第八章礦井提升機(jī)的拖動與控制第一節(jié)拖動裝置的種類及性能提升機(jī)的拖動裝置共有兩種：交流拖動裝置和直流拖動裝置。目前我國廣泛采用的是交流拖動裝置。交流拖動裝置優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)比較簡單、設(shè)備價格較低和使用經(jīng)驗(yàn)比較成熟等。直流拖動裝置與交流拖動裝置相比較的主要優(yōu)點(diǎn)是：調(diào)速時無附加電能損失，低速調(diào)速性能好，易于實(shí)現(xiàn)自動化。目前由于換向器容量的影響,交流單機(jī)拖動裝置的容量限制在1000kW以下。礦井提升機(jī)所需功率超過1000kW時，若仍想采用交流拖動裝置，可以使用雙機(jī)拖動。若提升機(jī)所需拖動裝置的容量超過1000kW，應(yīng)盡量采用直流拖動裝置。第二節(jié)提升電動機(jī)容量的計(jì)算

和電動機(jī)選擇從提升系統(tǒng)的速度圖、力圖可以看出，一個提升循環(huán)T中，速度u及拖動力F都是變化的，這時，顯然不能只根據(jù)某一階段的速度和負(fù)載選擇電動機(jī)。選擇電動機(jī)容量的依據(jù)是電機(jī)線圈的發(fā)熱量。若電動機(jī)以變速度和變力矩運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量與此電動機(jī)以額定轉(zhuǎn)速和固定力矩運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的熱量相等，就可以根據(jù)該固定力矩和額定轉(zhuǎn)速來計(jì)算和選擇電動機(jī)的容量，通常稱此固定力矩為等效力矩。已知電機(jī)產(chǎn)生的熱量Q為：式中：Q為電機(jī)線圈產(chǎn)生的熱量，J；I為通過的電流，A；T為一次提升時間，s；k1為比例常數(shù)。可以認(rèn)為，電動機(jī)的拖動力矩M與電流I成正比：式中：k2為比例常數(shù)。（8-1）（8-2）已知電動機(jī)拖動力矩M與卷筒圓周拖動力F的關(guān)系式為：式中：R為卷筒半徑；F為卷筒圓周拖動力；i為減速器傳動比；ηj為減速器傳動效率。合并式(8－1)，(8－2)及(8－3)，可得:（8-3）（8-4）注意：式(8-4)中F為變化的拖動力。式(8-4)的物理意義是電動機(jī)以變化力矩和變化速度運(yùn)轉(zhuǎn)時線圈的發(fā)熱量。當(dāng)上述電動機(jī)以固定等效力矩、額定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，電動機(jī)仍產(chǎn)生熱量Q時，與式(8-4)相仿，可寫出下式:式中：Fd為卷筒圓周的等效力；Td為一個提升循環(huán)的等效時間。（8-5）若無特殊通風(fēng)設(shè)備，由于電動機(jī)在低速和休止時間內(nèi)散熱不良，式(8-5)中的等效時間Td就不等于一次運(yùn)轉(zhuǎn)時間T，而應(yīng)按下式計(jì)算：式中：α為電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時，散熱不良系數(shù)，取0.5；β為電機(jī)休止時間散熱不良系數(shù)，取1/3。令式(8-4)與式(8-5)相等，求出等效力Fd：（8-7）（8-6）由上式也能進(jìn)一步理解Td的物理意義；由于電機(jī)散熱不良，適當(dāng)增大了Fd值，從而適當(dāng)增大了電動機(jī)的容量。式(8-7)中一項(xiàng)決定于拖動力F的變化規(guī)律。由力圖已知，拖動力是不連續(xù)的曲線，因此，要分段積分?，F(xiàn)以無尾繩提升系統(tǒng)等速階段為例，研究計(jì)算方法。由圖8-1給出了上述提升系統(tǒng)t2階段拖動力F=(f)的變化規(guī)律。由于拖動力F與時間t成線性關(guān)系，故任意瞬間拖動力F可表示為：式中：F2′為t2階段開始時的拖動力；F2″為t2終了時的拖動力；t2為等速階段運(yùn)轉(zhuǎn)時間；t為與F相適應(yīng)的時間。(8-8)可如下計(jì)算：在第五章巳分析過，提升過程中，一些階段例如t2,t3等，F(xiàn)與t是非線性關(guān)系。但因曲度甚小，可近似看成直線。因此式(8－9)對提升各階段均是適用的。（8-9）若某些階段，運(yùn)行時間甚短，這時，該階段開始與終了時的拖動力差值很小。為簡化計(jì)算，這些階段的依照式(11－9)可近似改為的形式。對于采用等加、減速度的罐籠提升設(shè)備，項(xiàng)可用下式計(jì)算：（8－10）對于采用等加、減速度的箕斗提升設(shè)備，項(xiàng)可用下式計(jì)算：

