本文著重介紹匯川技術HE系列工程專用型變頻器在礦山直流電鏟改造中的應用，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，滿足在電鏟行業的相關規定及行業驗收標準。HE系列工程型變頻器基于匯川先進的矢量控制技術，為大功率、高性能和高可靠性的應用場合提供了極具競爭力的行業應用解決方案。本行業應用方案是匯川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用方案。

一、設備描述

   電鏟是露天礦上用來剝離和采掘礦石、煤炭的主要采礦設備，一般與電動輪配套使用。國內外露天礦技術發展總的趨勢是開采規模大型化、生產連續化、裝備現代化，采礦技術正向自動化發展，應用高效、節能的礦山開采和運輸設備，是實現礦山可持續發展的有效保證。采用現代先進開采技術與工藝，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主要以直流調速為主，其電控系統由交流電動機—直流發電機—直流電動機組成的。這種系統能耗高、體積大、噪聲大、并且缺乏對驅動端電機有效的保護，電氣系統老化很快、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溫度較高，使電鏟經常發生電機燒毀的現象。交流變頻電鏟的出現，簡化了系統配置方案，大大降低了電機、電控系統的維護頻率，并提高系統的操控性能。

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任務，主要表現在以下幾點：

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

2、在電鏟生產過程中，直流電機頻繁啟動、負載多變、重復換向、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生燒毀電機的現象，維護起來非常麻煩而且費用高，同時也影響了生產任務。

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

4、直流電鏟驅動方式為高壓電動機-發電機-電動機，工作噪音大。

?設備構造

   WD400A電鏟的結構主要由下車系統（行走裝置）、上車系統（回轉裝置）、工作裝置、潤滑系統、供氣系統等組成，如圖-2所示。下車系統是由履帶板、履帶框架、支重輪、前導輪、后導輪、驅動輪、車體、回轉齒圈、回轉滾圈、行走傳動機構等組成。下車系統承載著整機的工作重量，并用來完成電鏟的行走。上車系統是將物料由挖掘面運送至運輸裝置的重要裝置，是由回轉框架、平臺、配重箱、機艙、Ａ形架、提升回轉傳動機構、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

?基本技術參數

本次改造的撫順挖掘機械廠生產的WD400A參數：

項目名稱單位參數項目名稱單位參數

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

回轉速度r/min3-3.5最大爬坡角度?12

推壓速度m/min0.45理論生產率m?/h600-690

行走速度km/h0.45作業循環時間S24

履帶平均接地比壓MPa0.192配重質量T30(33)

最大提升力kN450整機質量

（包括配重）t212(215)

?挖掘機的負載特性

根據電鏟機械工藝的性能要求，給出了的電鏟驅動電機的負載特性曲線，如圖-3：

圖-3

   上圖中堵轉點轉矩是額定點轉矩的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，保證系統余量。假設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

回轉電機54kW

行走電機54kW

   原直流電機設計過載能力為2.5倍額定轉矩，而我們選用的交流電機的啟動轉矩達不到2.5倍額定轉矩，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

回轉電機85kW

行走電機85kW

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

機構額定電流(A)額定功率（kW）額定轉數（rpm）數量

提升282.62907511

推壓106.411011271

回轉84.88511302

行走84.88511301

?應用環境要求

編號環境要求環境描述

1運行環境溫度-40℃～ 55℃；

2海拔高度≤2000m

3相對濕度≤90%

4凝露有凝露、結冰、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，不同的礦山的應用工況中，設備的過載能力、振動要求不同，最嚴酷的為石頭礦、鐵礦；

三、方案描述

?系統配置

   原電鏟由一臺6kV高壓異步電動機驅動3臺發電機再用直流電機分別驅動各機構。本次用全數字交流電控系統改造其配置措施如下：

1.拆除原異步電動機-發電機組及其控制柜。

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/行走單元柜，對應的單元分別驅動電鏟的幾大動作機構。

4.各機構主令控制信號、開關信號及制動信號均由一臺PLC集中控制。

?控制原理簡述

   6kV電源經真空斷路器輸入到變壓器，二次側輸出電壓690V，為提升、推壓和回轉/行走系統的工作電源，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，起動各風機。并將起動信號經現場總線送PLC，同時提升、推壓、回轉/行走調速柜受電，經內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，實現集中管理分散控制的目的。若某個分系統異常，系統將停機并發出報警，經檢查排除故障后才能起動運行。

四、系統框圖

?設備電控圖

圖-4

五、改造效果與方案優勢

?節能經濟性

   經過現場超過一年的實際運營，相比直流電鏟，交流電鏟的節能效果較為明顯。

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，將制動電能回饋電網。每個電鏟使用工況不同，通過實際節能測算，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電機，不僅電機價格比直流電機低，而且三相異步電機的結構簡單、性能可靠，幾乎可以做到免維護。

2、HE300多傳變頻系統采用成熟的SPWM脈寬調制技術對電機進行矢量控制，輸出力矩大，動態響應好；上位機與變頻器之間采用DP通訊，用PLC進行邏輯控制，運行穩定可靠。

3、HE300多傳變頻系統采用模塊化的設計理念，從單板、功率模塊到交流風機采用插拔式設計，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。

?結構抗震性

1、結合設備應用工況數據采集及分析，通過精確計算、有限元仿真及新型復合材料的使用，使機械本體各作用點振動受力更合理可靠，產品各部件輕便。

2、分布式的設計即保證產品在各種極限工況下工作的安全性，同時提升了產品內部空間的利用率和強振幅環境的適應性。

3、最大允許瞬時加速度沖擊：10g/11ms

4、新材料抗壓強度值：200Mpa

?分布式熱設計

1、不同于集中式散熱，創新的分布式設計和精確的仿真，使得散熱更均勻，風阻系數更低，同時極大的提高了結構的抗震性；

2、分布式的設計提升了產品在負載突變、瞬時熱沖擊大等特種工況下的適應能力；

3、風道與內部元件采用隔離式設計，隔絕粉塵，提升產品可靠性。

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六、設備現場圖片

七、結束語

   鞍鋼4m?直流電鏟自2013年7月份改造成功后并投產，至今已經穩定運行13個月。改造后的電控設備占用空間少，噪音小，采用先進的數字控制系統將PLC、HMI、司機操作臺、變頻系統通過DP通訊組網，不僅可以通過HMI快速讀取電鏟工作狀態、預警信息、故障記錄便于故障快速診斷、維護，而且變頻系統采用大功率牽引級IGBT器件，通過矢量控制技術，具有啟動快、能量回饋、對電網無沖擊電流等優點。通過讀取后臺電能實時記錄表發現，在一年的時間內相對直流電鏟節省了數十萬的電費，帶來了可觀的經濟效益。這是匯川為重型裝備應用研發的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域突破，為“大國重器”電控的國產化做出了里程碑式貢獻。