付本全

（大冶有色金屬有限公司銅山口銅礦，湖北黃石435122）

全數(shù)字直流調(diào)速技術(shù)在4 m3電鏟上的應(yīng)用

付本全

（大冶有色金屬有限公司銅山口銅礦，湖北黃石435122）

概述了4 m3電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的概況。介紹了直流發(fā)電機(jī)機(jī)組和數(shù)字式晶閘管直流調(diào)速電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，并通過(guò)數(shù)字式直流調(diào)速系統(tǒng)在4 m3電鏟上的成功應(yīng)用，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析。

電鏟；直流發(fā)電機(jī)機(jī)組；全數(shù)字直流調(diào)速；PLC可編程控制器

1 前言

電鏟是露天采礦和水利電力工程的主要挖掘、裝載設(shè)備。它的提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走機(jī)構(gòu)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，多年來(lái)一直延用直流發(fā)電機(jī)機(jī)組，從三繞組、磁放器勵(lì)磁、磁性觸發(fā)器晶閘管勵(lì)磁到電子調(diào)節(jié)觸發(fā)器晶閘管勵(lì)磁，在技術(shù)和性能上都有較大的進(jìn)步和改善。但是，仍然克服不了這種笨重龐大的電氣傳動(dòng)方式自身的缺陷和弊病。由于直流發(fā)電機(jī)組是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，存在機(jī)械損耗，還存在整流換向器、碳刷與整流子的旋轉(zhuǎn)接觸，導(dǎo)致易損和故障率高。振動(dòng)和噪音很大，效率低，維修困難，維修周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，“挖土機(jī)特性”的飽滿率也較差。

我礦過(guò)去所購(gòu)置的電鏟，都是采用直流發(fā)電機(jī)機(jī)組的電氣傳動(dòng)方式。近年來(lái)，利用電鏟大修的機(jī)會(huì)，采用全數(shù)字直流調(diào)速電控設(shè)備，實(shí)施了數(shù)字式直流驅(qū)動(dòng)器的直流電氣傳動(dòng)系統(tǒng)改造。甩掉了發(fā)電機(jī)組，由全數(shù)字式直流驅(qū)動(dòng)器為直流電動(dòng)機(jī)供電和調(diào)速，提高了電鏟總體的性能及可靠性。設(shè)備現(xiàn)已運(yùn)行半年多，運(yùn)行狀態(tài)良好，現(xiàn)就全數(shù)字直流調(diào)速技術(shù)在4 m3電鏟的應(yīng)用做如下探討。

2 4m3電鏟全數(shù)字直流調(diào)速電控設(shè)備介紹

4m3電鏟全數(shù)字直流調(diào)速電控設(shè)備包括高壓柜、主變壓器柜、輔變壓器柜、提升調(diào)速柜、推壓調(diào)速柜、回轉(zhuǎn)/行走調(diào)速柜、交直流控制柜、左操作臺(tái)、右操作臺(tái)、左主令控制器、右主令控制器、電阻箱、集電環(huán)和設(shè)備連接管線等。其中，提升、推壓、回轉(zhuǎn)/行走驅(qū)動(dòng)器與各自的直流電動(dòng)機(jī)相配合，實(shí)現(xiàn)直流可逆（四象限運(yùn)行）調(diào)速的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，本系統(tǒng)以3臺(tái)MontorⅡ直流驅(qū)動(dòng)器，分別控制提升、推壓、回轉(zhuǎn)/行走直流電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)采用三菱FX系列可編程控制器為核心，再加上其他部分元器件所組成。圖1為4 m3電鏟全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖。

3 技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)

（1）提升電機(jī)截止電流850 A、堵轉(zhuǎn)1150 A、最大電流1500 A。

（2）推壓電機(jī)截止480 A、堵轉(zhuǎn)680 A、最大電流825 A。

（3）回轉(zhuǎn)/行走截止480 A、堵轉(zhuǎn)700 A、最大電流825 A。堵轉(zhuǎn)時(shí)間根據(jù)甲方要求調(diào)節(jié)。

（4）開(kāi)斗電機(jī)為速度限幅的恒力矩控制模式，拉緊鋼絲繩力矩為6 A，開(kāi)斗力矩為50 A、最大電流150 A，開(kāi)斗時(shí)速度小于限幅值，斗繩斷裂，速度限幅使空負(fù)載的電機(jī)不會(huì)飛車，而以限幅速度運(yùn)行。

