汇川技术HE系列工程专用型变频器在矿山直流电铲改造中的应用_

1、大国重器之汇川技术 HE 系列工程专用型变频器在矿山直流电铲改造中的应用本文着重介绍汇川技术 HE 系列工程专用型变频器在矿山直流电铲改造中的应用,采用汇川 HE 系列可满足电铲在特殊工况下性能与功能上的各种要求 , 满足在电铲行业的相关规定及行业验收 标准。 HE 系列工程型变频器基于汇川先进的矢量控制技术,为大功率、高性能和高可靠性的应 用场合提供了极具竞争力的行业应用解决方案 。 本行业应用方案是汇川 HE 系列工程型变频器针 对鞍钢某石灰石矿直流电铲改造的应用方案。一、设备描述电铲是露天矿上用来剥离和采掘矿石、煤炭的主要采矿设备,一般与电动轮配套使用。国内外露 天矿技术发展总的趋势是开

2、采规模大型化 、 生产连续化 、 装备现代化 , 采矿技术正向自动化发展, 应用高效、节能的矿山开采和运输设备,是实现矿山可持续发展的有效保证。采用现代先进开采 技术与工艺,实行高度集中化开采,可使露天开采成本大幅度下降,劳动生产率大幅度提高。 我国中小型电铲 (420立方 目前采用的电气系统主要以直流调速为主,其电控系统由交流电 动机直流发电机直流电动机组成的。这种系统能耗高、体积大、噪声大、并且缺乏对驱动 端电机有效的保护,电气系统老化很快、可靠性低、故障率高,很多矿山在夏天高温时期整个电 控屋内温度较高 , 使电铲经常发生电机烧毁的现象 。 交流变频电铲的出现 , 简化了系统配置方案,

3、大大降低了电机、电控系统的维护频率,并提高系统的操控性能。二、工艺要求 改造背景鞍钢集团某石灰石矿目前使用 4台 WD400A 直流电铲,承担着主要的剥离与采掘工作。由于直 流电铲本身存在的弊端,造成开机率不高影响生产任务,主要表现在以下几点:1. 直流电铲为上世纪 7080年代产品,电控系统大多采用磁放大器 -晶闸管励磁控制,驱 动方式为高压电动机 -发电机 -电动机。绝大多数控制元件为传统的接触器及继电器,其 故障点多,维护工作量大,费用较高。当发电机组损坏时,检修周期长,严重影响生产 的正常运行。 2. 在电铲生产过程中,直流电机频繁启动、负载多变、重复换向、冲击强烈,需要定期对 碳刷、

4、换向器进行更换,而且遇到夏天高温、爆破不充分矿石的时候容易发生烧毁电机 的现象,维护起来非常麻烦而且费用高,同时也影响了生产任务。3. 直流电铲能耗偏高,在等待装车过程中需要使发电机组保持工作状态,电能浪费严重。4. 直流电铲驱动方式为高压电动机 -发电机 -电动机,工作噪音大。 设备构造WD400A 电铲的结构主要由下车系统(行走装置、上车系统(回转装置、工作装置、润滑 系统、供气系统等组成,如图 -2所示。下车系统是由履带板、履带框架、支重轮、前导轮、后 导轮、驱动轮、车体、回转齿圈、回转滚圈、行走传动机构等组成。下车系统承载着整机的工作 重量,并用来完成电铲的行走。上车系统是将物料由挖掘

5、面运送至运输装置的重要装置,是由回 转框架、平台、配重箱、机舱、A形架、提升回转传动机构、电气控制柜等组成。铲斗是电铲的 主要工作部件,它直接承受被挖掘矿石的反作用力,因而磨损较大。斗杆也是电铲挖掘过程中的 主要部件之一,它的作用是连接和支持铲斗,并将推压作用传递给铲斗,铲斗在推压和提升力的 共同作用下完成挖掘矿石的作用。图 -2 基本技术参数本次改造的抚顺挖掘机械厂生产的 WD400A 参数: 挖掘机的负载特性根据电铲机械工艺的性能要求,给出了的电铲驱动电机的负载特性曲线,如图 -3: 上图中堵转点转矩是额定点转矩的 2-2.5倍,既电机电流最大值为额定电流的 2-2.5倍。 Pmax 为假

