張紅慶

(北京首礦工程技術(shù)有限公司)

某選廠重型卸料小車電機(jī)控制系統(tǒng)改造

張紅慶

(北京首礦工程技術(shù)有限公司)

某選礦廠磨選作業(yè)給礦重型卸料小車具有重載起車運(yùn)行負(fù)載轉(zhuǎn)距較大的負(fù)載特性，加之較短的運(yùn)轉(zhuǎn)周期，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中連續(xù)出現(xiàn)小車驅(qū)動(dòng)鏈條損壞、減速機(jī)電機(jī)軸側(cè)滾鍵等故障，影響設(shè)備使用壽命和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。對(duì)造成故障的原因進(jìn)行分析，選擇外殼防護(hù)等級(jí)為IP54封閉型Y系列驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并對(duì)電機(jī)安全運(yùn)行時(shí)的電流判定進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)提出了3種解決方案。其中系統(tǒng)增加軟啟動(dòng)器不適用于重型卸料小車重載頻繁起車操作，增加自動(dòng)定位系統(tǒng)則存在投資大、維修難的問題。系統(tǒng)增加變頻器，可實(shí)現(xiàn)小車重載頻繁起車對(duì)電機(jī)的要求，總體經(jīng)濟(jì)性較好?？紤]到變頻器高振諧波及其與電纜的距離的影響，采用高一級(jí)變頻和容量變頻器，并設(shè)計(jì)為變頻控制柜。應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，重型卸料小車電機(jī)控制系統(tǒng)增加變頻器后，能從根本上解決設(shè)備安全運(yùn)行隱患，大幅度降低停車故障率，對(duì)于保證產(chǎn)能、提高廠礦經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。該選廠重型卸料小車電機(jī)控制系統(tǒng)采用變頻裝置參與設(shè)備起停控制的改造經(jīng)驗(yàn)，可為其他礦山類似卸料小車控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供借鑒。

等效發(fā)熱電流 軟起動(dòng)器 變頻器 小車自動(dòng)定位系統(tǒng)

隨著鋼鐵冶金行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，大型礦山企業(yè)也越來越多。選礦廠磨選主廠房生產(chǎn)流程由單系列增至多系列，入磨前料倉由分礦漏斗直接卸料逐漸改為多料倉采用重型卸料小車卸料，以滿足產(chǎn)能擴(kuò)大的需求。某選廠磨選廠房設(shè)計(jì)兩個(gè)系列同時(shí)生產(chǎn)，入磨前的儲(chǔ)料倉共計(jì)8個(gè)，用來儲(chǔ)存中細(xì)碎和篩分車間的成品礦石，料倉采用重型卸料小車布料，電機(jī)由生產(chǎn)廠家成套供應(yīng)。重型卸料小車卸料到一定倉位后，需要人工現(xiàn)場操作換倉，順序?qū)α硪恢付▊}進(jìn)行下料。在小車下料溜槽對(duì)準(zhǔn)料倉下料點(diǎn)的過程中，需要小車頻繁起動(dòng)走行電機(jī)。重型卸料小車工頻全電壓重載起車時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)距較大，造成起動(dòng)不平穩(wěn)，起動(dòng)及加速?zèng)_擊很大。在頻繁起動(dòng)過程中經(jīng)常出現(xiàn)行走小車驅(qū)動(dòng)鏈條損壞、減速機(jī)電機(jī)軸側(cè)滾鍵、電機(jī)地腳螺絲松等故障，存在電機(jī)溫度升高的故障隱患，嚴(yán)重影響設(shè)備壽命，產(chǎn)生了較高設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，并影響產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量[1]。

1 故障分析

1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與安全運(yùn)行的判定

1.1.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇

在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的選擇需要滿足對(duì)工作環(huán)境、工作制度、起動(dòng)與制動(dòng)、減速或調(diào)速及功率等要求，包括選擇電動(dòng)機(jī)的類型、運(yùn)行方式、額定轉(zhuǎn)速及額定功率以及合理的起動(dòng)方式等。因電機(jī)功率過小，會(huì)使其長期過載狀態(tài)運(yùn)行，反之會(huì)使效率及功率因數(shù)等指標(biāo)變差，浪費(fèi)電能[2]。

