WK-35電鏟變頻調(diào)速單相參數(shù)穩(wěn)壓器的改進(jìn)

劉文濤，毛保建

（1. 江西銅業(yè)集團(tuán)公司 德興銅礦，江西 德興 334224；2. 太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

1 引言

德興銅礦屬特大型露天礦山，目前開采銅廠和富家塢2座礦區(qū)［1］。不僅生產(chǎn)規(guī)模大，而且擁有現(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備。多年來，我礦工程技術(shù)人員和操作人員在生產(chǎn)實(shí)踐中，不斷引進(jìn)消化、吸收設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，鍛煉了隊(duì)友，積累了不少寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在經(jīng)驗(yàn)中不斷的創(chuàng)新和改造，讓設(shè)備更好的為生產(chǎn)服務(wù)［2］。其中尤其是電鏟，作為生產(chǎn)的中心，必須保證設(shè)備的可開動(dòng)率。目前我礦的生產(chǎn)計(jì)劃是13萬t/d生產(chǎn)規(guī)模的目標(biāo)，如何確保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)穩(wěn)定，關(guān)鍵是要建設(shè)一支能駕馭現(xiàn)代化生產(chǎn)設(shè)備的高素質(zhì)職工隊(duì)伍，能夠確保設(shè)備的完好率，從而為13萬t/d生產(chǎn)任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)［3］。

2 電鏟系統(tǒng)簡介

2.1 世界電鏟的發(fā)展

國外大型挖掘機(jī)生產(chǎn)商有美國P&H公司、B-E公司和俄羅斯重型機(jī)械聯(lián)合公司。其中，技術(shù)先進(jìn)、國際競爭力強(qiáng)的主要是美國P&H公司、B-E公司。最大的挖掘機(jī)由馬力昂（由B-E兼并）公司生產(chǎn)斗容138m3，B-E公司生產(chǎn)的495B斗容61m3。P&H公司 4100XPC：鏟斗容量：58.5m3。P&H公司主要生產(chǎn)大型礦用挖掘機(jī)在國際上的市場占有率居世界第一位，產(chǎn)品的技術(shù)水平代表了當(dāng)代國際先進(jìn)水平。其產(chǎn)品采用齒輪齒條式推壓方式，設(shè)備的挖掘力大，滿斗系數(shù)大，挖掘穩(wěn)定性好，適用性強(qiáng)，工作效率高，設(shè)備可靠性高，易于維護(hù)和保養(yǎng)，易損件使用壽命長。相對于機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的先進(jìn)性，其電氣及控制系統(tǒng)由于多年來一直采用可控硅供電和直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，相比現(xiàn)在的交流變頻電機(jī)及其控制系統(tǒng)來說是較為落后。

B-E公司也是世界上著名的生產(chǎn)礦用機(jī)械設(shè)備的主要企業(yè)，其產(chǎn)品采用鋼絲繩推壓方式，斗桿采用圓形截面的高強(qiáng)度免扭結(jié)構(gòu)，新近開發(fā)的產(chǎn)品電氣系統(tǒng)采用了先進(jìn)的交流變頻及其控制系統(tǒng)，對設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)件和傳動(dòng)件的保護(hù)好，提高了主要結(jié)構(gòu)件、傳動(dòng)件和基礎(chǔ)件的使用壽命，整機(jī)使用壽命長，維護(hù)方便，故障率低，設(shè)備出動(dòng)率高，運(yùn)行成本低。

2.2 國內(nèi)電鏟的發(fā)展

國內(nèi)生產(chǎn)正鏟式礦用挖掘機(jī)的企業(yè)主要有太重、一重、衡陽衡冶重型機(jī)械有限公司、撫順挖掘機(jī)制造有限公司、四川邦立重機(jī)有限責(zé)任公司等企業(yè)，但除太重能夠自主開發(fā)大型礦用挖掘機(jī)外，其他企業(yè)主要是與國外的P&H公司、B-E公司合作制造或只生產(chǎn)小型礦用挖掘機(jī)，目前不具備自主開發(fā)能力。

長期以來，上個(gè)世紀(jì)我國露天礦所需的斗容20～50m3大型礦用挖掘機(jī)全部為進(jìn)口或與外國公司合作制造。1983年，太重引進(jìn)了美國P&H公司的大型挖掘機(jī)成套制造技術(shù)，但核心技術(shù)―可控硅整流柜未被轉(zhuǎn)讓。太重與P&H公司合作制造16.8m3挖掘機(jī)，隨著合作臺數(shù)的增加，國產(chǎn)化率從34%提高到80%以上。1998年，太重繼續(xù)與P&H公司合作，生產(chǎn)35.2m3挖掘機(jī)鏟斗、斗桿及起重臂等關(guān)鍵裝置。

