某选厂重型卸料小车电机控制系统改造

张红庆

(北京首矿工程技术有限公司)

某选厂重型卸料小车电机控制系统改造

张红庆

(北京首矿工程技术有限公司)

某选矿厂磨选作业给矿重型卸料小车具有重载起车运行负载转距较大的负载特性，加之较短的运转周期，在生产运行过程中连续出现小车驱动链条损坏、减速机电机轴侧滚键等故障，影响设备使用寿命和生产的正常进行。对造成故障的原因进行分析，选择外壳防护等级为IP54封闭型Y系列驱动电机，并对电机安全运行时的电流判定进行研究。在此基础上，对电机控制系统提出了3种解决方案。其中系统增加软启动器不适用于重型卸料小车重载频繁起车操作，增加自动定位系统则存在投资大、维修难的问题。系统增加变频器，可实现小车重载频繁起车对电机的要求，总体经济性较好。考虑到变频器高振谐波及其与电缆的距离的影响，采用高一级变频和容量变频器，并设计为变频控制柜。应用实践结果表明，重型卸料小车电机控制系统增加变频器后，能从根本上解决设备安全运行隐患，大幅度降低停车故障率，对于保证产能、提高厂矿经济效益具有重要作用。该选厂重型卸料小车电机控制系统采用变频装置参与设备起停控制的改造经验，可为其他矿山类似卸料小车控制系统的优化改造提供借鉴。

等效发热电流 软起动器 变频器 小车自动定位系统

随着钢铁冶金行业的大规模发展，大型矿山企业也越来越多。选矿厂磨选主厂房生产流程由单系列增至多系列，入磨前料仓由分矿漏斗直接卸料逐渐改为多料仓采用重型卸料小车卸料，以满足产能扩大的需求。某选厂磨选厂房设计两个系列同时生产，入磨前的储料仓共计8个，用来储存中细碎和筛分车间的成品矿石，料仓采用重型卸料小车布料，电机由生产厂家成套供应。重型卸料小车卸料到一定仓位后，需要人工现场操作换仓，顺序对另一指定仓进行下料。在小车下料溜槽对准料仓下料点的过程中，需要小车频繁起动走行电机。重型卸料小车工频全电压重载起车时，起动转距较大，造成起动不平稳，起动及加速冲击很大。在频繁起动过程中经常出现行走小车驱动链条损坏、减速机电机轴侧滚键、电机地脚螺丝松等故障，存在电机温度升高的故障隐患，严重影响设备寿命，产生了较高设备维护费用，并影响产品产量、质量[1]。

1 故障分析

1.1 驱动电机的选择与安全运行的判定

1.1.1 驱动电机的选择

在电力拖动系统中，电动机的选择需要满足对工作环境、工作制度、起动与制动、减速或调速及功率等要求，包括选择电动机的类型、运行方式、额定转速及额定功率以及合理的起动方式等。因电机功率过小，会使其长期过载状态运行，反之会使效率及功率因数等指标变差，浪费电能[2]。

重型卸料小车输送的原料为中碎系统的铁矿石产品，其中掺杂着导电性较强的小颗粒铁粉。同时，磨选车间磁选、浮选生产环境多尘且潮湿，因此对电机的外壳防护等级要求较高。最终选定重型卸料小车现场配套的电机为外壳防护等级为IP54封闭型Y系列电机，电动机功率为37 kW，额定电流约为69.8 A。Y系列电动机是按长时连续负载设计的，即S1类型的负载，电动机起动电流为额定电流的5～7倍。

1.1.2 电机安全运行的判定

通过对电动机等效发热电流计算判断该电动机能否安全运行。

重型卸料小车通过运行调整下料点，该过程的运行周期与操作人员的技术水平有很大关系，不是确定的。对于一个周期来说，仓间转换过程时间相对较长，对仓过程时间非常短，基本上是点动操作。对发热起决定作用的是电动机的起动电流和周期运行时间，周期运行时间越短电动机发热电流越大。