重型卸料小車輸送的原料為中碎系統(tǒng)的鐵礦石產(chǎn)品，其中摻雜著導(dǎo)電性較強(qiáng)的小顆粒鐵粉。同時(shí)，磨選車間磁選、浮選生產(chǎn)環(huán)境多塵且潮濕，因此對(duì)電機(jī)的外殼防護(hù)等級(jí)要求較高。最終選定重型卸料小車現(xiàn)場配套的電機(jī)為外殼防護(hù)等級(jí)為IP54封閉型Y系列電機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率為37 kW，額定電流約為69.8 A。Y系列電動(dòng)機(jī)是按長時(shí)連續(xù)負(fù)載設(shè)計(jì)的，即S1類型的負(fù)載，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流為額定電流的5～7倍。

1.1.2 電機(jī)安全運(yùn)行的判定

通過對(duì)電動(dòng)機(jī)等效發(fā)熱電流計(jì)算判斷該電動(dòng)機(jī)能否安全運(yùn)行。

重型卸料小車通過運(yùn)行調(diào)整下料點(diǎn)，該過程的運(yùn)行周期與操作人員的技術(shù)水平有很大關(guān)系，不是確定的。對(duì)于一個(gè)周期來說，倉間轉(zhuǎn)換過程時(shí)間相對(duì)較長，對(duì)倉過程時(shí)間非常短，基本上是點(diǎn)動(dòng)操作。對(duì)發(fā)熱起決定作用的是電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和周期運(yùn)行時(shí)間，周期運(yùn)行時(shí)間越短電動(dòng)機(jī)發(fā)熱電流越大。

理論上不考慮對(duì)倉時(shí)間，倉間轉(zhuǎn)換一次到位，工頻全電壓重載起小車時(shí)，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間為4.2 s，等速運(yùn)行時(shí)間為8.7 s，制動(dòng)時(shí)間為0.15 s。假定電動(dòng)機(jī)等速運(yùn)行為輕載運(yùn)行輸出功率較小，為額定功率40%。電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，起動(dòng)電流由6倍額定電流開始逐漸減少，直到全速運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電流。

小車起動(dòng)過程中等效發(fā)熱電流計(jì)算：

(1)

式中，Iq為小車啟動(dòng)過程中等效發(fā)熱電流，A; Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流，A；Kq為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流倍數(shù)，一般取5～7,重型小車重載起動(dòng)電流倍數(shù)取6；If為電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行時(shí)負(fù)載電流，A，因其功率因數(shù)減少，負(fù)載電流將增大，一般取電動(dòng)機(jī)額定電流的1.2～1.6倍，計(jì)算取1.2。

將電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)代入式(1)，

Iq=252.02 A=3.61 Ie

在一個(gè)周期的運(yùn)行時(shí)間里，電動(dòng)機(jī)的等效發(fā)熱電流：

(2)

式中,IDX為一個(gè)周期的運(yùn)行時(shí)間里，電動(dòng)機(jī)的等效發(fā)熱電流,A;Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流，取69.8 A；Tq為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間，取4.2 s；Tr為電動(dòng)機(jī)等速運(yùn)行時(shí)間，取8.7 s；TZ為電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間，取0.15 s；α為考慮電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)散熱條件惡化而取用的系數(shù)，取0.75。

將這些數(shù)據(jù)代入公式(2)：

IDX=146.06 A .

說明該值大于電動(dòng)機(jī)額定電流。因此，在采用工頻全電壓起動(dòng)的情況下，配套的Y系列電動(dòng)機(jī)不能滿足安全運(yùn)轉(zhuǎn)需求。

1.2 控制系統(tǒng)分析

重型卸料小車采用全壓直起方式控制。由于重載起車時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)距很大，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距可能不足，從而拖長起動(dòng)時(shí)間，造成電動(dòng)機(jī)繞組發(fā)熱，降低機(jī)械強(qiáng)度和絕緣性能，大大縮短壽命。因此，采用直起控制不合理。通過故障分析，提出了3種解決方案：①改造控制系統(tǒng)，增加軟起動(dòng)器參與小車起?？刂?；②增加變頻器參與小車起停控制；③新增加重型小車自動(dòng)定位系統(tǒng)參與小車控制，保證溜槽對(duì)準(zhǔn)倉位一次到位，杜絕頻繁對(duì)倉操作。對(duì)這3個(gè)方案的可行性進(jìn)行分析，以確定合適的方案。

