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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。HE系列工程型變頻器基于匯川先進(jìn)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(chǎng)合提供了極具競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(lái)剝離和采掘礦石、煤炭的主要采礦設(shè)備，一般與電動(dòng)輪配套使用。國(guó)內(nèi)外露天礦技術(shù)發(fā)展總的趨勢(shì)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(dòng)化發(fā)展，應(yīng)用高效、節(jié)能的礦山開采和運(yùn)輸設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)礦山可持續(xù)發(fā)展的有效保證。采用現(xiàn)代先進(jìn)開采技術(shù)與工藝，實(shí)行高度集中化開采，可使露天開采成本大幅度下降，勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅度提高。

   我國(guó)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(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)組成的。這種系統(tǒng)能耗高、體積大、噪聲大、并且缺乏對(duì)驅(qū)動(dòng)端電機(jī)有效的保護(hù)，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(shí)期整個(gè)電控屋內(nèi)溫度較高，使電鏟經(jīng)常發(fā)生電機(jī)燒毀的現(xiàn)象。交流變頻電鏟的出現(xiàn)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配置方案，大大降低了電機(jī)、電控系統(tǒng)的維護(hù)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(tuán)某石灰石礦目前使用4臺(tái)WD400A直流電鏟，承擔(dān)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(jī)率不高影響生產(chǎn)任務(wù)，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1、直流電鏟為上世紀(jì)70~80年代產(chǎn)品，電控系統(tǒng)大多采用磁放大器-晶閘管勵(lì)磁控制，驅(qū)動(dòng)方式為高壓電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)。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(diǎn)多，維護(hù)工作量大，費(fèi)用較高。當(dāng)發(fā)電機(jī)組損壞時(shí)，檢修周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

2、在電鏟生產(chǎn)過程中，直流電機(jī)頻繁啟動(dòng)、負(fù)載多變、重復(fù)換向、沖擊強(qiáng)烈，需要定期對(duì)碳刷、換向器進(jìn)行更換，而且遇到夏天高溫、爆破不充分礦石的時(shí)候容易發(fā)生燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，維護(hù)起來(lái)非常麻煩而且費(fèi)用高，同時(shí)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(jī)組保持工作狀態(tài)，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。

4、直流電鏟驅(qū)動(dòng)方式為高壓電動(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)，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(rùn)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(dǎo)輪、后導(dǎo)輪、驅(qū)動(dòng)輪、車體、回轉(zhuǎn)齒圈、回轉(zhuǎn)滾圈、行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。下車系統(tǒng)承載著整機(jī)的工作重量，并用來(lái)完成電鏟的行走。上車系統(tǒng)是將物料由挖掘面運(yùn)送至運(yùn)輸裝置的重要裝置，是由回轉(zhuǎn)框架、平臺(tái)、配重箱、機(jī)艙、Ａ形架、提升回轉(zhuǎn)傳動(dòng)機(jī)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(jī)械廠生產(chǎn)的WD400A參數(shù)：

項(xiàng)目名稱單位參數(shù)項(xiàng)目名稱單位參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jī)質(zhì)量

（包括配重）t212(215)

?挖掘機(jī)的負(fù)載特性

根據(jù)電鏟機(jī)械工藝的性能要求，給出了的電鏟驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載特性曲線，如圖-3：

圖-3

   上圖中堵轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)矩是額定點(diǎn)轉(zhuǎn)矩的2-2.5倍，既電機(jī)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(diǎn)，實(shí)際工作最大功率要小于或等于Pmax點(diǎn)的功率，故按Pmax點(diǎn)計(jì)算，保證系統(tǒng)余量。假設(shè)最大功率點(diǎn)為額定功率的1.5-2倍。逆變器容量滿足以上兩個(gè)指標(biāo)要求即可。

?改造交流電機(jī)的選型

原4M3電鏟用直流電機(jī)功率如下：

電機(jī)類型功率

提升電機(jī)175kW

推壓電機(jī)54kW

回轉(zhuǎn)電機(jī)54kW

行走電機(jī)54kW

   原直流電機(jī)設(shè)計(jì)過載能力為2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，而我們選用的交流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)不到2.5倍額定轉(zhuǎn)矩，所以交流電機(jī)功率加大，功率如下：

電機(jī)類型功率

提升電機(jī)290kW

推壓電機(jī)110kW

回轉(zhuǎn)電機(jī)85kW

行走電機(jī)85kW

   從上述功率數(shù)值比值來(lái)看：功率增加1.4~1.5倍，轉(zhuǎn)矩同時(shí)增加1.4~1.5倍，而交流電機(jī)本身啟動(dòng)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(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)2.5倍堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，從而滿足電鏟工況要求。電機(jī)參數(shù)表如下：

機(jī)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(hào)環(huán)境要求環(huán)境描述

