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_圖文

1、大國(guó)重器之匯川技術(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(kāi)

2、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(kāi)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(kāi)采 技術(shù)與工藝,實(shí)行高度集中化開(kāi)采,可使露天開(kāi)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 (420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,

3、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。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(kāi)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) 7080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(guò)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、

4、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(chē)過(guò)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(chē)系統(tǒng)(行走裝置、上車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)系統(tǒng)是將物料由挖掘

5、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(guò)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): 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: 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

6、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 4M 3電鏟用直流電機(jī)功率如下: 2.5倍額 定轉(zhuǎn)矩,所以交流電機(jī)功率加大,功率如下: 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 1.81.9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: 應(yīng)用環(huán)境要求 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

7、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(kāi) 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(kāi)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)

8、及直流電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)機(jī)電源開(kāi)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)備電控圖五、改造效果與方案優(yōu)勢(shì) 節(jié)能經(jīng)濟(jì)性 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)超過(guò)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(guò)實(shí)際節(jié)能測(cè)算，全年直流電鏟此部分的

9、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

10、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(guò)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(guò) DP 通訊組網(wǎng)，不僅可以通過(guò) 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)