1.2.1 采用軟起動(dòng)器的控制系統(tǒng)分析

小車行走電機(jī)控制系統(tǒng)加入軟起動(dòng)器參與控制電機(jī)起動(dòng)、停止操作，軟起動(dòng)器的起動(dòng)電流一般為2～3倍的額定電流。

(1)等效發(fā)熱電流分析。按照“電機(jī)安全運(yùn)行的判定”分析，將起動(dòng)電流調(diào)整為額定電流的2.5倍，其余參數(shù)不變，計(jì)算出等效發(fā)熱電流為69.24 A，小于電動(dòng)機(jī)額定電流，滿足電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行需求。

(2)軟起動(dòng)器特性分析。軟起動(dòng)器通過改變輸出電壓，以加大電動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線陡度。起動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)輸入電壓逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束。該過程中起動(dòng)轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)速也逐漸增加，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)，減少對(duì)負(fù)載機(jī)械的轉(zhuǎn)距沖擊。但由于電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距正比于電動(dòng)機(jī)端電壓的平方，因此采用軟起動(dòng)器降壓起動(dòng)會(huì)大大降低電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)距，從而使其不適用于重載起動(dòng)。

(3)軟起動(dòng)器控制回路分析。軟起動(dòng)器起動(dòng)電機(jī)之后，改為旁路運(yùn)行，其過流、過熱等保護(hù)功能仍參與控制，能夠?qū)崿F(xiàn)軟起、軟停功能。

綜上所述，控制系統(tǒng)加入軟起動(dòng)器雖然能夠滿足電機(jī)安全運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起、軟停操作，但不適用于重型卸料小車重載頻繁起車操作。

1.2.2 采用變頻器的控制系統(tǒng)分析

小車行走電機(jī)控制系統(tǒng)加入變頻器，其起動(dòng)電流一般不超1.5倍的額定電流。

(1)等效發(fā)熱電流分析。按照“電機(jī)安全運(yùn)行的判定”分析，將起動(dòng)電流調(diào)整為為額定電流的1.5倍，其余參數(shù)不變，計(jì)算出等效發(fā)熱電流為49.37 A，小于電動(dòng)機(jī)額定電流，同樣滿足電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行需求。

(2)變頻器特性分析。變頻器通過改變輸出電壓與頻率，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行曲線平行下移，低頻低速起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，拉長起動(dòng)時(shí)間，電流趨于平緩，能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)以較小的起動(dòng)電流保證較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)距，降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊載荷，適用于重載起動(dòng)。

(3)變頻器控制回路分析。變頻器控制系統(tǒng)參與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行以及停止整個(gè)過程，本身的諸多保護(hù)功能也能應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)，例如過熱保護(hù)等功能。停機(jī)時(shí)，變頻器在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，仍然參與其控制，因而能實(shí)現(xiàn)軟停功能。

綜上所述，控制系統(tǒng)加入變頻器參與控制電機(jī)起動(dòng)、停止操作在重型卸料小車重載頻繁起車操作中是可行的。

1.2.3 自動(dòng)定位系統(tǒng)分析

重型小車定位系統(tǒng)是一種采用自動(dòng)化控制手段，在每個(gè)料倉下料點(diǎn)采用紅外線定位的方式實(shí)現(xiàn)溜槽精準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)料倉下料點(diǎn)，減少對(duì)倉起車頻繁操作，自動(dòng)化控制程度高，在主控室通過對(duì)各倉倉位監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車運(yùn)行情況的自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)無人看管。雖然能避免頻繁對(duì)倉操作，但并不能解決重載起車時(shí)較大的瞬間沖擊力問題。因此，需要增加變頻裝置參與小車起車控制。另外，整套自動(dòng)定位控制系統(tǒng)投資大，出現(xiàn)故障后對(duì)維護(hù)人員的技術(shù)水平要求高，限制了其在很多私營選廠的應(yīng)用。

