本文著重介紹匯川技術(shù)HE系列工程專用型變頻器在礦山直流電鏟改造中的應(yīng)用，采用匯川HE系列可滿足電鏟在特殊工況下性能與功能上的各種要求，滿足在電鏟行業(yè)的相關(guān)規(guī)定及行業(yè)驗收標準。HE系列工程型變頻器基于匯川先進的矢量控制技術(shù)，為大功率、高性能和高可靠性的應(yīng)用場合提供了極具競爭力的行業(yè)應(yīng)用解決方案。本行業(yè)應(yīng)用方案是匯川HE系列工程型變頻器針對鞍鋼某石灰石礦直流電鏟改造的應(yīng)用方案。

一、設(shè)備描述

   電鏟是露天礦上用來剝離和采掘礦石、煤炭的主要采礦設(shè)備，一般與電動輪配套使用。國內(nèi)外露天礦技術(shù)發(fā)展總的趨勢是開采規(guī)模大型化、生產(chǎn)連續(xù)化、裝備現(xiàn)代化，采礦技術(shù)正向自動化發(fā)展，應(yīng)用高效、節(jié)能的礦山開采和運輸設(shè)備，是實現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展的有效保證。采用現(xiàn)代先進開采技術(shù)與工藝，實行高度集中化開采，可使露天開采成本大幅度下降，勞動生產(chǎn)率大幅度提高。

   我國中小型電鏟（4～20立方）目前采用的電氣系統(tǒng)主要以直流調(diào)速為主，其電控系統(tǒng)由交流電動機—直流發(fā)電機—直流電動機組成的。這種系統(tǒng)能耗高、體積大、噪聲大、并且缺乏對驅(qū)動端電機有效的保護，電氣系統(tǒng)老化很快、可靠性低、故障率高，很多礦山在夏天高溫時期整個電控屋內(nèi)溫度較高，使電鏟經(jīng)常發(fā)生電機燒毀的現(xiàn)象。交流變頻電鏟的出現(xiàn)，簡化了系統(tǒng)配置方案，大大降低了電機、電控系統(tǒng)的維護頻率，并提高系統(tǒng)的操控性能。

圖-1

二、工藝要求

?改造背景

   鞍鋼集團某石灰石礦目前使用4臺WD400A直流電鏟，承擔著主要的剝離與采掘工作。由于直流電鏟本身存在的弊端，造成開機率不高影響生產(chǎn)任務(wù)，主要表現(xiàn)在以下幾點：

1、直流電鏟為上世紀70~80年代產(chǎn)品，電控系統(tǒng)大多采用磁放大器-晶閘管勵磁控制，驅(qū)動方式為高壓電動機-發(fā)電機-電動機。絕大多數(shù)控制元件為傳統(tǒng)的接觸器及繼電器，其故障點多，維護工作量大，費用較高。當發(fā)電機組損壞時，檢修周期長，嚴重影響生產(chǎn)的正常運行。

2、在電鏟生產(chǎn)過程中，直流電機頻繁啟動、負載多變、重復(fù)換向、沖擊強烈，需要定期對碳刷、換向器進行更換，而且遇到夏天高溫、爆破不充分礦石的時候容易發(fā)生燒毀電機的現(xiàn)象，維護起來非常麻煩而且費用高，同時也影響了生產(chǎn)任務(wù)。

3、直流電鏟能耗偏高，在等待裝車過程中需要使發(fā)電機組保持工作狀態(tài)，電能浪費嚴重。

4、直流電鏟驅(qū)動方式為高壓電動機-發(fā)電機-電動機，工作噪音大。

?設(shè)備構(gòu)造

   WD400A電鏟的結(jié)構(gòu)主要由下車系統(tǒng)（行走裝置）、上車系統(tǒng)（回轉(zhuǎn)裝置）、工作裝置、潤滑系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)等組成，如圖-2所示。下車系統(tǒng)是由履帶板、履帶框架、支重輪、前導輪、后導輪、驅(qū)動輪、車體、回轉(zhuǎn)齒圈、回轉(zhuǎn)滾圈、行走傳動機構(gòu)等組成。下車系統(tǒng)承載著整機的工作重量，并用來完成電鏟的行走。上車系統(tǒng)是將物料由挖掘面運送至運輸裝置的重要裝置，是由回轉(zhuǎn)框架、平臺、配重箱、機艙、Ａ形架、提升回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)、電氣控制柜等組成。鏟斗是電鏟的主要工作部件，它直接承受被挖掘礦石的反作用力，因而磨損較大。斗桿也是電鏟挖掘過程中的主要部件之一，它的作用是連接和支持鏟斗，并將推壓作用傳遞給鏟斗，鏟斗在推壓和提升力的共同作用下完成挖掘礦石的作用。