（8-11）在利用式(8－10)，(8－11)時，要特別注意t3,t4及t5等階段的減速方式及控制方式。若某些階段拖動力為負(fù)值，如采用機(jī)械制動時，必先將電動機(jī)自電網(wǎng)斷開，然后加閘。這時電機(jī)中無電流，不產(chǎn)生熱量，相應(yīng)階段的拖動力則不應(yīng)計(jì)入式中，自由滑行減速方式情況相同。若這些階段拖動力雖然為負(fù)，但采用電氣制動方式時，因線圈中仍流過電流，仍有熱量產(chǎn)生，相應(yīng)階段的拖動力就應(yīng)計(jì)入公式中。若在爬行階段采用微機(jī)拖動，主電機(jī)已自電網(wǎng)斷開，相應(yīng)拖動力不計(jì)入公式中。對于罐籠下放荷載的情況，等速階段(也可能包括加速階段)拖動力即為負(fù)值，這時多采用發(fā)電制動的控制方法。這時，相應(yīng)階段的拖動力也應(yīng)計(jì)入公式內(nèi)。電動機(jī)的等效功率Pd應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Mi為電動機(jī)的等效力矩，N·m；ωe為電動機(jī)的額定角速度，rad/s（8-12）仿照式(8-3)，得出：在第五章已研究過提升系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)速度vm與電動機(jī)額定轉(zhuǎn)數(shù)ne的關(guān)系。現(xiàn)考慮到ne與ωe的關(guān)系后，可求出vm與ωe的關(guān)系式：將式(8-13)，(8-14)代人式(8-12)，得出Pd為：（8-15）（8-13）（8-14）計(jì)算出電動機(jī)等效功率Pd后，應(yīng)根據(jù)下面三個條件驗(yàn)算前面計(jì)算變位質(zhì)量m而預(yù)選的電動機(jī)容量Pe。(1)按電動機(jī)發(fā)熱量驗(yàn)算：(2)驗(yàn)算正常運(yùn)行時，電動機(jī)過負(fù)荷能力：式中：Fmax為力圖中最大拖動力，N；λ為電動機(jī)的過負(fù)荷系數(shù)；Fe為預(yù)選電動機(jī)作用在卷筒圓周的額定力。（8-16）（8-17）(3)驗(yàn)算特殊情況運(yùn)轉(zhuǎn)時，電動機(jī)的過負(fù)荷能力：

式中：Ft為作用在卷筒圓周上的特殊力。在下列情況下產(chǎn)生：①采用罐座的罐籠提升設(shè)備，當(dāng)空罐位于井底罐座上，向上稍提起井口重罐時，兩側(cè)容器自重不能相互抵消，此時Ft為：（8-19）（8-20）②更換水平或調(diào)節(jié)繩長需打開離合機(jī)構(gòu)作單鉤提升時，此時:由于Ft不像Fmax那樣在每一提升循環(huán)內(nèi)必須發(fā)生，又考慮到特殊作業(yè)時速度、加速度均可大大降低，所以將式(8-19)中的過載能力放寬到0.9λ。（8-21）若預(yù)選電動機(jī)容量不能完全滿足上述三個條件，則應(yīng)重選容量較大的電動機(jī)，查出其回轉(zhuǎn)力矩GD2，重新計(jì)算變位質(zhì)量∑m及各點(diǎn)拖動力，計(jì)算等效力Fd直至滿足條件為止。如果僅僅是條件(3)的①項(xiàng)不滿足，可以采用搖臺來代替罐座。第三節(jié)交流拖動提升設(shè)備耗電量及效率的計(jì)算