2 改造方案

通過分析，改造控制系統(tǒng)通過增加變頻器來參與小車起?？刂频姆桨?，原機(jī)械傳動(dòng)部分不需變動(dòng)。

2.1 變頻器選用原則

(1)變頻器的選擇應(yīng)該以實(shí)際電流值作為選擇依據(jù)，電機(jī)的額定功率只能作為參考值。

(2)應(yīng)充分考慮變頻器的輸出中豐富的高次諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率及線路電流的影響。

(3)考慮變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的距離。長電纜運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對(duì)地耦合電容電流，影響變頻器的輸出效率。

2.2 變頻器選型

選用的變頻器特點(diǎn)：當(dāng)過載前負(fù)載電流小于變頻器額定電流時(shí)，才允許在運(yùn)行時(shí)有1.36倍額定電流的過載能力，基本負(fù)載電流須小于額定電流的91%?；诖嘶矩?fù)載電流，可以使變頻器在60 s內(nèi)有1.5倍正常負(fù)載的過載能力?？紤]到變頻器過載能力及高次諧波電流的影響，變頻器選用高一級(jí)別的變頻和容量，以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)距，減少電機(jī)起動(dòng)時(shí)間，避免電機(jī)起動(dòng)時(shí)間過長造成的電機(jī)過熱現(xiàn)象，也可直接應(yīng)用于Y系列電機(jī)的控制，從而加快起動(dòng)過程，提高運(yùn)行的可靠性，同時(shí)控制系統(tǒng)也較為簡單。

2.3 實(shí)施方案

(1)為減少高次諧波影響，在變頻器出線加濾波電抗器，可以有效降低諧波含量。

(2)將變頻器設(shè)計(jì)為變頻控制柜，置于現(xiàn)場重型小車上，減少變頻器與電纜的距離到最小，以減少其對(duì)對(duì)地耦合電容電流的影響。

(3)電動(dòng)機(jī)額定功率37 kW，充分考慮變頻器過載能力，選用高一級(jí)的變頻器，其額定電流為100 A。

3 改造效果

變頻器投入運(yùn)行后，操作工嚴(yán)格執(zhí)行控制系統(tǒng)的操作流程，低頻起動(dòng)電機(jī)，降低起動(dòng)及加速?zèng)_擊，使電機(jī)起動(dòng)過程趨于平穩(wěn)。改造完成后運(yùn)行至今，運(yùn)轉(zhuǎn)狀況良好，行走小車連續(xù)出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鏈條損壞、減速機(jī)電機(jī)軸側(cè)滾鍵、電機(jī)地腳螺絲松動(dòng)等故障得到根本解決，電機(jī)溫度也沒有發(fā)生過高的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)重型卸料小車采用直起控制方式進(jìn)行重載起車，由操作工人現(xiàn)場手動(dòng)實(shí)現(xiàn)倉間轉(zhuǎn)換過程。在起動(dòng)過程中，受負(fù)載特性及運(yùn)轉(zhuǎn)周期短的影響，行走小車驅(qū)動(dòng)鏈條損壞、減速機(jī)電機(jī)軸側(cè)滾鍵、電機(jī)地腳螺絲松動(dòng)等故障，電機(jī)溫度過高。

(2)在不改變小車機(jī)械設(shè)備的前提下，與加入軟啟動(dòng)器或自動(dòng)定位的電機(jī)控制系統(tǒng)相比，通過加入變頻裝置參與設(shè)備控制，可實(shí)現(xiàn)低頻低速起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，電流趨于平緩，同時(shí)能夠保證電動(dòng)機(jī)較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)距，降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊載荷，有效地解決了常見的設(shè)備故障。

(3)實(shí)踐證明，在重型卸料小車電機(jī)控制系統(tǒng)加入變頻器參與電機(jī)起停，可有效遏制機(jī)械設(shè)備故障，有效降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊載荷，平穩(wěn)起動(dòng)設(shè)備，避免大功率設(shè)備起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，為工業(yè)廠礦需重載起車的大型設(shè)備改造提供了一些可借鑒的經(jīng)驗(yàn)，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗生產(chǎn)。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[2] 任艷君. 電機(jī)與拖動(dòng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

2015-11-25)

張紅慶(1982—)，男，工程師，064404 河北省遷安市濱河村。