圖-2

?基本技術(shù)參數(shù)

本次改造的撫順挖掘機械廠生產(chǎn)的WD400A參數(shù)：

項目名稱單位參數(shù)項目名稱單位參數(shù)

標準斗容m?4-4.6履帶最大引力kN800

提升速度m/s0.87最大推壓力kN230

回轉(zhuǎn)速度r/min3-3.5最大爬坡角度?12

推壓速度m/min0.45理論生產(chǎn)率m?/h600-690

行走速度km/h0.45作業(yè)循環(huán)時間S24

履帶平均接地比壓MPa0.192配重質(zhì)量T30(33)

最大提升力kN450整機質(zhì)量

（包括配重）t212(215)

?挖掘機的負載特性

根據(jù)電鏟機械工藝的性能要求，給出了的電鏟驅(qū)動電機的負載特性曲線，如圖-3：

圖-3

   上圖中堵轉(zhuǎn)點轉(zhuǎn)矩是額定點轉(zhuǎn)矩的2-2.5倍，既電機電流最大值為額定電流的2-2.5倍。Pmax為假設(shè)最大功率最大點，實際工作最大功率要小于或等于Pmax點的功率，故按Pmax點計算，保證系統(tǒng)余量。假設(shè)最大功率點為額定功率的1.5-2倍。逆變器容量滿足以上兩個指標要求即可。

?改造交流電機的選型

原4M3電鏟用直流電機功率如下：

電機類型功率

提升電機175kW

推壓電機54kW

回轉(zhuǎn)電機54kW

行走電機54kW

   原直流電機設(shè)計過載能力為2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，而我們選用的交流電機的啟動轉(zhuǎn)矩達不到2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，所以交流電機功率加大，功率如下：

電機類型功率

提升電機290kW

推壓電機110kW

回轉(zhuǎn)電機85kW

行走電機85kW

   從上述功率數(shù)值比值來看：功率增加1.4~1.5倍，轉(zhuǎn)矩同時增加1.4~1.5倍，而交流電機本身啟動轉(zhuǎn)矩為1.8~1.9倍額定轉(zhuǎn)矩，上述兩種方案結(jié)合后達到相當于直流電機2.5倍堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而滿足電鏟工況要求。電機參數(shù)表如下：

機構(gòu)額定電流(A)額定功率（kW）額定轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）數(shù)量

提升282.62907511

推壓106.411011271

回轉(zhuǎn)84.88511302

行走84.88511301

?應(yīng)用環(huán)境要求

編號環(huán)境要求環(huán)境描述

1運行環(huán)境溫度-40℃～ 55℃；

2海拔高度≤2000m

3相對濕度≤90%

4凝露有凝露、結(jié)冰、雨、雪、雹等

5防護等級IP41

6沖擊加速度實測沖擊峰值達到10G，

7電鏟震動主要在X Y軸，Z軸相對小很多，X軸：10-800HZ，加速度均方根5.17G，Y軸：集中在200-800Hz，加速度均方根1.229G，Z軸：集中在200-800HZ，加速度均方根1.098G（4m?電鏟實測）

8使用行業(yè)各大露天礦山，用于鐵礦、煤礦、銅礦、金礦、石頭礦等的開采，電鏟是直接將礦料通過挖掘后直接裝往電動輪卡車上，不同的礦山的應(yīng)用工況中，設(shè)備的過載能力、振動要求不同，最嚴酷的為石頭礦、鐵礦；

三、方案描述

?系統(tǒng)配置

   原電鏟由一臺6kV高壓異步電動機驅(qū)動3臺發(fā)電機再用直流電機分別驅(qū)動各機構(gòu)。本次用全數(shù)字交流電控系統(tǒng)改造其配置措施如下：

1.拆除原異步電動機-發(fā)電機組及其控制柜。

2.安裝一組高壓進線、變壓裝置，包括真空接觸器，6kV/690V變壓器、輔助變壓器，開關(guān)柜等。

3.安裝一套HE300電鏟專用四象限變頻器，變頻器由五個機柜組成，分別是進線柜、AFE整流柜、提升單元柜、推壓單元柜、回轉(zhuǎn)/行走單元柜，對應(yīng)的單元分別驅(qū)動電鏟的幾大動作機構(gòu)。