6、设最大功率最大点 , 实际工作最大功率要小于或等于 Pmax 点的功率 , 故按 Pmax 点计算, 保证系统余量。假设最大功率点为额定功率的 1.5-2倍。逆变器容量满足以上两个指标要求即 可。 改造交流电机的选型原 4M 3电铲用直流电机功率如下: 2.5倍额 定转矩,所以交流电机功率加大,功率如下: 启动转矩为 1.81.9倍额定转矩,上述两种方案结合后达到相当于直流电机 2.5倍堵转转矩,从 而满足电铲工况要求。电机参数表如下: 应用环境要求 系统配置原电铲由一台 6kV 高压异步电动机驱动 3台发电机再用直流电机分别驱动各机构。本次用全数 字交流电控系统改造其配置措施如下:1. 拆除

7、原异步电动机 -发电机组及其控制柜。2. 安装一组高压进线、变压装置,包括真空接触器, 6kV/690V变压器、辅助变压器,开 关柜等。3. 安装一套 HE300电铲专用四象限变频器,变频器由五个机柜组成,分别是进线柜、 AFE 整流柜、提升单元柜、推压单元柜、回转 /行走单元柜,对应的单元分别驱动电铲的几大 动作机构。4. 各机构主令控制信号、开关信号及制动信号均由一台 PLC 集中控制。 控制原理简述6kV 电源经真空断路器输入到变压器,二次侧输出电压 690V ,为提升、推压和回转 /行走系统 的工作电源,交直流柜、各通风机及辅助电源由副变压器供电。交直流柜受电后,合上空压机、 机棚通风

8、及直流电动机散热风机电源开关,起动各风机。并将起动信号经现场总线送 PLC ,同时 提升、推压、回转 /行走调速柜受电,经内部自检后将信号传给 PLC 。 PLC 将所送给的信号进行 综合分析,在操作允许的前提下控制起动各个系统,实现集中管理分散控制的目的。若某个分系 统异常,系统将停机并发出报警,经检查排除故障后才能起动运行。四、系统框图 设备电控图五、改造效果与方案优势 节能经济性 经过现场超过一年的实际运营，相比直流电铲，交流电铲的节能效果较为明显。 交流电铲相较于直流电铲能耗降低，并采用四象限全回馈技术，将制动电能回馈电网。每个电铲 使用工况不同，通过实际节能测算，全年直流电铲此部分的

9、电能费用为 83.98 万元，全年交流 电铲此部分的电能费用为 55.39 万元，较直流电铲节能 34.04%，减少费用为 28.59 万元。 维护便利性 1. 交流电铲全部采用普通三相异步感应电机，不仅电机价格比直流电机低，而且三相异步 电机的结构简单、性能可靠，几乎可以做到免维护。 2. HE300 多传变频系统采用成熟的 SPWM 脉宽调制技术对电机进行矢量控制，输出力矩 大，动态响应好；上位机与变频器之间采用 DP 通讯，用 PLC 进行逻辑控制，运行稳定 可靠。 3. HE300 多传变频系统采用模块化的设计理念，从单板、功率模块到交流风机采用插拔式 设计，而且都可以做到正面维护，单

10、个功率模块的重量只有 23Kg，单人即可维护兆瓦 级变频器。 结构抗震性 1. 结合设备应用工况数据采集及分析 ， 通过精确计算 、 有限元仿真及新型复合材料的使用， 使机械本体各作用点振动受力更合理可靠，产品各部件轻便。 2. 分布式的设计即保证产品在各种极限工况下工作的安全性，同时提升了产品内部空间的 利用率和强振幅环境的适应性。 3. 最大允许瞬时加速度冲击：10g/11ms 4. 新材料抗压强度值：200Mpa 分布式热设计 1. 不同于集中式散热，创新的分布式设计和精确的仿真，使得散热更均匀，风阻系数更低， 同时极大的提高了结构的抗震性； 2. 分布式的设计提升了产品在负载突变、瞬时热冲击大等特种工况下的适应能力； 3. 风道与内部元件采用隔离式设计，隔绝粉尘，提升产品可靠性。 六、设备现场图片 七、结束语 鞍钢 4m³直流电铲自 2013 年 7 月份改造成功后并投产，至今已经稳定运行 13 个月。改造后的 电控设备占用空间少，噪音小，采用先进的数字控制系统将 PLC、HMI、司机操作台、变频系 统通过 DP 通讯组网，不仅可以通过 HMI 快速读取电铲工作状态、预警信息、故障记录便于故 障快速诊断、维护，而且变频系统采用大功率牵引级