描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787502040536
编辑推荐
本书也可作为中等职业技术学校相关专业工种的教材,亦可用于在职培训和自学用书。
内容简介
本书根据全国煤炭技工学校教学大纲编写,主要内容包括: 电动机的电力拖动、常用控制电
器、电动机的控制方法、可编程控制器、矿山大型设备的电气控制、主提升交流拖动电控系统、
主提升直流拖动电控系统、变频器调速控制等内容。
器、电动机的控制方法、可编程控制器、矿山大型设备的电气控制、主提升交流拖动电控系统、
主提升直流拖动电控系统、变频器调速控制等内容。
目 录
章 电力拖动……………………………………………………………………………… 1
节 电力拖动的基本知识…………………………………………………………… 1
第二节 直流电动机的电力拖动………………………………………………………… 7
第三节 交流异步电动机的电力拖动 ………………………………………………… 23
复习思考题 ……………………………………………………………………………… 49
第二章 常用控制电器 ……………………………………………………………………… 51
节 接触器与继电器 ……………………………………………………………… 51
第二节 主令电器与组合电器 ………………………………………………………… 61
第三节 磁放大器 ……………………………………………………………………… 68
第四节 旋转控制电器 ………………………………………………………………… 77
复习思考题 ……………………………………………………………………………… 88
第三章 电动机的控制 ……………………………………………………………………… 89
节 电气线路图 …………………………………………………………………… 89
第二节 鼠笼式电动机的控制 ………………………………………………………… 94
第三节 绕线式异步电动机的控制…………………………………………………… 107
复习思考题……………………………………………………………………………… 120
第四章 可编程控制器……………………………………………………………………… 122
节 可编程控制器的基本工作原理……………………………………………… 123
第二节 可编程控制器的技术参数…………………………………………………… 129
第三节 可编程控制器的基本指令及应用…………………………………………… 140
第四节 可编程控制器的程序编制…………………………………………………… 160
复习思考题……………………………………………………………………………… 178
第五章 排水、压气、通风设备的电气控制………………………………………………… 180
节 排水设备的电气控制………………………………………………………… 180
第二节 压气设备的电气控制………………………………………………………… 187
第三节 矿井主通风设备的电气控制………………………………………………… 193
复习思考题……………………………………………………………………………… 206
2 矿山电力拖动与控制
第六章 主提升交流拖动电控系统………………………………………………………… 207
节 提升工作图及提升控制……………………………………………………… 207
第二节 动力制动装置与可调闸……………………………………………………… 212
第三节 提升机的速度控制与深度指示……………………………………………… 221
第四节 TKD - A 型提升机电气控制线路 …………………………………………… 226
复习思考题……………………………………………………………………………… 240
第七章 主提升直流拖动电控系统………………………………………………………… 241
节 发电机—电动机组直流拖动系统…………………………………………… 241
第二节 发电机—电动机组直流提升控制线路……………………………………… 259
第三节 晶闸管变流器—电动机直流拖动系统……………………………………… 271
第四节 晶闸管变流器—电动机直流提升控制电路………………………………… 301
复习思考题……………………………………………………………………………… 321
