矿山企业是用电大户, 而矿井提升机作为矿山提升物料和人员的大型综合机电设备, 是矿山耗电量最大的设备之一。在矿井提升机一个工作循环, 即提升—下放重物的周期中, 提升机驱动电机 (多为鼠笼式异步电动机) 的有功功率等物理量呈周期性变化。提升机提升重物是一个耗能过程, 而下放重物则是一个发电制动并向电网反馈电能的过程。无论哪种传动原理的提升机, 在重物匀速下放阶段都能向电网反馈电能, 而在减速阶段, 由于大部分传统机械电控式提升机采用转子切割电阻的方法调速, 下放重物时的动力制动将负载的机械能转变为电能消耗在电阻上, 而且消耗的电能随着提升电动机容量的增大而增大, 故机械电控式提升设备的效率很低, 一般为50%左右。而液压提升机由于液压驱动与液压制动的联锁性, 各阶段速度的实现则都依靠液压驱动系统改变液压泵的排量实现, 在等速、减速阶段都能向电网反馈电能, 这不仅使液压提升机工作平稳, 而一个工作循环中的耗电量也较机械电控式提升机少
《1 负载发电工况分析》
1 负载发电工况分析
[1,2,3,4]
图1所示为液压提升机液压驱动系统示意图, 主要由鼠笼式电动机、变量液压泵、定量液压马达、减速器、提升滚筒、提升容器等组成。
如图2所示, 矿井提升机下放重物过程都由加速、等速、减速、低速爬行和停车休止5个阶段组成。图中t0, t1, t2, t3, t4分别对应于加速阶段、等速阶段、减速阶段、低速爬行阶段和停车休止阶段。a0, a1分别为加减速阶段对应的加速度, v0为匀速运行阶段的速度。液压提升机各阶段运行状态如下。
《1.1启动加速阶段》
1.1启动加速阶段
重物下放开始时, 司机操作液压手柄使液压泵变量柱塞缸向反方向摆动, 给液压马达供油, 实现液压提升机启动, 负载下放。这时液压马达产生的扭矩与负载静力矩方向相同, 负载加速下放。随着提升容器下降速度逐渐增大, 液压马达转速逐渐升高, 所产生的驱动力矩逐渐减小。随着转速的进一步升高, 当液压马达转速等于液压泵所供液能产生的速度时, 液压马达的输出扭矩为0;而此时电动机处于空载状态 (电动机转速n等于磁场的同步转速n0) 。现场测试发现, 此时电动机有功功率P>0, 无功功率Q>0, 说明电动机实际上仍处于电动状态, 电网继续向电动机输送功率, 用于克服各种摩擦和损耗。
《1.2等速阶段》
1.2等速阶段
液压提升机在提升负荷的作用下仍加速运转, 当液压马达转速超过液压泵供给液压马达液压油所产生的速度时, 液压马达的输出力矩变为负值。此时, 液压马达变为液压泵的工况, 而液压泵变为液压马达工况, 拖动驱动电机使之进入发电运行状态, 这时电动机的电磁力矩转变为制动力矩。由于电动机的转速n已稍大于其磁场同步转速n0, 出现有功率瞬时停转而无功功率始终Q>0, 说明电动机与电网间不存在有功功率的传送, 但电网仍向电动机输送无功功率, 此时电动机已进入发电状态。当n继续升高并达到n=1.02n0时, 出现有功率反转而无功功率表仍正转, 即P<0, Q>0, 说明电动机已向电网输送功率, 电动机已完全进入发电状态。此后, 驱动电机稳定在n=1.02n0运转, 提升容器以稳定的速度v0运行。
《1.3减速停车阶段》
1.3减速停车阶段
减速时司机将操作手柄逐渐扳回, 液压泵变量柱塞缸体摆角逐渐减小, 液压泵的排量逐渐减小, 输出流量也相应减小, 由于这时液压马达为泵工况运转, 而液压泵以马达工况带动主油泵电动机运转, 所以当主液压泵流量减小, 而液压马达在泵工况下反馈来的流量不变时, 主液压泵和驱动电机转速也相应加快, 使电动机发电运行状态产生的制动力矩增大。这时整个液压提升系统开始减速运转, 随着液压泵排量的继续减小, 液压马达继续向油泵反馈压力油。电机继续向电网反馈电能, 并产生逐渐增大的制动力矩, 使液压马达继续减速。当液压泵在司机操纵下处于零排量状态时, 整个系统停止运转, 盘形制动器制动, 整个提升机停车。
因此, 液压提升机下放重物时, 在等速下放阶段和减速停车阶段均为液压反馈, 电动机发电制动并向电网反馈电能, 从而使液压提升机运行平稳, 总耗电量少。
在下放重物过程中, 液压提升机驱动电机始终只存在一个旋转方向。图3所示是液压提升机在一个完整下放重物过程中驱动电动机的工作状态转变。
