煤矿井下电动机满载启动时端电压的计算

穆 成,杨军梨,穆连生

（1.山西晋神河曲磁窑沟煤业有限公司，山西河曲036500；2.山西大同大学煤炭工程学院，山西大同037003）

在煤矿井下低压供电系统计算中,按功率最大的电动机起动,他电动机正常运行的条件来校验电动机起动时的最小端电压。 《煤矿电工手册》、煤炭院校的有关教科书等,都是以0.75倍电动机额定电压为最小值进行计算,这对于空载起动的负载是满足要求的。但是,对于工作面刮板输送机、运输巷道的带式输送机等负载,由于某种原因,出现运行中的停机现象,导致电动机满载起动的情况,原设计按0.75倍电动机额定电压计算,理论上是通过的,但是实际中这类满载起动的负载,起动困难,甚至根本无法起动,迫使人工卸载,起动后人工装载,这样的案例时有发生。基于这种情况,本文提出,对于满载起动的煤矿井下输送机类的负载,拖动电动机在起动校核计算时,应按0.9倍额定电压计算。

由《电机学》可知,电网电压降低,隔爆鼠笼型异步电动机的最大转矩Mmax和起动矩Mst基本与电源电压U2成正比地降低,临界转差率sm与电压U的降低无关,同步转速保持不变。电动机的过载倍数（λ值可由产品目录查到）,通常λ≈1.6～2.2;电动机的起动转矩倍数值可由产品目录查到），通常Kst≈1～2。 极限考虑,电动机满载起动时,当电源电压下降10%,最大转矩变为 Mmax＝1.6×0.92MN＝1.3MN,起动转矩变为 Mst＝0.92KstMN＝0.81 MN,Mst＞Ml, 即,起动转矩Mst大于负载转矩Ml时,电动机拖动额定负载可以起动。这样的计算,势必要增大变压器的容量或增加低压电缆的芯线横截面积,初期投资增大。但是,确保了设备起动及运行的可靠性。

从电源容量来讲,目前国产的矿用干式变压器或隔爆移动变电站,其容量最大可达4 000 kv·A,特别是卷绕铁芯式干式变压器,几何尺寸较小,在煤矿井下应用广泛,完全能够保证井下原煤生产用电的需求。

用全阻抗法计算电动机满载起动时的端电压,更近工程实际。

1 用全阻抗计算煤矿井下电动机满载启动时端电压的几点假设

1)一台隔爆型动力变压器或一台隔爆型移动变电站为一个供电单元;

3)一个供电单元,主变压器电源侧的系统阻抗忽略不计;

4)电动机的额定功率满足拖动负载的要求,并有一定的功率富裕系数;

5)设供电单元动力变压器为Y接线,隔爆型鼠笼电动机为Y型接线;

6)电源频率不变。

2 煤矿井下电动机满载起动时的电压损失

电动机满载起动时,其最小起动电压按0.9倍额定电压计算,其允许最大电压损失ΔUp·st为

其中U2N为变压器二次额定电压(V),UN为电动机额定电压 (V)；电网电压为380 V,电动机满载起动时的允许电压损失 ΔUp·st＝58 V;电网电压为 660 V,电动机满载起动时的允许电压损失ΔUp·st＝99V;而电网电压为 1 140 V,ΔUp·st＝174 V;电网电压为 3 300 V,ΔUp·st＝495 V。

“哎呀，怎么也不说一声就回来了，”大娘是又惊又喜，一时间不知道手该往哪里放，“怎么瘦这么多？哎哟哟，看看你这黑眼圈，几天没合眼了？”

电动机满载起动时,允许最小起动电压Up·st·min为

电网电压为380 V,Up·st·min＝342 V;电网电压为660 V,Up·st·min; ＝594 V；电网电压为 1 140 V,Up·st·min＝1 026 V;电网电压为3 300 V,Up·st·min＝2 970 V。

3 煤矿井下一台隔爆型变压器带多台电动机,功率最大的一台或两台电动机满载起动,电动机正常运行的起动验算

用供电系统图1来作一说明。设电动机M2功率最大,且供电距离最远。M2满载起动,M1电动机正常运行,进行起动验算。如果供电单元有多台电动机,容量最大的电动机起动验算与下述计算方法相同。