第八章 变频器调速控制…………………………………………………………………… 324
节 变频器的基本工作原理……………………………………………………… 324
第二节 变频器的接线与操作………………………………………………………… 329
第三节 变频器的参数设置…………………………………………………………… 335
第四节 变频器的应用………………………………………………………………… 355
复习思考题……………………………………………………………………………… 359
节 电力拖动的基本知识…………………………………………………………… 1
第二节 直流电动机的电力拖动………………………………………………………… 7
第三节 交流异步电动机的电力拖动 ………………………………………………… 23
复习思考题 ……………………………………………………………………………… 49
第二章 常用控制电器 ……………………………………………………………………… 51
节 接触器与继电器 ……………………………………………………………… 51
第二节 主令电器与组合电器 ………………………………………………………… 61
第三节 磁放大器 ……………………………………………………………………… 68
第四节 旋转控制电器 ………………………………………………………………… 77
复习思考题 ……………………………………………………………………………… 88
第三章 电动机的控制 ……………………………………………………………………… 89
节 电气线路图 …………………………………………………………………… 89
第二节 鼠笼式电动机的控制 ………………………………………………………… 94
第三节 绕线式异步电动机的控制…………………………………………………… 107
复习思考题……………………………………………………………………………… 120
第四章 可编程控制器……………………………………………………………………… 122
节 可编程控制器的基本工作原理……………………………………………… 123
第二节 可编程控制器的技术参数…………………………………………………… 129
第三节 可编程控制器的基本指令及应用…………………………………………… 140
第四节 可编程控制器的程序编制…………………………………………………… 160
复习思考题……………………………………………………………………………… 178
第五章 排水、压气、通风设备的电气控制………………………………………………… 180
节 排水设备的电气控制………………………………………………………… 180
第二节 压气设备的电气控制………………………………………………………… 187
第三节 矿井主通风设备的电气控制………………………………………………… 193
复习思考题……………………………………………………………………………… 206
2 矿山电力拖动与控制
第六章 主提升交流拖动电控系统………………………………………………………… 207
节 提升工作图及提升控制……………………………………………………… 207
第二节 动力制动装置与可调闸……………………………………………………… 212
第三节 提升机的速度控制与深度指示……………………………………………… 221
第四节 TKD - A 型提升机电气控制线路 …………………………………………… 226
复习思考题……………………………………………………………………………… 240
第七章 主提升直流拖动电控系统………………………………………………………… 241
节 发电机—电动机组直流拖动系统…………………………………………… 241
第二节 发电机—电动机组直流提升控制线路……………………………………… 259
第三节 晶闸管变流器—电动机直流拖动系统……………………………………… 271
第四节 晶闸管变流器—电动机直流提升控制电路………………………………… 301
复习思考题……………………………………………………………………………… 321
第八章 变频器调速控制…………………………………………………………………… 324
节 变频器的基本工作原理……………………………………………………… 324
第二节 变频器的接线与操作………………………………………………………… 329