（5）三機(jī)構(gòu)電機(jī)能迅速實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)行，能平滑地調(diào)速，保持較硬的機(jī)械特性，以便獲得較大的起、制動(dòng)力矩，縮短過(guò)渡過(guò)程，提高生產(chǎn)率，升速及減速快慢即斜率根據(jù)甲方要求現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)，及在生產(chǎn)過(guò)程中，能借助于變動(dòng)負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

（6）三機(jī)構(gòu)能根據(jù)挖掘機(jī)生產(chǎn)工藝自如平穩(wěn)運(yùn)行于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

（7）提升電機(jī)電樞電壓從0到460 V平滑均勻可調(diào)、轉(zhuǎn)速?gòu)?到740 r/min可調(diào)，推壓電機(jī)電樞電壓從0到440 V可調(diào)，速度從0到1150可調(diào)。回轉(zhuǎn)電機(jī)兩臺(tái)串聯(lián)，電樞電壓從0到440 V可調(diào)，轉(zhuǎn)速?gòu)?到1150 r/min可調(diào)。行走電機(jī)電樞電壓從0到220 V，轉(zhuǎn)速?gòu)?到740轉(zhuǎn)可調(diào)。

（8）提升電機(jī)主控器勵(lì)磁電流最大20 A，額定勵(lì)磁電流9.45 A，推壓、回轉(zhuǎn)電機(jī)主控器勵(lì)磁電流最大10 A，額定調(diào)整值3.32 A。開(kāi)斗電機(jī)勵(lì)磁電壓220 V，勵(lì)磁電流0.48 A，勵(lì)磁全部采用它激方式。

（9）工作參數(shù)整定，要求根據(jù)實(shí)際情況，能滿足挖掘機(jī)工作性能要求，保證挖掘機(jī)高效率工作。

圖1 4 m3電鏟全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)框圖

4 使用情況分析

通過(guò)近兩年的實(shí)際使用與傳統(tǒng)的直流發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)比較，具有以下特點(diǎn)：

（1）技術(shù)先進(jìn)，具有當(dāng)代國(guó)際先進(jìn)水平。

（2）比發(fā)電機(jī)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的噪聲低，損耗小?！巴谕翙C(jī)特性”優(yōu)于機(jī)組傳動(dòng)，有較理想的使用效果。

（3）保護(hù)功能齊全，安全可靠、檢修方便。操作人員容易及時(shí)地掌握各種信息和處理問(wèn)題。

（4）應(yīng)用人機(jī)界面顯示、操作。軟件編程、參數(shù)設(shè)置、電鏟運(yùn)行工作狀態(tài)、故障等顯示更加人性化。

（5）調(diào)速精度高、響應(yīng)快、效率高，達(dá)到較佳控制效果。

5 諧波分析

由于MontorⅡ直流驅(qū)動(dòng)器采用六脈沖觸發(fā)輸出可控硅，配置十二脈沖（串聯(lián)）操作方式，經(jīng)理論分析由控制裝置產(chǎn)生的諧波主要有5次、7、11次電流諧波，整流變壓器采用星—三角形接法，所以3的倍數(shù)次諧波傅立葉級(jí)數(shù)系數(shù)為零，沒(méi)有3的倍數(shù)次諧波干擾。從測(cè)量結(jié)果來(lái)看，高次諧波影響較小，可忽略不計(jì)。

6 4m3 電鏟參數(shù)分析

整流變壓器短路容量為48.5 MVA，母線電壓為6 kV，電機(jī)容量為280 kW，功率因數(shù)為0.92，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)換算后，電網(wǎng)允許的諧波電流如下：

5次：34 A×48.5/100=16.5 A

7次：24 A×48.5/100=11.6 A

11次：16 A×48.5/100=7.76 A

整流變壓器(6 kV/0.4 kV)電流變比為15，低壓側(cè)平均電流測(cè)量值經(jīng)折算到高壓側(cè)后結(jié)果如下：

5次：114 A/15=7.6 A

7次：28 A/15=1.86 A

11次：26 A/15=1.73 A

結(jié)果對(duì)比：

5次：16.5 A/7.6 A=2.17臺(tái)

7次：11.6 A/1.86 A=6.23臺(tái)

11次：7.76 A/1.73 A=4.49臺(tái)