1運(yùn)行環(huán)境溫度-40℃～ 55℃；

2海拔高度≤2000m

3相對(duì)濕度≤90%

4凝露有凝露、結(jié)冰、雨、雪、雹等

5防護(hù)等級(jí)IP41

6沖擊加速度實(shí)測(cè)沖擊峰值達(dá)到10G，

7電鏟震動(dòng)主要在X Y軸，Z軸相對(duì)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(shí)測(cè)）

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(dòng)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(dòng)要求不同，最嚴(yán)酷的為石頭礦、鐵礦；

三、方案描述

?系統(tǒng)配置

   原電鏟由一臺(tái)6kV高壓異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)3臺(tái)發(fā)電機(jī)再用直流電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)各機(jī)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(dòng)機(jī)-發(fā)電機(jī)組及其控制柜。

2.安裝一組高壓進(jìn)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(gè)機(jī)柜組成，分別是進(jìn)線柜、AFE整流柜、提升單元柜、推壓?jiǎn)卧?、回轉(zhuǎn)/行走單元柜，對(duì)應(yīng)的單元分別驅(qū)動(dòng)電鏟的幾大動(dòng)作機(jī)構(gòu)。

4.各機(jī)構(gòu)主令控制信號(hào)、開關(guān)信號(hào)及制動(dòng)信號(hào)均由一臺(tái)PLC集中控制。

?控制原理簡(jiǎn)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(fēng)機(jī)及輔助電源由副變壓器供電。交直流柜受電后，合上空壓機(jī)、機(jī)棚通風(fēng)及直流電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)機(jī)電源開關(guān)，起動(dòng)各風(fēng)機(jī)。并將起動(dòng)信號(hào)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)總線送PLC，同時(shí)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(hào)傳給PLC。PLC將所送給的信號(hào)進(jìn)行綜合分析，在操作允許的前提下控制起動(dòng)各個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中管理分散控制的目的。若某個(gè)分系統(tǒng)異常，系統(tǒng)將停機(jī)并發(fā)出報(bào)警，經(jīng)檢查排除故障后才能起動(dòng)運(yùn)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(shì)

?節(jié)能經(jīng)濟(jì)性

   經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)超過一年的實(shí)際運(yùn)營(yíng)，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(dòng)電能回饋電網(wǎng)。每個(gè)電鏟使用工況不同，通過實(shí)際節(jié)能測(cè)算，全年直流電鏟此部分的電能費(fèi)用為83.98萬(wàn)元，全年交流電鏟此部分的電能費(fèi)用為55.39萬(wàn)元，較直流電鏟節(jié)能34.04%，減少費(fèi)用為28.59萬(wàn)元。

?維護(hù)便利性

1、交流電鏟全部采用普通三相異步感應(yīng)電機(jī)，不僅電機(jī)價(jià)格比直流電機(jī)低，而且三相異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，幾乎可以做到免維護(hù)。

2、HE300多傳變頻系統(tǒng)采用成熟的SPWM脈寬調(diào)制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行矢量控制，輸出力矩大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；上位機(jī)與變頻器之間采用DP通訊，用PLC進(jìn)行邏輯控制，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3、HE300多傳變頻系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，從單板、功率模塊到交流風(fēng)機(jī)采用插拔式設(shè)計(jì)，而且都可以做到正面維護(hù)，單個(gè)功率模塊的重量只有23Kg，單人即可維護(hù)兆瓦級(jí)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(jì)算、有限元仿真及新型復(fù)合材料的使用，使機(jī)械本體各作用點(diǎn)振動(dòng)受力更合理可靠，產(chǎn)品各部件輕便。

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

3、最大允許瞬時(shí)加速度沖擊：10g/11ms

4、新材料抗壓強(qiáng)度值：200Mpa

?分布式熱設(shè)計(jì)

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

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

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

?

六、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)圖片

七、結(jié)束語(yǔ)

   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(yùn)行13個(gè)月。改造后的電控設(shè)備占用空間少，噪音小，采用先進(jìn)的數(shù)字控制系統(tǒng)將PLC、HMI、司機(jī)操作臺(tái)、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(hù)，而且變頻系統(tǒng)采用大功率牽引級(jí)IGBT器件，通過矢量控制技術(shù)，具有啟動(dòng)快、能量回饋、對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊電流等優(yōu)點(diǎn)。通過讀取后臺(tái)電能實(shí)時(shí)記錄表發(fā)現(xiàn)，在一年的時(shí)間內(nèi)相對(duì)直流電鏟節(jié)省了數(shù)十萬(wàn)的電費(fèi)，帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)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(jī)、電動(dòng)輪卡車之后的又一個(gè)重大領(lǐng)域突破，為“大國(guó)重器”電控的國(guó)產(chǎn)化做出了里程碑式貢獻(xiàn)。