4.各機構(gòu)主令控制信號、開關(guān)信號及制動信號均由一臺PLC集中控制。

?控制原理簡述

   6kV電源經(jīng)真空斷路器輸入到變壓器，二次側(cè)輸出電壓690V，為提升、推壓和回轉(zhuǎn)/行走系統(tǒng)的工作電源，交直流柜、各通風機及輔助電源由副變壓器供電。交直流柜受電后，合上空壓機、機棚通風及直流電動機散熱風機電源開關(guān)，起動各風機。并將起動信號經(jīng)現(xiàn)場總線送PLC，同時提升、推壓、回轉(zhuǎn)/行走調(diào)速柜受電，經(jīng)內(nèi)部自檢后將信號傳給PLC。PLC將所送給的信號進行綜合分析，在操作允許的前提下控制起動各個系統(tǒng)，實現(xiàn)集中管理分散控制的目的。若某個分系統(tǒng)異常，系統(tǒng)將停機并發(fā)出報警，經(jīng)檢查排除故障后才能起動運行。

四、系統(tǒng)框圖

?設(shè)備電控圖

圖-4

五、改造效果與方案優(yōu)勢

?節(jié)能經(jīng)濟性

   經(jīng)過現(xiàn)場超過一年的實際運營，相比直流電鏟，交流電鏟的節(jié)能效果較為明顯。

交流電鏟相較于直流電鏟能耗降低，并采用四象限全回饋技術(shù)，將制動電能回饋電網(wǎng)。每個電鏟使用工況不同，通過實際節(jié)能測算，全年直流電鏟此部分的電能費用為83.98萬元，全年交流電鏟此部分的電能費用為55.39萬元，較直流電鏟節(jié)能34.04%，減少費用為28.59萬元。

?維護便利性

1、交流電鏟全部采用普通三相異步感應(yīng)電機，不僅電機價格比直流電機低，而且三相異步電機的結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，幾乎可以做到免維護。

2、HE300多傳變頻系統(tǒng)采用成熟的SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)對電機進行矢量控制，輸出力矩大，動態(tài)響應(yīng)好；上位機與變頻器之間采用DP通訊，用PLC進行邏輯控制，運行穩(wěn)定可靠。

3、HE300多傳變頻系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計理念，從單板、功率模塊到交流風機采用插拔式設(shè)計，而且都可以做到正面維護，單個功率模塊的重量只有23Kg，單人即可維護兆瓦級變頻器。

?結(jié)構(gòu)抗震性

1、結(jié)合設(shè)備應(yīng)用工況數(shù)據(jù)采集及分析，通過精確計算、有限元仿真及新型復(fù)合材料的使用，使機械本體各作用點振動受力更合理可靠，產(chǎn)品各部件輕便。

2、分布式的設(shè)計即保證產(chǎn)品在各種極限工況下工作的安全性，同時提升了產(chǎn)品內(nèi)部空間的利用率和強振幅環(huán)境的適應(yīng)性。

3、最大允許瞬時加速度沖擊：10g/11ms

4、新材料抗壓強度值：200Mpa

?分布式熱設(shè)計

1、不同于集中式散熱，創(chuàng)新的分布式設(shè)計和精確的仿真，使得散熱更均勻，風阻系數(shù)更低，同時極大的提高了結(jié)構(gòu)的抗震性；

2、分布式的設(shè)計提升了產(chǎn)品在負載突變、瞬時熱沖擊大等特種工況下的適應(yīng)能力；

3、風道與內(nèi)部元件采用隔離式設(shè)計，隔絕粉塵，提升產(chǎn)品可靠性。

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六、設(shè)備現(xiàn)場圖片

七、結(jié)束語

   鞍鋼4m?直流電鏟自2013年7月份改造成功后并投產(chǎn)，至今已經(jīng)穩(wěn)定運行13個月。改造后的電控設(shè)備占用空間少，噪音小，采用先進的數(shù)字控制系統(tǒng)將PLC、HMI、司機操作臺、變頻系統(tǒng)通過DP通訊組網(wǎng)，不僅可以通過HMI快速讀取電鏟工作狀態(tài)、預(yù)警信息、故障記錄便于故障快速診斷、維護，而且變頻系統(tǒng)采用大功率牽引級IGBT器件，通過矢量控制技術(shù)，具有啟動快、能量回饋、對電網(wǎng)無沖擊電流等優(yōu)點。通過讀取后臺電能實時記錄表發(fā)現(xiàn)，在一年的時間內(nèi)相對直流電鏟節(jié)省了數(shù)十萬的電費，帶來了可觀的經(jīng)濟效益。這是匯川為重型裝備應(yīng)用研發(fā)的HE系列工程型變頻器，繼在石油鉆機、電動輪卡車之后的又一個重大領(lǐng)域突破，為“大國重器”電控的國產(chǎn)化做出了里程碑式貢獻。