礦山電鏟電氣傳動的新趨勢

張坤 楊利民

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古包頭 014080）

礦山電鏟電氣傳動的新趨勢

張坤 楊利民

（內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司巴潤礦業(yè)分公司，內(nèi)蒙古包頭 014080）

隨著露天采礦工作的發(fā)展，主要采礦機(jī)械—剝離和采礦作業(yè)電鏟的作用日益增大，因而促進(jìn)了礦山電鏟制造業(yè)的迅速發(fā)展。電鏟的功率在不斷增大，大型索斗鏟的電動機(jī)功率有的已達(dá)5000-8000kW，而電鏟的總裝機(jī)功率已達(dá)3000OkW。改進(jìn)電鏟結(jié)構(gòu)的主要方向是，用增大鏟斗容積和臂長以及提高工作機(jī)構(gòu)的靈活性來增大單機(jī)功率和生產(chǎn)能力。同時，對大型電鏟的控制自動化也予以重視。

礦山電鏟 電氣傳動 新趨勢

隨著電鏟功率的不斷增大，移動式電鏟的供電遇到了很大困難。這時電鏟的軟電纜就變得很費事和昂貴了。僅為搬動這樣的電纜就得使用諸如電纜卷筒那樣的新機(jī)械。對于大型電鏟有必要將35kv的電力引入電鏟，以簡化電鏟的供電但同時需要增設(shè)高壓變電站。

1 電機(jī)傳動的關(guān)鍵問題

1.1 拖動系統(tǒng)的工藝要求

電鏟是負(fù)荷變化很大的機(jī)械，從生產(chǎn)工藝要求出發(fā)，拖動系統(tǒng)應(yīng)該滿足：第一，在正常工作范圍內(nèi)負(fù)荷增大時轉(zhuǎn)速下降很小，保證設(shè)備具有較高的生產(chǎn)率。第二，當(dāng)負(fù)荷超過容許值， 如鏟斗在清理巖石根部或大塊礦石被卡住時，轉(zhuǎn)速就迅速下降并自動限制堵轉(zhuǎn)電流，保證機(jī)電設(shè)備不受損壞；當(dāng)負(fù)荷減小時，電動機(jī)又能自動加速重新開始作業(yè)。第三，電鏟的提升、推壓和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于頻繁的起制動和正反轉(zhuǎn)，快速的過渡過程是不可缺少的。第四，電鏟電氣傳動系統(tǒng)應(yīng)能承受劇烈的振動，以及灰塵和熱量的影響。

1.2 交流電動機(jī)的選擇

交流電機(jī)傳動替換直流電機(jī)傳動，電鏟的挖掘性能不能降低。挖掘性能主要是起動轉(zhuǎn)矩和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩必須滿足轉(zhuǎn)矩要求。首先，直流傳動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩參見電鏟傳動電機(jī)參數(shù)表1。從表1可以看出，直流電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩很大，過載倍數(shù)2.42-2.95。應(yīng)用變頻器控制交流異步電動機(jī)達(dá)到這個值是不可能的，一般交流異步電動機(jī)的過載倍數(shù)只有1.5。

2 礦山電鏟電氣傳動的新趨勢

截至目前為止，絕大多數(shù)大型礦山電鏟采用的電氣傳動方式仍然是發(fā)電機(jī)一電動機(jī)傳動方式。當(dāng)前迫切需要一種新型的電鏟電氣傳動方式。對這一新方式的要求有：

2.1 提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)負(fù)載特征與起重機(jī)卷揚機(jī)械負(fù)載特征基本相似

位能除一小部分損耗外，將通過電機(jī)發(fā)生制動（發(fā)電）狀態(tài)全部轉(zhuǎn)為電能而回饋電網(wǎng)，這部分反饋能量大多是吸收能量的70%左右?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在電鏟卸載工作時，通過回轉(zhuǎn)將鏟體轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，它的特點是：轉(zhuǎn)臺的工作重量遠(yuǎn)比鏟斗的負(fù)載大，因此靜負(fù)載和轉(zhuǎn)動慣量可被認(rèn)為在空斗、滿斗時是相同的，而且由于回轉(zhuǎn)后的轉(zhuǎn)動慣量很大，靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩和動態(tài)轉(zhuǎn)矩比，可以忽略不計。因此在回轉(zhuǎn)工作期間，很大部分時間是處于起動到制動（發(fā)電）狀態(tài)，即電動機(jī)與發(fā)電機(jī)交替進(jìn)行。電機(jī)狀態(tài)從電網(wǎng)吸收電能，使回轉(zhuǎn)產(chǎn)生速度積累動能，而制動減速狀態(tài)又將這部分能量絕大部分回饋給電網(wǎng)。實現(xiàn)節(jié)能運行，就是將勢能和動能轉(zhuǎn)化成的電能回饋給電網(wǎng)。有資料證明，實現(xiàn)能量回饋比不回饋節(jié)電40%-70%。目前，成功應(yīng)用于煤礦山作業(yè)的國內(nèi)交流控制設(shè)計方案中，均采用獨立變頻器供電，而鐵礦山作業(yè)的國內(nèi)交流控制方案還未見應(yīng)用。忽視了這部分能量，將這部分能量消耗在制動電阻上，產(chǎn)生巨大的浪費。筆者提出的設(shè)計方案采用回饋公共直流母線供電方案。直流母線電壓低，可以避免直流母線過電壓。