通過20多年引進(jìn)消化吸收和合作制造，太重完全掌握了P&H的成套設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了再創(chuàng)新，特別是針對P&H沒有轉(zhuǎn)讓的核心技術(shù)―電氣控制部分，進(jìn)行了自主開發(fā)，成功地研制了世界上最先進(jìn)的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。2005年，太重自主開發(fā)出我國第一臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的20m3礦用挖掘機(jī)，經(jīng)過準(zhǔn)格爾黑岱溝露天礦近一年的運(yùn)行，2006年3月正式投入使用，并且性能卓越，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，生產(chǎn)能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力。

雖然電氣設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了防振問題，但是由于周邊或自身工作時(shí)的振動(dòng)，容易引起電氣設(shè)備的緊固螺絲松動(dòng)，接插件等的松動(dòng)，插件板的松動(dòng)等，進(jìn)而會引起電氣接觸不良、斷線、脫落、開焊、錯(cuò)位、使動(dòng)作失常和控制失靈。因此，對于振動(dòng)大，或者振動(dòng)對設(shè)備運(yùn)行造成威脅的場合必須采取防震、隔振的措施。

3 WK-35大型礦用挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)簡介

目前運(yùn)行于正鏟式礦用電動(dòng)挖掘機(jī)上的電氣調(diào)速系統(tǒng)主要有兩種形式:

（1）可控硅直流調(diào)壓裝置+直流電動(dòng)機(jī)=可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)（P&H2300XP、 P&H2300XPC）；

（2）變頻調(diào)速裝置+交流變頻電動(dòng)機(jī)=交流變頻調(diào)速系統(tǒng)（WK-35等代表）。

變頻調(diào)速其優(yōu)越的調(diào)速性能和交流電動(dòng)機(jī)的高可靠性注定了它將逐步取代直流調(diào)速系統(tǒng)成為電氣調(diào)速的主力軍。礦用挖掘機(jī)采用變頻調(diào)速系統(tǒng)也將是技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果；現(xiàn)在主要給大家介紹WK-35電鏟的四大系統(tǒng)，分別為：推壓、提升、行走、回轉(zhuǎn)四大系統(tǒng)。

3.1 變頻調(diào)速及自動(dòng)化系統(tǒng)

WK-35電鏟AFE整流單元總圖，如圖1。

圖1 AFE整流回饋單元、公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)簡圖

系統(tǒng)組成簡介：

進(jìn)線電源：6kVAC 3相 50Hz高、低壓集電環(huán)；

主變壓器：6kV/660V ±5%；

特點(diǎn)：干式環(huán)氧樹脂澆注、副邊繞組為銅箔，具有溫度保護(hù)。

3.2 提升驅(qū)動(dòng)控制特性

2臺700kW提升電動(dòng)機(jī)由2臺1000kW逆變器驅(qū)動(dòng)，由于2臺提升電機(jī)間存在機(jī)械耦合，所以2臺逆變器之間采用轉(zhuǎn)矩主從控制方式，其中主裝置（MASTER）為速度控制，從裝置（SLAVE）為轉(zhuǎn)矩控制，這樣提升機(jī)構(gòu)既實(shí)現(xiàn)速度控制，又保證2臺電機(jī)間的出力均衡。電動(dòng)機(jī)控制特性曲線如圖2所示，從交直流控制特性曲線的包絡(luò)面積可知，變頻調(diào)速較直流調(diào)速具有更高的作業(yè)效率。

圖2 提升電動(dòng)機(jī)控制特性曲線

3.3 推壓驅(qū)動(dòng)線路

315kW推壓電動(dòng)機(jī)由500kW逆變器驅(qū)動(dòng)，根據(jù)推壓機(jī)構(gòu)負(fù)載特點(diǎn)，在90%的額定速度范圍內(nèi)均可提供最大的推壓力，電動(dòng)機(jī)控制特性曲線如圖3所示。

圖3 推壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制特性曲線

3.4 回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)控制特性

2臺200kW回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)由1臺800kW逆變器驅(qū)動(dòng)，由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)屬于大慣量旋轉(zhuǎn)負(fù)載特性，為減少機(jī)械沖擊，機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，故逆變器采用轉(zhuǎn)矩控制方式。電動(dòng)機(jī)控制特性曲線如圖4所示。

圖4 回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制方式下的控制特性曲線

3.5 行走驅(qū)動(dòng)控制特性

2臺400kW行走電動(dòng)機(jī)分別由提升1#逆變器和提升2#逆變器驅(qū)動(dòng)，線路設(shè)有切換接觸器，逆變器控制將采用2套數(shù)據(jù)組切換方式，實(shí)現(xiàn)對提升1#/行走和推壓/行走電動(dòng)機(jī)的分別控制。電動(dòng)機(jī)控制曲線如圖5所示。