第三节 变频器的参数设置…………………………………………………………… 335
第四节 变频器的应用………………………………………………………………… 355
复习思考题……………………………………………………………………………… 359
前 言
“十二五”期间,煤炭职业教育必须坚持认真贯彻党的教育方针,全面实
施素质教育; 坚持以服务为宗旨、以就业为导向、以提高质量为重点,立足
煤炭、面向社会办学,增强职业教育服务煤炭工业发展和社会主义现代化建
设的能力; 深化人才培养模式改革,完善教学内容,创新教学方法,突出职
业技能培养,全面提升学生的综合素质和职业能力。为此,中国煤炭教育协
会组织煤炭行业职业教育专家编制了 《煤炭技工学校专业目录》并在劳动和
社会保障部备案,同时完成了 《煤炭职业教育 “十二五”教材建设规划》编
制工作,提出了教材建设工作继续坚持 “改革创新、突出特色、提高质量、
适应发展”的指导思想,新的教学方法研究和教材开发工作进展顺利,一套
“结构科学、特色突出、专业配套、质量优良”的煤炭技工学校 “十二五”规
划教材正在陆续出版发行,将为煤炭职业教育的创新发展提供有力的技术支
撑。
这套教材主要适用于煤炭技工学校教学、工人在职培训和就业前培训,
也适合具有初中文化程度的工人自学和工程技术人员参考。
施素质教育; 坚持以服务为宗旨、以就业为导向、以提高质量为重点,立足
煤炭、面向社会办学,增强职业教育服务煤炭工业发展和社会主义现代化建
设的能力; 深化人才培养模式改革,完善教学内容,创新教学方法,突出职
业技能培养,全面提升学生的综合素质和职业能力。为此,中国煤炭教育协
会组织煤炭行业职业教育专家编制了 《煤炭技工学校专业目录》并在劳动和
社会保障部备案,同时完成了 《煤炭职业教育 “十二五”教材建设规划》编
制工作,提出了教材建设工作继续坚持 “改革创新、突出特色、提高质量、
适应发展”的指导思想,新的教学方法研究和教材开发工作进展顺利,一套
“结构科学、特色突出、专业配套、质量优良”的煤炭技工学校 “十二五”规
划教材正在陆续出版发行,将为煤炭职业教育的创新发展提供有力的技术支
撑。
这套教材主要适用于煤炭技工学校教学、工人在职培训和就业前培训,
也适合具有初中文化程度的工人自学和工程技术人员参考。
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章 电 力 拖 动
节 电力拖动的基本知识
电力拖动是以电力为原动力,通过电气设备 ( 如电动机等) 带动生产机械来完成一
定的生产任务。矿山生产所用的生产机械,如提升机、通风机、水泵、空气压缩机等都是
采用电动机拖动的。采用电力拖动具有以下优点:
( 1) 电能输送方便、经济,便于分配;
( 2) 可满足不同类型生产机械的需要,并且拖动效率高;
( 3) 拖动性能好,能达到生产工艺要求的工作状态;
( 4) 能进行远距离监视、测量和控制,便于集中管理,容易实现生产过程的自动化。
随着现代科学技术的发展、创新,电力拖动系统将会发生突飞猛进的变化。特别是新
型控制元件的开发和电力半导体、微电子技术以及微型计算机的应用,使拖动系统的自动
化程度日益提高,工作性能进一步完善。
一、电力拖动系统的组成及运动方程式
图 1 - 1 电力拖动系统示意图
1. 电力拖动系统的组成
电力拖动系统由 4 个基本部分组成,如图
1 - 1 所示。
1) 电源
电源用以向拖动系统提供能源。主要由变
压器,各种高、低压开关和继电保护装置及各
类仪表、仪器等组成,以便向电动机及控制设备合理配电。
2) 电动机
电动机是生产机械的原动机。它的作用是将电能转变为机械能带动生产机械工作。
根据电动机的分类,电力拖动分为交流拖动系统和直流拖动系统。用交流异步电动机
和交流同步电动机拖动生产机械的系统称为交流拖动系统; 以直流电动机拖动生产机械的
系统称为直流拖动系统。
交流电动机具有结构简单、操作方便、造价低、易维护等优点,但它的启动电流大、
调速性能差,所以交流拖动系统多用于不要求调速的系统,如水泵、采掘机械等; 而同步
电动机用于压风、通风等大功率恒速系统。随着变频技术的发展,交流电动机的调速性能
有了很大的改善,从而广泛用于各个领域。
直流电动机具有调速性能好的特点,但成本高,维护工作量大,并需要专门的直流电
源。直流电动机多用于调速性能要求较高的系统中。随着电力半导体器件的开发和控制理
2 矿山电力拖动与控制
论的发展,直流拖动系统被逐步应用于各种生产机械。