理论上不考虑对仓时间，仓间转换一次到位，工频全电压重载起小车时，电动机起动时间为4.2 s，等速运行时间为8.7 s，制动时间为0.15 s。假定电动机等速运行为轻载运行输出功率较小，为额定功率40%。电动机在起动过程中，起动电流由6倍额定电流开始逐渐减少，直到全速运行时的负载电流。

小车起动过程中等效发热电流计算：

(1)

式中，Iq为小车启动过程中等效发热电流，A; Ie为电动机额定电流，A；Kq为电动机起动电流倍数，一般取5～7,重型小车重载起动电流倍数取6；If为电动机全速运行时负载电流，A，因其功率因数减少，负载电流将增大，一般取电动机额定电流的1.2～1.6倍，计算取1.2。

将电动机的数据代入式(1)，

Iq=252.02 A=3.61 Ie

在一个周期的运行时间里，电动机的等效发热电流：

(2)

式中,IDX为一个周期的运行时间里，电动机的等效发热电流,A;Ie为电动机额定电流，取69.8 A；Tq为电动机起动时间，取4.2 s；Tr为电动机等速运行时间，取8.7 s；TZ为电动机制动时间，取0.15 s；α为考虑电动机起动、制动时散热条件恶化而取用的系数，取0.75。

将这些数据代入公式(2)：

IDX=146.06 A .

说明该值大于电动机额定电流。因此，在采用工频全电压起动的情况下，配套的Y系列电动机不能满足安全运转需求。

1.2 控制系统分析

重型卸料小车采用全压直起方式控制。由于重载起车时负载转距很大，电动机起动转距可能不足，从而拖长起动时间，造成电动机绕组发热，降低机械强度和绝缘性能，大大缩短寿命。因此，采用直起控制不合理。通过故障分析，提出了3种解决方案：①改造控制系统，增加软起动器参与小车起停控制；②增加变频器参与小车起停控制；③新增加重型小车自动定位系统参与小车控制，保证溜槽对准仓位一次到位，杜绝频繁对仓操作。对这3个方案的可行性进行分析，以确定合适的方案。

1.2.1 采用软起动器的控制系统分析

小车行走电机控制系统加入软起动器参与控制电机起动、停止操作，软起动器的起动电流一般为2～3倍的额定电流。

(1)等效发热电流分析。按照“电机安全运行的判定”分析，将起动电流调整为额定电流的2.5倍，其余参数不变，计算出等效发热电流为69.24 A，小于电动机额定电流，满足电动机安全运行需求。

(2)软起动器特性分析。软起动器通过改变输出电压，以加大电动机运行曲线陡度。起动过程中电动机输入电压逐渐上升，直至起动结束。该过程中起动转距、转速也逐渐增加，可实现平稳起动，减少对负载机械的转距冲击。但由于电动机的输出转距正比于电动机端电压的平方，因此采用软起动器降压起动会大大降低电动机的起动转距，从而使其不适用于重载起动。

(3)软起动器控制回路分析。软起动器起动电机之后，改为旁路运行，其过流、过热等保护功能仍参与控制，能够实现软起、软停功能。

综上所述，控制系统加入软起动器虽然能够满足电机安全运行需求，实现电机软起、软停操作，但不适用于重型卸料小车重载频繁起车操作。

1.2.2 采用变频器的控制系统分析

小车行走电机控制系统加入变频器，其起动电流一般不超1.5倍的额定电流。

(1)等效发热电流分析。按照“电机安全运行的判定”分析，将起动电流调整为为额定电流的1.5倍，其余参数不变，计算出等效发热电流为49.37 A，小于电动机额定电流，同样满足电动机安全运行需求。

(2)变频器特性分析。变频器通过改变输出电压与频率，使电动机运行曲线平行下移，低频低速起动电动机，拉长起动时间，电流趋于平缓，能够实现电动机以较小的起动电流保证较大的起动转距，降低电动机起动时的冲击载荷，适用于重载起动。

(3)变频器控制回路分析。变频器控制系统参与电动机起动、运行以及停止整个过程，本身的诸多保护功能也能应用于电动机，例如过热保护等功能。停机时，变频器在电动机起动后，仍然参与其控制，因而能实现软停功能。