《2 负载发电运行状态物理量分析》
2 负载发电运行状态物理量分析
[5,6,7,8,9]
《2.1相序》
2.1相序
在液压提升机的一个工作循环中, 液压马达旋转速度大小与方向依靠改变液压泵柱塞缸体摆角大小与倾斜方向而实现, 因此液压提升机驱动电机的旋转始终只需朝一个方向, 即旋转方向与电动运行状态时的旋转方向始终相同, 因此, 所发电电压与电网同相序。
《2.2转差率s》
2.2转差率s
转差率是描述异步电动机运行性能的重要参数, 由s= (n0-n) /n0=1-n/n0, 考虑到电动机在电动、发电和电磁制动3种不同状态下运行时, -∞≤s≤∞, 当异步电动机处在发电运行动状态时, 由于n>n0 (一般为n=1.02n0) , 所以s= (n0-n) /n0<0。
《2.3有功功率与无功功率》
2.3有功功率与无功功率
液压提升机的驱动电机绝大部分为鼠笼式防爆异步电动机, 是典型的电感性负载, 当电源拖动电机旋转时, 有功功率P和无功功率Q为:
式中m—相数 (一般m=3) , V—电源相电压, IR—电流I的有功分量, IX—电流I的无功分量, φ—V与I的夹角。
发电运行状态时, 由于s<0, 所以转子导体切割旋转磁场的方向和s>0 (电动状态) 时相反, 因而转子感应电势的方向也和s>0时相反, 其转子电流的有功分量亦随之反向。在电网功率为无穷大时, 为使气隙主磁通不变, 转子电流的有功分量的反向将使定子电流有功分量与电压V反向。由于90°<φ<270°时, cosφ<0, P<0而Q>0, 即无功功率为正而有功功率为负, 说明与电动状态相比, 电能从电动机流向电网, 而电网仍向电动机提供无功功率, 用来满足异步电动机发电运行时励磁的需要和定、转子间漏磁的需要。
电动机发电运行时的有功功率也可表达为:
式中, T为发电运行时的转矩, 
sc为临界转率差, 
nr, P分别为电动机额定转速和额定功率, λ为电动机过载倍率。
电动机发电运行时仍需从电网汲取滞后的无功功率用来励磁, 这部分功率约为异步电动机额定功率的1/5～1/4, 这无疑加重了电网无功功率的负担, 降低了电网的功率因数。同时电动机发电运行时会增加线路和电机绕组中的损耗。
2.4电磁功率PM与转子输出机械功率Pm
电磁功率为:
式中E′2为转子折合电势, I′2为转子折合电流, r′2为转子折合电阻。
因E′2与I′2的夹角φ′2大于90°, s<0, 故PM<0, 这表明功率由转子侧流向定子侧。
而转子输出机械功率为:
因s<0, 则Pm<0。说明转子不仅不输出机械功率, 而且尚由液压提升机位能性负载拖动转子旋转, 把机械能输入给电动机, 这些能量一部分消耗在转子上变成转子空耗, 另一部分转给定子变成了电磁功率PM。
《2.5电磁转矩M》
2.5电磁转矩M
电磁转矩为:
式中Ω0为同步角速度, Ω为角速度。
因Pm<0和PM<0, Ω0>0和Ω>0, 则M<0。说明发电运行时M的作用方向与电动时的转向相反, 此时电磁转矩M变成电机制动力矩。
《2.6电压和频率f》
2.6电压和频率f
由于液压提升机异步电动机发电运行是由电动状态转化而来, 因此相当于并联在电网上发电运行。与电网并联运行的异步电动机相比, 其转子转速只要稍高于同步转速, 在百分之几的的转差率s的作用下即可产生额定功率, 因此, 电动机的电压V和频率f取决于电网的电压和频率。受无穷大电网的强制作用, 使电动机所发电电压与电网相同;由于异步电动机发电运行时励磁电流由电网所提供, 因此电动机输向电网电流的频率与电网频率相同, 它和自身的转差率无关。可见, 并联发电运行时的液压提升机电机是在定压、定频和变电流的状态工作的。
当然, 电机进入发电运行时, 相当于向电网接入发电机, 而电动机发电运行回到电动状态时, 又相当向电网接入一台电动机, 这将对电网引起磁化电流的冲击, 可能产生过电压等现象。
《3 回馈给电网的平均功率计算》
3 回馈给电网的平均功率计算
[10,11]
在液压提升机下放重物过程中的等速阶段和减速阶段, 驱动电动机均为发电运行状态。笔者以JKY2/1.5B液压提升机用于大倾角斜井或立井提升, 以额定工况状态下的参数进行分析与计算。