根据系统中电动机的数量,电力拖动又分为单机拖动系统和多机拖动系统。单机拖动
系统结构简单,应用较广; 多机拖动常用于大功率和有特殊控制要求的系统中。
3) 生产机械
生产机械是电动机拖动的对象,如提升机、通风机、水泵等。有时生产机械需要改变
运行方式传递动力,电动机通过传动装置拖动生产机械。
4) 控制设备
控制设备是按照生产机械的要求去控制电动机的启动、调速、制动等运行过程的。控
制设备由各种控制电器和控制电动机组成。随着电子技术的发展和微型计算机的应用,控
制设备将逐步成为一个完善的智能型自动化系统。
2. 拖动系统的运动方程式
在拖动系统中,电动机将电能转换为机械能,并通过一定的传动方式带动生产机械按
照要求实现生产工艺过程。比如提升系统,电动机通过减速器带动卷筒按生产要求提升重
物,如图 1 - 2 所示。
图 1 - 2 提升机传动系统示意图
该系统存在 3 个转矩:
电磁转矩 M: 由电动机将电能转化而来,也称为拖动转矩。
负载转矩 ML: 包括重物的重力和系统摩擦阻力产生的转矩,也称为静阻转矩。
惯性转矩 Mβ: 由提升速度 v 变化而产生。
根据动力学定律,该系统运动方程的一般形式为
M - M
L = Mβ ( 1 - 1)
其中
M
β = J ddωt ( 1 - 2)
式中 J ———系统转动惯量,kg·m2;
dω
dt ———角速度的变化率,rad /s2;
章 电 力 拖 动 3
ω———角速度,rad /s;
t———时间,s。
式 ( 1 - 2) 表明当系统转速发生变化时,转速的变化率与动态转矩成正比。在实际
工程中,转速常用每分钟的转数 n ( r /min) 表示,则角速度可表示为
ω =
2 n
60 =
n
9. 55 ( 1 - 3)
将式 ( 1 - 3) 代入式 ( 1 - 2) 得到用转速 n 表示的系统运动方程式为
M - M
L =
J
9. 55 ×
dn
dt ( 1 - 4)
式 ( 1 - 4) 说明系统在运行过程中:
( 1) 当dn
dt = 0 时,表示速度没有变化,系统处于匀速运动的稳定状态,这时 M = ML,
说明电动机的拖动转矩用于平衡静阻转矩,如图 1 - 2b 所示。
( 2) 当dn
dt 0 时,表示系统为加速运动状态,这时 M ML,说明电动机的拖动转矩
有一部分用于系统的加速。
( 3) 当dn
dt 0 时,表示系统为减速运动状态,这时 M ML,说明惯性转矩的一部分
用来平衡静阻转矩。
二、机械特性
拖动系统中的转矩改变时,将导致系统速度的变化,它们之间的这种关系称为系统的
转矩—转速特性,也称为机械特性。在实际工作中,只有将电动机的机械特性和生产机械
的机械特性适当配合,才能实现电力拖动系统的正常运行。
1—同步电动机; 2—异步电动机;
3—直流他励电动机; 4—直流串励电动机
图 1 - 3 矿山常用电动机的机械特性
1. 电动机的机械特性
电动机的机械特性是指电动机的电磁转矩 M 与
转速 n 之间的关系,即
n = f ( M)
电动机的机械特性可用特性方程式或特性曲线
图表示,它是生产机械选配电动机和分析拖动系统
的重要依据。
不同类型的电动机在不同的运行条件下,具有
不同的机械特性。矿山常用的几种电动机机械特性
曲线如图 1 - 3 所示。
为了描述电动机的性能,可用机械特性的硬度
来说明电动机具有的特性。机械特性的硬度是指电
动机转矩的改变引起转速变化的程度。硬度用字母
β 表示,其定义为
β = dM
dn ( 1 - 5)
4 矿山电力拖动与控制
即特性曲线上转矩的变化量 ΔM 与对应转速的变化量 Δn 之比。
由图 1 - 3 可见,不同的电动机机械特性硬度亦不相同。根据 β 的大小,电动机的机
械特性可分为三种类型:
( 1) 硬特性。当转矩变化时,电动机的转速恒定不变,其 β→∞ ,这是同步电动
机具有的机械特性,如图 1 - 3 曲线 1 所示。
( 2) 硬特性。当转矩变化时,电动机的转速变化不大,由于特性曲线是下降的,即
随着转矩的增加转速降低,故 β 为负值。一般 β = - ( 40 ~ 10) 。异步电动机机械特性曲
线的平直部分和直流他励电动机具有这种特性,如图 1 - 3 中曲线 2、3 所示。
( 3) 软特性。当转矩变化时,电动机的转速变化很大,一般 β = - ( 5 ~ 1) 。直流串
励电动机具有这种特性,如图 1 - 3 中曲线 4 所示。
