截止目前，仅有SIEMENS等个别跨国公司能够提供产品，由于价格极高，极大地制约了该技术的推广和应用。,53,b）交-直-交变频传动系统