全数字直流调速技术在4 m3电铲上的应用

付本全

（大冶有色金属有限公司铜山口铜矿，湖北黄石435122）

全数字直流调速技术在4 m3电铲上的应用

付本全

（大冶有色金属有限公司铜山口铜矿，湖北黄石435122）

概述了4 m3电铲电气传动系统的概况。介绍了直流发电机机组和数字式晶闸管直流调速电气传动系统的各自特点，并通过数字式直流调速系统在4 m3电铲上的成功应用，进行了简单的社会经济效益分析。

电铲；直流发电机机组；全数字直流调速；PLC可编程控制器

1 前言

电铲是露天采矿和水利电力工程的主要挖掘、装载设备。它的提升、推压、回转和行走机构的电气传动系统，多年来一直延用直流发电机机组，从三绕组、磁放器励磁、磁性触发器晶闸管励磁到电子调节触发器晶闸管励磁，在技术和性能上都有较大的进步和改善。但是，仍然克服不了这种笨重庞大的电气传动方式自身的缺陷和弊病。由于直流发电机组是旋转设备，存在机械损耗，还存在整流换向器、碳刷与整流子的旋转接触，导致易损和故障率高。振动和噪音很大，效率低，维修困难，维修周期长，费用高，“挖土机特性”的饱满率也较差。

我矿过去所购置的电铲，都是采用直流发电机机组的电气传动方式。近年来，利用电铲大修的机会，采用全数字直流调速电控设备，实施了数字式直流驱动器的直流电气传动系统改造。甩掉了发电机组，由全数字式直流驱动器为直流电动机供电和调速，提高了电铲总体的性能及可靠性。设备现已运行半年多，运行状态良好，现就全数字直流调速技术在4 m3电铲的应用做如下探讨。

2 4m3电铲全数字直流调速电控设备介绍

4m3电铲全数字直流调速电控设备包括高压柜、主变压器柜、辅变压器柜、提升调速柜、推压调速柜、回转/行走调速柜、交直流控制柜、左操作台、右操作台、左主令控制器、右主令控制器、电阻箱、集电环和设备连接管线等。其中，提升、推压、回转/行走驱动器与各自的直流电动机相配合，实现直流可逆（四象限运行）调速的电气传动系统，本系统以3台MontorⅡ直流驱动器，分别控制提升、推压、回转/行走直流电动机，控制系统采用三菱FX系列可编程控制器为核心，再加上其他部分元器件所组成。图1为4 m3电铲全数字直流调速系统框图。

3 技术指标和参数

（1）提升电机截止电流850 A、堵转1150 A、最大电流1500 A。

（2）推压电机截止480 A、堵转680 A、最大电流825 A。

（3）回转/行走截止480 A、堵转700 A、最大电流825 A。堵转时间根据甲方要求调节。

（4）开斗电机为速度限幅的恒力矩控制模式，拉紧钢丝绳力矩为6 A，开斗力矩为50 A、最大电流150 A，开斗时速度小于限幅值，斗绳断裂，速度限幅使空负载的电机不会飞车，而以限幅速度运行。

（5）三机构电机能迅速实现正、反向运行，能平滑地调速，保持较硬的机械特性，以便获得较大的起、制动力矩，缩短过渡过程，提高生产率，升速及减速快慢即斜率根据甲方要求现场调节，及在生产过程中，能借助于变动负荷来调节电机的工作，实现自动控制。

（6）三机构能根据挖掘机生产工艺自如平稳运行于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限。

（7）提升电机电枢电压从0到460 V平滑均匀可调、转速从0到740 r/min可调，推压电机电枢电压从0到440 V可调，速度从0到1150可调。回转电机两台串联，电枢电压从0到440 V可调，转速从0到1150 r/min可调。行走电机电枢电压从0到220 V，转速从0到740转可调。

（8）提升电机主控器励磁电流最大20 A，额定励磁电流9.45 A，推压、回转电机主控器励磁电流最大10 A，额定调整值3.32 A。开斗电机励磁电压220 V，励磁电流0.48 A，励磁全部采用它激方式。