硬特性的电动机具有转速比较稳定、受负载变化影响较小的特点,适用于提升机、通
风机、空气压缩机和水泵等机械设备的电力拖动。软特性的电动机具有转矩增加转速自动
降低的特点,适用于电机车等要求平稳启动的机械。
在实际中,为了满足生产机械运行的要求,可以人为地改变电动机的机械特性。所
以,按电动机的运行条件,机械特性又可分为固有机械特性和人为机械特性。
( 1) 固有机械特性。固有机械特性也称为自然特性,它是在电动机额定电压、额定
频率 ( 交流电动机) 、额定励磁电流 ( 直流电动机) 的条件下,电动机回路无附加电阻或
电抗时得到的机械特性。
( 2) 人为机械特性。人为机械特性也称人工特性,是通过改变电动机的电压、频率、
励磁电流以及串接电阻、电抗的方法而得到的机械特性。利用人为特性可以满足不同生产
工艺过程的需要。
2. 生产机械的机械特性
电力拖动系统中的生产机械泛指电动机带动运转的对象,如水泵、通风机、提升机
等。这些机械的转矩 ML 与转速 n 之间的关系称为生产机械的机械特性,可表示为
n = f ( ML)
不同类型的生产机械具有不同的特性。矿山常
节 电力拖动的基本知识
电力拖动是以电力为原动力,通过电气设备 ( 如电动机等) 带动生产机械来完成一
定的生产任务。矿山生产所用的生产机械,如提升机、通风机、水泵、空气压缩机等都是
采用电动机拖动的。采用电力拖动具有以下优点:
( 1) 电能输送方便、经济,便于分配;
( 2) 可满足不同类型生产机械的需要,并且拖动效率高;
( 3) 拖动性能好,能达到生产工艺要求的工作状态;
( 4) 能进行远距离监视、测量和控制,便于集中管理,容易实现生产过程的自动化。
随着现代科学技术的发展、创新,电力拖动系统将会发生突飞猛进的变化。特别是新
型控制元件的开发和电力半导体、微电子技术以及微型计算机的应用,使拖动系统的自动
化程度日益提高,工作性能进一步完善。
一、电力拖动系统的组成及运动方程式
图 1 - 1 电力拖动系统示意图
1. 电力拖动系统的组成
电力拖动系统由 4 个基本部分组成,如图
1 - 1 所示。
1) 电源
电源用以向拖动系统提供能源。主要由变
压器,各种高、低压开关和继电保护装置及各
类仪表、仪器等组成,以便向电动机及控制设备合理配电。
2) 电动机
电动机是生产机械的原动机。它的作用是将电能转变为机械能带动生产机械工作。
根据电动机的分类,电力拖动分为交流拖动系统和直流拖动系统。用交流异步电动机
和交流同步电动机拖动生产机械的系统称为交流拖动系统; 以直流电动机拖动生产机械的
系统称为直流拖动系统。
交流电动机具有结构简单、操作方便、造价低、易维护等优点,但它的启动电流大、
调速性能差,所以交流拖动系统多用于不要求调速的系统,如水泵、采掘机械等; 而同步
电动机用于压风、通风等大功率恒速系统。随着变频技术的发展,交流电动机的调速性能
有了很大的改善,从而广泛用于各个领域。
直流电动机具有调速性能好的特点,但成本高,维护工作量大,并需要专门的直流电
源。直流电动机多用于调速性能要求较高的系统中。随着电力半导体器件的开发和控制理
2 矿山电力拖动与控制
论的发展,直流拖动系统被逐步应用于各种生产机械。
根据系统中电动机的数量,电力拖动又分为单机拖动系统和多机拖动系统。单机拖动
系统结构简单,应用较广; 多机拖动常用于大功率和有特殊控制要求的系统中。
3) 生产机械
生产机械是电动机拖动的对象,如提升机、通风机、水泵等。有时生产机械需要改变
运行方式传递动力,电动机通过传动装置拖动生产机械。
4) 控制设备
控制设备是按照生产机械的要求去控制电动机的启动、调速、制动等运行过程的。控
制设备由各种控制电器和控制电动机组成。随着电子技术的发展和微型计算机的应用,控
制设备将逐步成为一个完善的智能型自动化系统。
2. 拖动系统的运动方程式
在拖动系统中,电动机将电能转换为机械能,并通过一定的传动方式带动生产机械按
照要求实现生产工艺过程。比如提升系统,电动机通过减速器带动卷筒按生产要求提升重
物,如图 1 - 2 所示。
图 1 - 2 提升机传动系统示意图
该系统存在 3 个转矩:
电磁转矩 M: 由电动机将电能转化而来,也称为拖动转矩。
负载转矩 ML: 包括重物的重力和系统摩擦阻力产生的转矩,也称为静阻转矩。
惯性转矩 Mβ: 由提升速度 v 变化而产生。
根据动力学定律,该系统运动方程的一般形式为
M - M
L = Mβ ( 1 - 1)