图1 多台电动机供电系统和等值电路

分析思路:由供电系统图画出一相等值电路图,如图1(b)所示,先求出功率最大电动机M2起动,电动机M1额定工作时,变压器T提供的实际起动电流Ist,再求出并联处的电压UMN,计算出最大容量的电动机M2的实际起动电流Ist2,进而求出电动机M2的实际起动电压ULN,与允许最小满载起动电压Up·st·min比较,判断可否通过满载起动校验。或计算出功率最大电动机起动时的电压损失与其允许电压损失比较,判断能否能够通过。

3.1 各支路元件阻抗

1)正常工作的电动机M1支路

Rbl1＝r01Lbl1,Xbl1＝x01Lbl1;XM1＝ZM1sinφN。 其中 ZM1，RM1，XM1，cosφN，sinφN为电动机M1的额定阻抗、额定电阻、额定电抗、额定功率因数和对应的正弦值;r0，x0为电缆线路单位长度的电阻、电抗值 (Ω/km),由产品目录中可获得;L为电缆线路的长度(km)。

M1支路的总阻抗Z1、电导G1、电纳B1为

2)功率最大的电动机M2

支路其中UN为电动机额定电压(V);IN·st为电动机额定启动电流 (A),IN·st＝（5～7）IN,IN为电动机额定电流(A),煤矿井下供电计算时取7倍;Zst，Rst，Xst为电动机起动时每相阻抗、电阻和电抗值 (Ω);cosφst和sinφst为电动机起动时的功率因数和对应的正弦值,通常矿用隔爆型鼠笼电动机额定起动时的功率因数cosφst＝0.3～0.5。

3.2 电动机支路并联后的总电导GMN、总电纳

BMN、总导纳YMN和总阻抗ZMN

3.3 隔爆型变压器每相电阻RT、电抗XT值,干线电阻 Rti、电抗 Xtl值

已知动力变压器阻抗压降百分数u%和负载损耗ΔP

干线电阻和电抗值:Ril＝r0Lil，Xil＝x0Lil

3.4 起动回路总电阻R∑、总电抗X∑、总阻抗Z∑

3.5 功率最大的电动机M2满载起动时,变压器提供的总电流Ist

3.6 M2满载起动时并联支路处的总电压UMN

3.7 M2满载起动时实际起动电流Ica·st和实际起动电压Uca·st

当电动机满载起动时,实际起动电压Ust小于最小允许起动电压Up·st·min,不能正常起动。为此,采取的措施:

1)增加电缆的截面积;

2)缩短供电距离;

3)增加变压器的容量;

4)重新分配供电系统负荷。

3.8 工程实例概述

大同煤矿集团地煤公司焦煤矿,年产120万t,井下运输转弯皮带,水平布置,由2台40kw/660V的电动机拖动,同时起动。供电距离850 m,其中500 m为3×70 mm2矿用橡胶电缆,另350 m为3×35 mm2矿用橡胶电缆,变压器容量满足要求。在安装调试中出现的问题,只能空载起动;满载起动时,保护装置跳闸,不能起动。实测两台电动机空载起动电压为600 V和602 V,起动电流266 A和260 A;实测满载起动时的电压为558 V和560 V,满载起动电流334 A和330 A。

根据上述情况:①满载起动时,按0.75倍额定电压校核最小起动电压时,满载起动电压558V＞495V（U2N－0.75UN）,满足要求,实际上不能起动。对于满载起动的运输机,电动机起动时的最小端电压不能用0.75倍额定电压校核计算；②满载起动时,按0.9倍额定电压计算,满载起动电压,不满足要求,不能起动；③解决办法,按0.9倍额定电压计算不满足要求,根据现场实际情况,缩短供电距离,将一台KSGB-315 kv·A,6000V/693V变压器设置在拖动电动机附近,直接向皮带拖动电动机供电,满载起动完全满足要求,实测满载起动电压612V＞594V（U2N－0.9UN）,与理论计算相符(供电计算略)。

4 结论

煤矿井下对经常有满载起动可能性的运输机,在起动校核计算时,应按电动机额定电压的0.9倍来计算,避免在非正常情况下停车,满载起动困难,被迫人工装卸货载的作业,影响原煤生产。采用全阻抗法计算电动机满载起动时的电压,在煤矿井下供电计算中是一种较好的方法。

参考文献

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