液压提升机驱动电动机发电运行过程中回馈给电网的平均功率为:
式中t为下放工况发电运行时间, 包括匀速运行时间t1和减速运行时间t2;
Pi为由下放工况发电运行阶段的负载功率, 
Ti是下放工况发电运行阶段由位能性负载引起的瞬时力矩, i=1, 2, T1对应匀速运行阶段, T2对应减速运行阶段;
ni是下放工况发电运行阶段对应的液压马达旋转速度, i=1, 2, n1对应于匀速运行阶段, 此时提升容器以v0匀速下放, n2对应于减速运行阶段, 此时提升容器的减速运行加速度为a1, 则
, 其中R为滚筒半径。根据《煤矿安全规程》, 本文取立井升降物料时情况, 即a=1.0 m/s2。
η为位能负载—提升卷筒—液压马达—液压泵—驱动电机传动链的总传动效率, 取η=0.75。
图4所示为提升容器下放工况示意图, 取天轮距井口水平高度为80 m, Hp为井口至井底垂直距离。
《图4提升绳系中钢丝绳各段长度分布》
图4提升绳系中钢丝绳各段长度分布
Fig.4 Sect length of hoisting steel rope
1—提升滚筒;2—天轮;3—提升容器
提升容器匀速运行阶段位能性负载作用于液压马达的力矩即重力引起静阻力矩为:
式中k为矿井阻力系数, 罐笼提升取k=1.2, R同前;
x为下放重物过程中的运行距离, x≤H, H为提升高度 (井深) ;
W为提升钢丝绳每米质量, Q为有益荷重。
减速运行阶段位能性负载作用于液压马达的力矩为:
式中Tg为减速运行过程中的惯性力矩, Tg=R∑ma
∑m为提升各部件到提升滚筒的变位质量。
式中Q, QZ—分别为一次提升有益荷重与容器自重;
W, q—分别为提升钢丝绳与平衡尾绳的每米质量;
n1, n2—分别为提升钢丝绳与平衡尾绳的数量, 缠绕式提升机取n1=2, n2=0。
Gj—液压提升机旋转部件变位重量;
n, Gt—分别为天轮的数量与变位重量;缠绕式提升n=2, Gt=152 kg。
Lh, Lq—分别为提升主绳与平衡尾绳的长度;Lq=0。
Hp—钢丝绳由天轮到井底装载位置的长度, 取额定情况Hp=H+80;
Lx—钢丝绳由天轮到提升滚筒的长度, 取Lx=28 m;
n′—错绳圈数, 取n′=2～4;
对于JKY2/1.5B液压提升机的其余各主要原始性能参数如表1所示。
《表1JKY2/1.5B液压提升机主要原始性能参数》
表1JKY2/1.5B液压提升机主要原始性能参数
Table 1 Main originality parameter of JKY2/1.5B hydraulic winder
R/m |
Q/kg | Qz/kg | Gj/N | H/m | v0/m·s-1 | t0≈t2/s | t1/s | P/kg·m-1 | ∑m/kg |
1 |
5 280 | 1 980 | 37 310 | 1 310 | 3.5 | 9.8 | 350 | 2.648 | 22 073.6 |
由
计算得到JKY2/1.5B液压提升机用于大倾角斜井或立井提升且满载工况下的电机反馈给电网平均功率P=148.2 kW。
可见, 液压提升机下放重物过程中回馈到电网的平均功率与电机额定功率相比较大, 由于液压提升机驱动电机在定压、定频和变电流状态下工作, 能直接将电机发电电能反馈给电网, 显著提高了液压提升机的运行效率和降低运行成本。
《4 结语》
4 结语
液压提升机运行各阶段速度的大小都依靠改变液压驱动系统液压泵的排量大小予以实现, 在矿井提升机处于下放重物过程中, 由于提升绳系与承载物等位能性负载的作用, 在等速下放阶段和减速停车阶段均为液压反馈及电动机发电制动运行, 尽管电动机发电运行时仍需从电网汲取滞后的无功功率用来励磁, 加重了电网无功功率的负担, 降低了电网的功率因数。但由于电动机输向电网电流的频率与电网频率相同, 电动机所发电电压与电网电压相同。因此, 液压提升机驱动电动机的发电运行为定压、定频和变电流状态, 其发电电能直接输回电网。在一个完整下放重物过程中, 回馈到电网电能的平均功率可达148.2 kW, 能显著提高液压提升机的运行效率和降低运行成本。
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