其中
M
β = J ddωt ( 1 - 2)
式中 J ———系统转动惯量,kg·m2;
dω
dt ———角速度的变化率,rad /s2;
章 电 力 拖 动 3
ω———角速度,rad /s;
t———时间,s。
式 ( 1 - 2) 表明当系统转速发生变化时,转速的变化率与动态转矩成正比。在实际
工程中,转速常用每分钟的转数 n ( r /min) 表示,则角速度可表示为
ω =
2 n
60 =
n
9. 55 ( 1 - 3)
将式 ( 1 - 3) 代入式 ( 1 - 2) 得到用转速 n 表示的系统运动方程式为
M - M
L =
J
9. 55 ×
dn
dt ( 1 - 4)
式 ( 1 - 4) 说明系统在运行过程中:
( 1) 当dn
dt = 0 时,表示速度没有变化,系统处于匀速运动的稳定状态,这时 M = ML,
说明电动机的拖动转矩用于平衡静阻转矩,如图 1 - 2b 所示。
( 2) 当dn
dt 0 时,表示系统为加速运动状态,这时 M ML,说明电动机的拖动转矩
有一部分用于系统的加速。
( 3) 当dn
dt 0 时,表示系统为减速运动状态,这时 M ML,说明惯性转矩的一部分
用来平衡静阻转矩。
二、机械特性
拖动系统中的转矩改变时,将导致系统速度的变化,它们之间的这种关系称为系统的
转矩—转速特性,也称为机械特性。在实际工作中,只有将电动机的机械特性和生产机械
的机械特性适当配合,才能实现电力拖动系统的正常运行。
1—同步电动机; 2—异步电动机;
3—直流他励电动机; 4—直流串励电动机
图 1 - 3 矿山常用电动机的机械特性
1. 电动机的机械特性
电动机的机械特性是指电动机的电磁转矩 M 与
转速 n 之间的关系,即
n = f ( M)
电动机的机械特性可用特性方程式或特性曲线
图表示,它是生产机械选配电动机和分析拖动系统
的重要依据。
不同类型的电动机在不同的运行条件下,具有
不同的机械特性。矿山常用的几种电动机机械特性
曲线如图 1 - 3 所示。
为了描述电动机的性能,可用机械特性的硬度
来说明电动机具有的特性。机械特性的硬度是指电
动机转矩的改变引起转速变化的程度。硬度用字母
β 表示,其定义为
β = dM
dn ( 1 - 5)
4 矿山电力拖动与控制
即特性曲线上转矩的变化量 ΔM 与对应转速的变化量 Δn 之比。
由图 1 - 3 可见,不同的电动机机械特性硬度亦不相同。根据 β 的大小,电动机的机
械特性可分为三种类型:
( 1) 硬特性。当转矩变化时,电动机的转速恒定不变,其 β→∞ ,这是同步电动
机具有的机械特性,如图 1 - 3 曲线 1 所示。
( 2) 硬特性。当转矩变化时,电动机的转速变化不大,由于特性曲线是下降的,即
随着转矩的增加转速降低,故 β 为负值。一般 β = - ( 40 ~ 10) 。异步电动机机械特性曲
线的平直部分和直流他励电动机具有这种特性,如图 1 - 3 中曲线 2、3 所示。
( 3) 软特性。当转矩变化时,电动机的转速变化很大,一般 β = - ( 5 ~ 1) 。直流串
励电动机具有这种特性,如图 1 - 3 中曲线 4 所示。
硬特性的电动机具有转速比较稳定、受负载变化影响较小的特点,适用于提升机、通
风机、空气压缩机和水泵等机械设备的电力拖动。软特性的电动机具有转矩增加转速自动
降低的特点,适用于电机车等要求平稳启动的机械。
在实际中,为了满足生产机械运行的要求,可以人为地改变电动机的机械特性。所
以,按电动机的运行条件,机械特性又可分为固有机械特性和人为机械特性。
( 1) 固有机械特性。固有机械特性也称为自然特性,它是在电动机额定电压、额定
频率 ( 交流电动机) 、额定励磁电流 ( 直流电动机) 的条件下,电动机回路无附加电阻或
电抗时得到的机械特性。
( 2) 人为机械特性。人为机械特性也称人工特性,是通过改变电动机的电压、频率、
励磁电流以及串接电阻、电抗的方法而得到的机械特性。利用人为特性可以满足不同生产
工艺过程的需要。
2. 生产机械的机械特性
电力拖动系统中的生产机械泛指电动机带动运转的对象,如水泵、通风机、提升机
等。这些机械的转矩 ML 与转速 n 之间的关系称为生产机械的机械特性,可表示为
n = f ( ML)
不同类型的生产机械具有不同的特性。矿山常
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