以箕斗提升系統(tǒng)為例，說明耗電量及效率的計(jì)算方法。設(shè)箕斗采用等加、減速度的六階段速度圖，不帶尾繩且減速階段t3采用自由滑行減速方式。因停車階段t5時間甚短，故略去不計(jì)。上述和箕斗提升系統(tǒng)卷筒軸上所需功率P應(yīng)為：

（8-22）圖8-2中折線oabcdefghi代表上述P的變化規(guī)律。考慮減速器的傳動效率．電動機(jī)軸上輸出的功率P′應(yīng)為：（8-23）

圖8-2中的折線oa′，b′，c′，d′，fgh′，i′，代表了P′的變化規(guī)律。圖8-2中P，P′兩折線所夾面積反映的是減速器損失。交流感應(yīng)電動機(jī)的特點(diǎn)是，無論轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速如何，定子磁場必定以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，所以交流感應(yīng)電動機(jī)從電網(wǎng)所需要的功率Pc應(yīng)為：式中：ηd為電動機(jī)本身的效率。（8-24）

一次提升的電耗W′可如下計(jì)算：對于類似圖8-2所示類型的箕斗提升系統(tǒng)，式(8-25)中項(xiàng)可按下式計(jì)算（8-25）

（8-26）

提升設(shè)備還設(shè)有拖動制動油泵、潤滑油泵的輔助電動機(jī)及其他電器控制元件。這些輔助設(shè)備的耗電量以W′的0.02估算。所以提升設(shè)備一次提升總電耗W應(yīng)為：一次提升有益功為QH，故有益電耗Wy為：（8-28）