綜上分析計(jì)算，控制裝置產(chǎn)生的諧波主要以5次諧波電流影響最大。經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的統(tǒng)籌考慮、增大網(wǎng)絡(luò)容量、合理布局，通過(guò)就地補(bǔ)償、濾波，既能提高用電設(shè)備的供電回路的功率因數(shù)，又能改善用電設(shè)備的電壓質(zhì)量，其功率因數(shù)可以達(dá)到0.95以上。

7 效益評(píng)估

7.1 節(jié)省能源

使用該調(diào)速系統(tǒng)后，效率從直流發(fā)電機(jī)組的60%提高到80%。按照4 m3電鏟機(jī)組原動(dòng)機(jī)250 kW和臺(tái)年平均作業(yè)率70%來(lái)計(jì)算，臺(tái)年節(jié)省電能為：

365×24×70%×250×（80%－60%）

＝306600 kW·h按工業(yè)用電單價(jià)0.7元/kW·h計(jì)算，臺(tái)年的節(jié)電費(fèi)可達(dá)：

306600×0.7＝214620.00元＝21.462萬(wàn)元

由于直流發(fā)電機(jī)組在等車時(shí)也不可以停機(jī)，一直在運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗大量電能，而直流調(diào)速系統(tǒng)就不同，在等車的過(guò)程中直流驅(qū)動(dòng)器是不工作的，不消耗電能。據(jù)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)測(cè)算，每挖裝1 t礦石，使用直流發(fā)電機(jī)組的耗電量為0.34 kW·h，使用直流調(diào)速系統(tǒng)的耗電量是0.276 kW·h。

7.2 提高電鏟的作業(yè)率，增加產(chǎn)量

全數(shù)字直流調(diào)速器為靜止裝置，不存在旋轉(zhuǎn)機(jī)械磨損，故障率比機(jī)組少得多。同時(shí)，它的零部件體積遠(yuǎn)比機(jī)組的小，檢修、更換都很方便快捷，大大縮短了檢修和處理故障的時(shí)間，也不需要大型吊裝設(shè)備。因此，使電鏟的作業(yè)率得到明顯的提高。我礦實(shí)行三班制作業(yè)，使用直流發(fā)電機(jī)組的4 m3電鏟，平均實(shí)動(dòng)率約為40%～45%；使用直流驅(qū)動(dòng)器調(diào)速的4 m3電鏟，作業(yè)率可達(dá)60%以上。按此估算，單臺(tái)鏟運(yùn)行效率可提高約15%，年產(chǎn)量增產(chǎn)約10萬(wàn)m3。

7.3 減少維修和庫(kù)存?zhèn)浼M(fèi)用

（1）機(jī)組需要經(jīng)常檢修保養(yǎng)，拆卸吊裝工作量大且影響生產(chǎn)，而該系統(tǒng)不需要外圍反饋線路，簡(jiǎn)化了原理線路方案，柜內(nèi)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，電氣故障少，其零部件、電氣元器件模塊的體積小、重量輕、更換快且方便，維修費(fèi)用低。

（2）就庫(kù)存?zhèn)浼?，使用機(jī)組時(shí)，必須備有高壓異步電動(dòng)機(jī)和各種直流發(fā)電機(jī)，占庫(kù)地面積大、費(fèi)用高。而使用本直流驅(qū)動(dòng)器僅庫(kù)存一些功率模塊、控制板、輔助元器件等即可。占庫(kù)地面積小、費(fèi)用低。

綜上所述，4 m3電鏟全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的科技含量高，運(yùn)行安全可靠，性能穩(wěn)定，有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣取代發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)。

App lication of Full Digital DC Speed Control Technology in the 4m3Excavator

Fu Benquan
（TongshankouCopperMineofDayeNonferrousMetalsCo.,Ltd.,Huangshi,Hubei435122,China）

The general features of the electric drive system of 4 m3excavator are outlined and the characteristics of DC generating units and digital thyristor DC drive speed regulation system are introduced,respectively.The digital DC speed regulating system was successfully applied in the 4 m3excavator and the social and economic benefits of the application are briefly analyzed.

excavator;DC generator;full-digital DC speed adjusting;PLC programmable controller

TM33

B

1006-6764(2014)12-0015-02

2014－09－25

付本全（1984－），男，大學(xué)本科學(xué)歷，電氣助理工程師，現(xiàn)從事電氣技術(shù)及管理工作。