矿山机电学

矿山机电学在现代化的矿井建设中，凡是要求较高的场合，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启动、调速、制动、停止、反转等过程的控制。

不同分类不同类型的矿山机械设备（图1）对自动控制要求不一，同时兼顾设备的经济性，可维修性及工作安全性等。

矿山机械固定机械移动机械通风、压气、排水、提升设备等电机车、综采机组、链板及胶带输送机、装载机等图1 矿山机械分类一. 矿井提升设备电气控制从电力拖动及其控制系统的复杂性来说，提升设备的要求最高。

其提升机的启动、停止及稳定运行需要严格按照提升速度图运行，需要应用自动控制原理的各种原则和方法。

提升设备的拖动电机大多采用交流绕线式异步电动机或直流他励电动机。

故此，矿井提升设备又有交流拖动电气控制和直流拖动电气控制之分。

而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，其行程调节系统应保证实现需要的速度，而不受负载变化影响，同时速度偏差不应达到使保护装置动作的数值。

1.矿井提升设备的交流拖动电气控制1)以时间为函数进行加速的控制电路以小型绞车控制来说，以时间为函数进行加速控制是指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。

2）TKD电气控制系统TKD电气控制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，该系统主要组成部分——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等。

国产用于单绳交流提升机电控系统主要有：TKD-A、TKDG、JTKD-PC系列等，多绳系统主要有：JKMK/J-A、JKMK/J-NT等系列。

TKD-A型提升机控制线路是一种典型的半自动控制系统提升过程灵活，可由提升司机随时参与控制或退出控制，简单、方便、安全等优点。

该系统按照给定的提升工作图可实现正力加速——等速运行——负力减速、正力加速——等速运行——正力减速、正力加速——发电制动运行——负力减速、脚踏动力制动、低速电动运行（验绳）等几种运行方式，控制功能较为完善的电控系统，实现提升机的加速、减速、爬行等工作过程。

3）JTKD-PC型单绳提升电气控制系统JTKD-PC型单绳提升电气控制系统是由PLC控制的全自动控制系统。

目前可编程控制器（PLC）技术广泛应用于矿山设备中，在该系统中，利用PLC技术代替了有触点电器的逻辑控制功能，使得电路简化，自动化程度得到较大提升，用软件功能实现速度检测、安全保护、操作控制。

由于PC机得应用软件较多，编程方式灵活，因而与TKD系统相比较，整体控制功能更加完善。

4）JKMK/J-A型多绳提升电气控制系统JKMK/J-A电控系统是多绳摩擦式提升机的典型控制线路，由于多绳提升在机械传动与单绳的传动原理不同，因此电控系统实现的功能也有所不同。

多绳摩擦提升机除了要满足缠绕式提升机对电控系统的要求外，还应满足摩擦提升的防滑要求，为此，提升机在加速过程中，除了要保证平均加速度不能超过允许值外，还应保证瞬时加速度不能太大。

因此在提升机启动过程中一般采用时间电流平行控制原则，同时还应增加启动过程的加速级数，以便使提升机在重载时由电流继电器控制，防止切换转矩过大产生滑动，轻载时改由时间继电器控制，防止加速太快引起打滑。

多绳摩擦提升机有单电动机拖动和双电动机拖动两种。

控制系统也由主回路、测速回路、安全回路及辅助回路组成。

2.矿井提升设备的直流拖动电气控制1）V-M直流提升机电气控制系统V-M直流提升机电气控制系统传动调速平稳，调速范围宽，容易实现提升自动化。

能较好按照预定的力图和速度图在四象限实现平稳启动、等速运行、减速运行、爬行和停车，而且在运行过程中有较高的可靠性。

V-M矿井提升机直流电力拖动系统通常有两种方案：电枢换向的可逆直流调速系统和磁场换向的可逆直流调速系统。

磁场换向系统较之电枢换向系统快速性稍差。

但对于矿井提升机的运行特点来说，并不要求转矩变化太快，同时由于磁场换向系统在经济上有优越性，所以目前这种方案在大容量的矿井提升机直流电力拖动中得到广泛应用。

但电枢换向系统具有控制简单和快速性好的等优点，但多用一套大功率变流装置，导致成本高，今后随着电力半导体器件的容量增大，质量提高，成本的下降，这种方案有广阔的前途。

2）全数字直流提升机电气控制系统当前，全数字直流提升机电气控制系统在我国矿井提升机V-M系统中应用很广，全数字控制技术彻底改变了模拟控制的不足。

而以全数字电气控制技术来代替模拟控制已经成为一种趋势。

矿井直流提升机全数字调速电控系统相对模拟系统有如下特点：●硬件结构简单，故障点少，可靠性高●可控精度高，工作稳定性好●容易实现先进的控制算法●故障自诊断能力强，大大降低使用维护成本●具有较高的可构置性，扩展方便，运行灵活性高●可与其他系统联网，实现现代化管理●性能价格比高全数字直流提升机电气控制系统从原理上主要由供电主回路、全数字调速系统、系统操作保护、上位机监控、装、卸载控制系统和操作台和监视器等六部分组成。

二.采、掘、运机械电器控制井下直接启动的生产机械电动机控制常采用矿用隔爆型电磁启动器，这种电磁启动器是一种低压组合电器，主要由隔离开关、接触器、熔断器、过热过流保护继电器、按钮等元件组成。

这些元件安装在隔爆外壳中来控制和保护鼠笼电机。

如BQZ-200（315、400）/1140（660）型矿用隔爆型智能化真空电磁启动器，适用于含有爆炸性气体（甲烷）和煤尘的矿井中，直接或远距离控制矿用隔爆型三相鼠笼式感应电动机。