综上所述，控制系统加入变频器参与控制电机起动、停止操作在重型卸料小车重载频繁起车操作中是可行的。

1.2.3 自动定位系统分析

重型小车定位系统是一种采用自动化控制手段，在每个料仓下料点采用红外线定位的方式实现溜槽精准对准料仓下料点，减少对仓起车频繁操作，自动化控制程度高，在主控室通过对各仓仓位监测实现对小车运行情况的自动化操作，实现无人看管。虽然能避免频繁对仓操作，但并不能解决重载起车时较大的瞬间冲击力问题。因此，需要增加变频装置参与小车起车控制。另外，整套自动定位控制系统投资大，出现故障后对维护人员的技术水平要求高，限制了其在很多私营选厂的应用。

2 改造方案

通过分析，改造控制系统通过增加变频器来参与小车起停控制的方案，原机械传动部分不需变动。

2.1 变频器选用原则

(1)变频器的选择应该以实际电流值作为选择依据，电机的额定功率只能作为参考值。

(2)应充分考虑变频器的输出中丰富的高次谐波对电动机的功率因数、效率及线路电流的影响。

(3)考虑变频器与电动机之间的距离。长电缆运行时，会产生对地耦合电容电流，影响变频器的输出效率。

2.2 变频器选型

选用的变频器特点：当过载前负载电流小于变频器额定电流时，才允许在运行时有1.36倍额定电流的过载能力，基本负载电流须小于额定电流的91%。基于此基本负载电流，可以使变频器在60 s内有1.5倍正常负载的过载能力。考虑到变频器过载能力及高次谐波电流的影响，变频器选用高一级别的变频和容量，以获得较大的起动转距，减少电机起动时间，避免电机起动时间过长造成的电机过热现象，也可直接应用于Y系列电机的控制，从而加快起动过程，提高运行的可靠性，同时控制系统也较为简单。

2.3 实施方案

(1)为减少高次谐波影响，在变频器出线加滤波电抗器，可以有效降低谐波含量。

(2)将变频器设计为变频控制柜，置于现场重型小车上，减少变频器与电缆的距离到最小，以减少其对对地耦合电容电流的影响。

(3)电动机额定功率37 kW，充分考虑变频器过载能力，选用高一级的变频器，其额定电流为100 A。

3 改造效果

变频器投入运行后，操作工严格执行控制系统的操作流程，低频起动电机，降低起动及加速冲击，使电机起动过程趋于平稳。改造完成后运行至今，运转状况良好，行走小车连续出现驱动链条损坏、减速机电机轴侧滚键、电机地脚螺丝松动等故障得到根本解决，电机温度也没有发生过高的现象。

4 结 论

(1)重型卸料小车采用直起控制方式进行重载起车，由操作工人现场手动实现仓间转换过程。在起动过程中，受负载特性及运转周期短的影响，行走小车驱动链条损坏、减速机电机轴侧滚键、电机地脚螺丝松动等故障，电机温度过高。

(2)在不改变小车机械设备的前提下，与加入软启动器或自动定位的电机控制系统相比，通过加入变频装置参与设备控制，可实现低频低速起动电动机，电流趋于平缓，同时能够保证电动机较高的起动转距，降低电动机起动时的冲击载荷，有效地解决了常见的设备故障。

(3)实践证明，在重型卸料小车电机控制系统加入变频器参与电机起停，可有效遏制机械设备故障，有效降低电动机起动时的冲击载荷，平稳起动设备，避免大功率设备起动对电网的冲击，为工业厂矿需重载起车的大型设备改造提供了一些可借鉴的经验，有利于企业实现节能降耗生产。

[1] 中国航空工业规划设计研究院. 工业与民用配电设计手册[M]. 北京：中国电力出版社，2005.

[2] 任艳君. 电机与拖动[M]. 北京：机械工业出版社，2011.

2015-11-25)

张红庆(1982—)，男，工程师，064404 河北省迁安市滨河村。