（9）工作参数整定，要求根据实际情况，能满足挖掘机工作性能要求，保证挖掘机高效率工作。

图1 4 m3电铲全数字直流调速系统框图

4 使用情况分析

通过近两年的实际使用与传统的直流发电机组调速系统比较，具有以下特点：

（1）技术先进，具有当代国际先进水平。

（2）比发电机机组调速系统的噪声低，损耗小。“挖土机特性”优于机组传动，有较理想的使用效果。

（3）保护功能齐全，安全可靠、检修方便。操作人员容易及时地掌握各种信息和处理问题。

（4）应用人机界面显示、操作。软件编程、参数设置、电铲运行工作状态、故障等显示更加人性化。

（5）调速精度高、响应快、效率高，达到较佳控制效果。

5 谐波分析

由于MontorⅡ直流驱动器采用六脉冲触发输出可控硅，配置十二脉冲（串联）操作方式，经理论分析由控制装置产生的谐波主要有5次、7、11次电流谐波，整流变压器采用星—三角形接法，所以3的倍数次谐波傅立叶级数系数为零，没有3的倍数次谐波干扰。从测量结果来看，高次谐波影响较小，可忽略不计。

6 4m3 电铲参数分析

整流变压器短路容量为48.5 MVA，母线电压为6 kV，电机容量为280 kW，功率因数为0.92，参照国家标准换算后，电网允许的谐波电流如下：

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

整流变压器(6 kV/0.4 kV)电流变比为15，低压侧平均电流测量值经折算到高压侧后结果如下：

5次：114 A/15=7.6 A

7次：28 A/15=1.86 A

11次：26 A/15=1.73 A

结果对比：

5次：16.5 A/7.6 A=2.17台

7次：11.6 A/1.86 A=6.23台

11次：7.76 A/1.73 A=4.49台

综上分析计算，控制装置产生的谐波主要以5次谐波电流影响最大。经对现场的统筹考虑、增大网络容量、合理布局，通过就地补偿、滤波，既能提高用电设备的供电回路的功率因数，又能改善用电设备的电压质量，其功率因数可以达到0.95以上。

7 效益评估

7.1 节省能源

使用该调速系统后，效率从直流发电机组的60%提高到80%。按照4 m3电铲机组原动机250 kW和台年平均作业率70%来计算，台年节省电能为：

365×24×70%×250×（80%－60%）

＝306600 kW·h按工业用电单价0.7元/kW·h计算，台年的节电费可达：

306600×0.7＝214620.00元＝21.462万元

由于直流发电机组在等车时也不可以停机，一直在运转，消耗大量电能，而直流调速系统就不同，在等车的过程中直流驱动器是不工作的，不消耗电能。据相关的统计测算，每挖装1 t矿石，使用直流发电机组的耗电量为0.34 kW·h，使用直流调速系统的耗电量是0.276 kW·h。

7.2 提高电铲的作业率，增加产量

全数字直流调速器为静止装置，不存在旋转机械磨损，故障率比机组少得多。同时，它的零部件体积远比机组的小，检修、更换都很方便快捷，大大缩短了检修和处理故障的时间，也不需要大型吊装设备。因此，使电铲的作业率得到明显的提高。我矿实行三班制作业，使用直流发电机组的4 m3电铲，平均实动率约为40%～45%；使用直流驱动器调速的4 m3电铲，作业率可达60%以上。按此估算，单台铲运行效率可提高约15%，年产量增产约10万m3。

7.3 减少维修和库存备件费用

（1）机组需要经常检修保养，拆卸吊装工作量大且影响生产，而该系统不需要外围反馈线路，简化了原理线路方案，柜内结构精简，电气故障少，其零部件、电气元器件模块的体积小、重量轻、更换快且方便，维修费用低。

（2）就库存备件而言，使用机组时，必须备有高压异步电动机和各种直流发电机，占库地面积大、费用高。而使用本直流驱动器仅库存一些功率模块、控制板、辅助元器件等即可。占库地面积小、费用低。

综上所述，4 m3电铲全数字直流调速系统的科技含量高，运行安全可靠，性能稳定，有一定的社会经济效益，值得推广取代发电机组系统。

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，大学本科学历，电气助理工程师，现从事电气技术及管理工作。