该启动器充分发挥了PC767单片机的优势，利用门前的醒目数码显示窗，能够显示启动器的工作状态与多种工作参数。

1.井下电牵引采煤机的拖动控制电牵引直接采用电动机完成采煤机的牵引，具有很高的传动效率，同时省去了复杂的液压传动系统，具有良好的调速性能，电牵引采煤机以其优良的性能和广泛的适用性现已成为采煤机的主流。

SL系列采煤机为德国艾克夫公司研制生产的大功率交流电牵引系列采煤机。

MG300/720-AWD型电牵引采煤机为国产新型交流电牵引采煤机，目前在高产高效矿井中应用较为普遍。

SL-500采煤机采用16位微处理器控制技术，MG300/720-AWD型电牵引采煤机采用PLC控制技术，都具有良好的技术性能。

SL-500型采煤机的电控系统主要是对截割电机、牵引电机、破碎电机和泵电机的控制、检测和保护，这些功能主要通过MICOS68微机系统来实现。

MICOS68d的CPU采用Motorola6800，同时通过艾柯马蒂克装置实现很功率控制，艾柯马蒂克装置由截割电机和过流保护装置组成。

MG300/720-AWD型电牵引采煤机采用多电机驱动，横向布置。

牵引方式采用摆线轮与销轨相啮合的无链牵引方式；变频调速技术，通过改变牵引电机的供电频率与电压实现牵引速度无级调速；牵引速度可根据截割电机的负荷情况，实行截割电机恒功率调速，并具有牵引电动机过热过电流保护。

该型采煤机是为适应缓倾斜薄煤层工作面的需要而研发的新型双滚筒采煤机。

2.可伸缩胶带输送机电气控制随着我国煤炭生产能力的不断提高，长距离、大运量、高速度、大功率的输送机日益增多，造成启动力矩、电流及对电网的冲击增大。

为此，可采用双速电动机拖动，即低速启动，高速运行，由双速控制电磁启动器或组合开关控制；也可以采用软启动控制电动机启动过程。

软启动装置是一种具有软启动功能的电磁启动器，用于限制电动机的启动力矩，降低加速度，延长启动时间，可以就地或远距离控制三相鼠笼电动机，也可以联机控制，但对使用中的维护要求更高，加强平时维护才能发挥其更大的功效。

1）KXJ5-1140S/TH5型CST胶带输送机电控系统该电控系统分为自动和手动两种；自动回路：操作员—PLC—继电器—启动器—电动机；手动回路：操作员—继电器—启动器—电动机。

胶带运输机检测保护装置可采用KJ50型PROMOS监控系统的配套产品，同时也可作为CST皮带机电控系统应用。

监控装置主要有：速度传感器、烟雾传感器、纵撕传感器、堆煤开关、跑偏开关、温度传感器等。

3.矿用电机车电气设备及其控制在我国，井下打巷运输主要依靠电机车。

矿用电机车按供电方式分为架线式和蓄电池式两种。

在高瓦斯矿井一般采用矿用防爆特殊型蓄电池式电机车；在无瓦斯或低瓦斯矿井可采用架线式电机车。

架线式与蓄电池式电机车的电控系统组成及原理基本相同。

只是蓄电池式采用插销连接触器与蓄电池连接，而架线式采用受电弓与架空线滑动连接。

矿用电机车采用直流串激电动机（单电机拖动或双电机拖动）作为牵引电动机。

直流串激电动机的机械特性是软特性，当负载转矩增大时，其转速自动降低，从而减小了电流，牵引特性好及过载能力强。

特备适用于起重和运输负载变化较大的设备，在煤矿中主要用于拖动矿用电动机。

对电机车的调速要求是不高的，所以一般不用采用闭环控制。

但是电机车启动和停止频繁，利用启动电阻启动，消耗大量电能，而且控制器接触点易烧毁，维修量很大，所以采用直流脉冲调速。

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。

矿用电机车的电气控制系统分为有触点系统和无触点系统两类。

●有触点控制系统是利用控制器、电阻器等控制电机车的前进、后退、调速、制动等运动方式。

该系统简单，控制方便，目前各矿仍采用，但由于电阻消耗电能不经济，将被无触点控制系统取代。

●无触点控制系统是利用电力电子器件组成的调速装置来完成矿用电机车控制任务的。

这种控制系统的控制装置体积小，具有操作方便、节能省电、无级调速、调速范围大、启动转矩大、免触头维护等优点。

目前使用的有晶闸管脉冲调速和IGBT（绝缘栅双极晶体管）脉冲调速，DTC低速高转矩交流变频调速也开始应用于矿用电机车无触点调速系统。

三．矿井通风设备电气控制通风机在我国以采用离心式和轴流式扇风机为多，拖动方式采用不调速的同步电动机或异步电动机，控制系统较为简单。

由于同步电动机通过调节励磁电流，不但可以改变和提高功率因数，而且还可以在超前的功率因数下运行，以利于改善电网的功率因数。

同时，同步电动机过载能力也比相应的异步电动机大。

当励磁电流不受电网电压影响时，转矩的大小与端电压成正比，且负载增加时转速不变，功率因数、效率都比异步电动机高，故而矿井大型通风机多采用同步电动机拖动。

同步电机无启动转矩不能自启动，因此，要采用辅助方法启动，其启动方法有：辅助电动机启动、调频启动与异步启动。

同步电动机的启动控制线路由定子绕组回路、转子回路及控制回路组成。

同步电动机停车时，如需进行电气制动，最方便的方法是能耗制动。

同步电动机励磁装置多采用晶闸管励磁装置，使励磁系统的可靠性、投励成功率、装置效率都有很大提高。

如KGLF-11型晶闸管励磁装置，其主电路采用全桥式整流电路，该装置其他的组成部分都是由晶体管元件组成的电路，如投励电路、触发电路等。