2.2 交流變頻調(diào)試方案實現(xiàn)

采用交流傳動的有利條件：交流調(diào)速裝置技術(shù)日趨完善，勝任電鏟的工藝條件和環(huán)境條件；國內(nèi)有些電機(jī)制造廠已開發(fā)出起重重任務(wù)的電動機(jī)，其性能完全滿足電鏟運行。第一，電鏟傳動電機(jī)的選擇。電鏟的交流傳動方案中，選擇交流變頻調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。第二，系統(tǒng)供電變壓器選擇。車載專用整流變壓器：SGB-630/6， 容量630kVA，6kV/415V，接線組別Y/Δ-11，阻抗電壓ud% =8%，一、二次繞組帶靜電屏蔽。第三，防護(hù)等級。電鏟控制系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境十分惡劣，首先要求系統(tǒng)能承受劇烈的振動，其次要求能夠在散熱良好的條件下防塵。采用熱管技術(shù)可以將系統(tǒng)做到IP55的防護(hù)等級。在實踐中將控制柜體模塊化， 實現(xiàn)了一定程度的互換性操作。

2.3 交流電動機(jī)電機(jī)安裝尺寸的選擇

按一般規(guī)律而言，同容量、轉(zhuǎn)速相近的交流異步電動機(jī)的中心高小于直流電動機(jī)的中心高。如果異步電動機(jī)的中心高比直流電機(jī)的高得多，不利于改造方案的實施。查閱有關(guān)直流電機(jī)與變頻異步電機(jī)的安裝尺寸，選用交流220kW、480r/min12極的變頻異步電動機(jī)的中心尺寸與175kW、740r/min直流電動機(jī)軸中心高尺寸均為400mm。這樣不改變提升機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸就可以按照方案安裝交流電動機(jī)。75kW異步電動機(jī)軸中心高為315mm，直流電機(jī)54kW、1150r/min的電動機(jī)軸中心高為280mm。交流異步電動機(jī)比直流電機(jī)略高35mm，這樣可以稍加改動電機(jī)的地腳板高度， 就可以較方便的安裝。以上證明更換電動機(jī)，基本上不改變機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)。

2.4 在上述電傳系統(tǒng)中，制動時的能量不能反饋回供電網(wǎng)

當(dāng)一個傳動系統(tǒng)制動時，制動轉(zhuǎn)換的電能量傳送到電容器中貯存，然后向工作在電動狀態(tài)的其它電氣傳動系統(tǒng)供電。當(dāng)制動能量過剩時，例如在下放鏟斗時則打開調(diào)節(jié)器，使能量消耗在電阻的發(fā)熱上。為了消耗掉這部分制動時轉(zhuǎn)換的電能，需要裝設(shè)容量較大的電阻器。對于395B型電鏟，電阻器的容量按長期功率247kW、尖峰功率為1150kW來考慮。在正常工作狀態(tài)下，多余的制動能量經(jīng)逆變器反饋至電網(wǎng)，逆變器工作在可控硅近似恒定的導(dǎo)通角下，從而保證了只需要較小的附加無功功率。逆變器由變壓器的單獨一繞組來供電，其電壓比主繞組的電壓稍高，從而提高了逆變工作的可靠性和穩(wěn)定性。用于消耗制動功率的電阻器僅在異常情況下才投入，從而保證了制動制度的可靠性與可控性。在事故狀態(tài)下由速動開關(guān)將逆變器從系統(tǒng)中切除。

3 結(jié)語

改用電壓型逆變器的交流傳動方式是改善礦山電鏟電氣傳動方式的主要途經(jīng)。此外，該技術(shù)方案具有適用于不同類型電鏟的通用性也是十分重要。

［1］王玉華，張永惠.礦用電鏟的交流變頻調(diào)速傳動技術(shù)［J］.變頻器世界，2010（10）：100-105.

［2］劉昆，高放，何方威，等.露天礦WK4型電鏟電氣傳動系統(tǒng)改造［J］.礦業(yè)工程，2010（6）：42-44.