（8-27）

提升設(shè)備效率為：至于副井罐籠提升設(shè)備，應(yīng)根據(jù)不同作業(yè)時的速度圖、力圖分別計(jì)算電耗。（8-29）

第四節(jié)交流感應(yīng)電動機(jī)的控制為了得到設(shè)計(jì)的速度(也稱給定速度)和拖動力，必須對提升機(jī)進(jìn)行必要的控制。為了保護(hù)提升機(jī)安全運(yùn)轉(zhuǎn)，還必須設(shè)置一系列的保護(hù)裝置。提升機(jī)采用了大量的電氣保護(hù)和控制元件，相應(yīng)的電氣控制線路，若與礦井其他固定設(shè)備相比較，要復(fù)雜得多。目前我國生產(chǎn)的提升機(jī)電控制設(shè)備均已標(biāo)準(zhǔn)化。一、繞線型感應(yīng)電動機(jī)各階段的控制原理以罐籠為例，分析各階段電動機(jī)的控制原理。(一)加速階段加速階段電動機(jī)的控制原理可用圖8-3所示的方框圖來說明。電動機(jī)加速前，轉(zhuǎn)子內(nèi)串接全部附加電阻。若欲使提升機(jī)正轉(zhuǎn)，司機(jī)可將電動機(jī)操縱手柄自中性位置迅速推向前方極端位置，這時主令控制器的全部觸頭均閉合。利用已按給定速度圖、力圖整定好的一系列繼電器，配合接觸器共同控制著附加電阻。當(dāng)附加電阻逐段適時地被切除時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸上升。經(jīng)加速時間后，附加電阻全部被切除，電動機(jī)獲得了額定轉(zhuǎn)速。為了更為清楚地說明正常情況下的加速控制過程，可以利用電動機(jī)的特性曲線來進(jìn)行分析。圖8-4給出了交流繞線感應(yīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子附加五段電阻時的特性曲線。圖8-4中的橫軸代表電動機(jī)力矩M，而M與卷筒圓周拖動力F成正比，縱軸代表電動機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)n，而n與卷筒圓周速度v成正比。電動機(jī)的自然特性曲線如圖8-4所示，特性曲線有穩(wěn)定部分和不穩(wěn)定部分。為了能夠在穩(wěn)定部分運(yùn)轉(zhuǎn)，加速時，轉(zhuǎn)子可串接附加電阻。串接電阻愈大時，特性曲線愈軟。提升開始后，由于五段附加電阻全部串接在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)，電動機(jī)形成人工特性曲線R1。由于R1曲線所形成的拖動力矩尚小于提升至開始時的靜阻力矩Mj,故提升機(jī)無法加速。切除一段電阻后，電動機(jī)轉(zhuǎn)入第二條特性曲線R2上運(yùn)轉(zhuǎn)。這時的拖動力矩M11>Mj，電動機(jī)開始加速。隨著n的升高，M逐漸減小。為了產(chǎn)生給定的加速度a1,必須在M=M12時繼續(xù)切除一段電阻，電動機(jī)將沿特性曲線R3運(yùn)轉(zhuǎn)。如此重復(fù)，直至切除全部電阻，電動機(jī)轉(zhuǎn)入自然特性曲線Rz：運(yùn)轉(zhuǎn)為止。這個自動加速過程如圖8-4中折線abcdefghijkl所示。圖中1點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，近似等于電機(jī)轉(zhuǎn)速nc。(二)等速階段等速階段在電動機(jī)的自然特性曲線m點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為ne,由于Rz特性曲線硬，近于水平線,即或靜阻力矩Mj，稍有變化，轉(zhuǎn)速也仍十分接近ne.等速階段無需任何控制。(三)減速階段減速階段的控制方法與采用的減速方式有關(guān)。1．電動機(jī)減速方式與加速階段控制方法相仿，司機(jī)適時地將電動機(jī)操縱手柄逐漸移回至中性位置，各段附加電阻逐級串入。工作過程如圖8-4中的nopqrstuv…折線所示。2．機(jī)械制動減速方式與采用自由滑行減速方式的控制方法有些相同。減速開始后，應(yīng)迅速將電動機(jī)操縱手柄移至中性位置。為了防止意外事故，另外有減速開關(guān)。若司機(jī)未能及時移動手柄，減速開關(guān)可自動將電動機(jī)自電網(wǎng)斷開。與采用自由滑行減速方式的不同點(diǎn)，在于電動機(jī)斷電后應(yīng)及時對提升機(jī)施以適當(dāng)?shù)闹苿恿?。采用機(jī)械制動的制動過程如圖8-5所示。若司機(jī)將工作制動手柄后移，通過自整角機(jī)，將工作制動手柄的角位移量。轉(zhuǎn)化為電信號。經(jīng)磁放大器進(jìn)行綜合、放大后，電信號被輸送至電液調(diào)壓裝置中。電液調(diào)壓裝置將根據(jù)輸入信號的大小，使制動器產(chǎn)生相應(yīng)的制動力矩Mz；(詳見第三章)。制動力矩的大小決定于司機(jī)移動制動手柄的角度。常稱這種控制方式為手動參與，屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。3．動力制動減速方式動力制動的物理概念：交流電動機(jī)與電源斷開后，將其中兩相改接直流電。這時，電動機(jī)的定子不再產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場．而是形成一個靜止的磁場，磁場方向如圖8-6所示。減速階段，由于慣性力的作用，電動機(jī)轉(zhuǎn)子以順時針方向在上述磁場內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從圖8-6所示的情況可以看出，這時轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)必有感應(yīng)電流。電流方向如圖所示，轉(zhuǎn)子電流與磁場相互作用的結(jié)果，必然形戚制動力矩Mj，其制動力以Fz表示。正因?yàn)橹苿恿氐姆较蚺c轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反。因此，提升電動機(jī)將逐漸減速直至停止。電動機(jī)處于動力制動狀態(tài)運(yùn)行時，經(jīng)理論研究證明，特性曲線應(yīng)處于M－n曲線圖中的第二象限，如圖8-4所示。減速階段開始后附加電阻全部接人，然后利用整定好的繼電器，再將附加電阻逐級切除，其工作過程如圖8-4中的12345等線段所示。目前標(biāo)準(zhǔn)電控設(shè)備均采用帶反饋的動力制動閉環(huán)控制系統(tǒng)，制動力矩的大小決定于實(shí)際速度和給定速度的偏差值。采用動力制動減速方式時，附加電阻將增大，增大電能損失。故常稱動力制動為能耗制動。圖8-4中的n4是與爬行速度相對應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)速。一般來說，爬行階段的拖動力矩M4都不很大。但是，專為驗(yàn)繩設(shè)計(jì)的第一條人工特性曲線，其點(diǎn)相應(yīng)的拖動力矩很小，往往小于M4,而特性曲線上與n4相對應(yīng)的拖動力矩往往又大于Mh，為此，只能輪流交替使用R1，R2兩條特性曲線，時而減速，時而加速，使其平均力矩與M4相當(dāng)，平均速度與v4相當(dāng)。我們稱這種控制方式為脈動控制。脈動控制是很不理想的，不僅增加了電能損失，而且使