圖5 行走驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制特性曲線

4 WK-35電鏟單相參數(shù)穩(wěn)壓器的改進(jìn)

4.1 WK-35電鏟單相穩(wěn)壓器現(xiàn)狀

WK-35電鏟電氣采用國內(nèi)先進(jìn)的變頻調(diào)速系統(tǒng)。其控制回路選取德國西門子公司的AFE控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)對電源穩(wěn)定要求非常高，因此我們采用的是國產(chǎn)軍工整體式單相參數(shù)穩(wěn)壓器［4］。穩(wěn)壓器的工作原理是將外部380V交流通過變壓，穩(wěn)壓、濾波，從而輸出穩(wěn)定的220V交流電至變頻調(diào)速系統(tǒng)（AFE）。穩(wěn)壓器的變壓元件和L-C電容元件串聯(lián)，安裝在整體式穩(wěn)壓器柜內(nèi)［5］。當(dāng)變壓元件或電容元件出現(xiàn)故障時(shí)，維修難度大且時(shí)間長。整體式穩(wěn)壓器柜在電鏟作業(yè)的震動(dòng)下，常造成穩(wěn)壓器部件松動(dòng)和接觸不良、觸點(diǎn)氧化，導(dǎo)致輸出電壓極不穩(wěn)定，影響變頻調(diào)速器參數(shù)的穩(wěn)定性。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)壓器電容量設(shè)計(jì)偏小，南方野外高溫環(huán)境下，易出現(xiàn)穩(wěn)壓器的電壓濾波（電容）元件膨脹、漏液，腐蝕變壓元件［6］。

2015年變頻調(diào)速單相參數(shù)穩(wěn)壓器故障停機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，全年故障停機(jī)時(shí)間87h；因穩(wěn)壓器和電容損壞更換，造成經(jīng)濟(jì)損失達(dá)37.2萬元。見表1、表2。

表1 2015年變頻單相穩(wěn)壓器的故障情況統(tǒng)計(jì)表

表2 2015年變頻單相穩(wěn)壓器損壞備件統(tǒng)計(jì)表

4.2 研究方案

針對主要原因，研究制定方案如表3。

表3 措施表

4.3 研究措施

在2013年3月設(shè)備保養(yǎng)期間，小組對WK-35電鏟穩(wěn)壓器柜改進(jìn)如下。

方案一：改整體式穩(wěn)壓器柜為分體式穩(wěn)壓器柜。

（1）將穩(wěn)壓濾波電容從穩(wěn)壓器柜中分離；

（2）移出穩(wěn)壓器柜內(nèi)濾波電容，同時(shí)改裝線路。

方案二：增大電容容量。

（1）重新計(jì)算電容量。

首先根據(jù)AFE變頻調(diào)速總的控制電源容量，檢測并確定單相參數(shù)穩(wěn)壓器的所需輸出總電容容量C總。再根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和所需電容量安全系數(shù)K，計(jì)算出最終總電容量C終。

C1=30(μF)，UL=262(V)，UO1=206(V)，UO2=220(V)

30/C2 = (262-220)/（262-206）

C 終 = 40(μF)

（2）設(shè)計(jì)及制作大容量電容箱（圖6）。

圖6 調(diào)壓元件電路

將4個(gè)容量為20μF的電容兩兩并聯(lián)，形成新的電容箱，如圖7。

圖7 原電容、新電容、組裝的電容箱

4.4 實(shí)施方案

制作安裝電容箱：（1）電容箱組裝；（2）電容箱安裝。

在穩(wěn)壓器柜上方電鏟的墻板上焊接電容箱支架；將電容箱固定在支架上，再將電容箱的出線與穩(wěn)壓器的接線端連接。穩(wěn)壓器柜改進(jìn)前后對比如圖8。

圖8 整體式穩(wěn)壓器柜、分體式穩(wěn)壓器柜

4.5 取得效果

活動(dòng)至今，電鏟未出現(xiàn)穩(wěn)壓器故障， 故障時(shí)間由原來的87h/a減少為0h/a（圖9）；取得了很好的效果，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)目的。

圖9 活動(dòng)前后對比

5 結(jié)束語

礦山工程技術(shù)人員與太原技術(shù)中心經(jīng)過幾年對電鏟系統(tǒng)穩(wěn)壓技術(shù)的創(chuàng)新，完成單相穩(wěn)壓器的改進(jìn)，活動(dòng)至今，電鏟未出現(xiàn)穩(wěn)壓器故障。 實(shí)現(xiàn)了單相穩(wěn)壓器的改造。達(dá)到了電鏟變頻器的電壓要求，確保電壓的穩(wěn)定，提高了電鏟的可開率。2016年2臺WK-35電鏟完成4152萬t，實(shí)現(xiàn)了礦山13萬t/d的產(chǎn)能目標(biāo)，全面實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。凸顯了電鏟系統(tǒng)具有可進(jìn)行連續(xù)工作，勞動(dòng)定員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、排土效益高等優(yōu)點(diǎn)，為礦山降低采礦成本和提高生產(chǎn)效率奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。