矿山电铲电气传动的新趋势

张坤 杨利民

（内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，内蒙古包头 014080）

矿山电铲电气传动的新趋势

张坤 杨利民

（内蒙古包钢钢联股份有限公司巴润矿业分公司，内蒙古包头 014080）

随着露天采矿工作的发展，主要采矿机械—剥离和采矿作业电铲的作用日益增大，因而促进了矿山电铲制造业的迅速发展。电铲的功率在不断增大，大型索斗铲的电动机功率有的已达5000-8000kW，而电铲的总装机功率已达3000OkW。改进电铲结构的主要方向是，用增大铲斗容积和臂长以及提高工作机构的灵活性来增大单机功率和生产能力。同时，对大型电铲的控制自动化也予以重视。

矿山电铲 电气传动 新趋势

随着电铲功率的不断增大，移动式电铲的供电遇到了很大困难。这时电铲的软电缆就变得很费事和昂贵了。仅为搬动这样的电缆就得使用诸如电缆卷筒那样的新机械。对于大型电铲有必要将35kv的电力引入电铲，以简化电铲的供电但同时需要增设高压变电站。

1 电机传动的关键问题

1.1 拖动系统的工艺要求

电铲是负荷变化很大的机械，从生产工艺要求出发，拖动系统应该满足：第一，在正常工作范围内负荷增大时转速下降很小，保证设备具有较高的生产率。第二，当负荷超过容许值， 如铲斗在清理岩石根部或大块矿石被卡住时，转速就迅速下降并自动限制堵转电流，保证机电设备不受损坏；当负荷减小时，电动机又能自动加速重新开始作业。第三，电铲的提升、推压和回转机构处于频繁的起制动和正反转，快速的过渡过程是不可缺少的。第四，电铲电气传动系统应能承受剧烈的振动，以及灰尘和热量的影响。

1.2 交流电动机的选择

交流电机传动替换直流电机传动，电铲的挖掘性能不能降低。挖掘性能主要是起动转矩和堵转转矩必须满足转矩要求。首先，直流传动电机的转矩参见电铲传动电机参数表1。从表1可以看出，直流电机堵转转矩很大，过载倍数2.42-2.95。应用变频器控制交流异步电动机达到这个值是不可能的，一般交流异步电动机的过载倍数只有1.5。

2 矿山电铲电气传动的新趋势

截至目前为止，绝大多数大型矿山电铲采用的电气传动方式仍然是发电机一电动机传动方式。当前迫切需要一种新型的电铲电气传动方式。对这一新方式的要求有：

2.1 提升机构、推压机构负载特征与起重机卷扬机械负载特征基本相似

位能除一小部分损耗外，将通过电机发生制动（发电）状态全部转为电能而回馈电网，这部分反馈能量大多是吸收能量的70%左右。回转机构在电铲卸载工作时，通过回转将铲体转动实现，它的特点是：转台的工作重量远比铲斗的负载大，因此静负载和转动惯量可被认为在空斗、满斗时是相同的，而且由于回转后的转动惯量很大，静负载转矩和动态转矩比，可以忽略不计。因此在回转工作期间，很大部分时间是处于起动到制动（发电）状态，即电动机与发电机交替进行。电机状态从电网吸收电能，使回转产生速度积累动能，而制动减速状态又将这部分能量绝大部分回馈给电网。实现节能运行，就是将势能和动能转化成的电能回馈给电网。有资料证明，实现能量回馈比不回馈节电40%-70%。目前，成功应用于煤矿山作业的国内交流控制设计方案中，均采用独立变频器供电，而铁矿山作业的国内交流控制方案还未见应用。忽视了这部分能量，将这部分能量消耗在制动电阻上，产生巨大的浪费。笔者提出的设计方案采用回馈公共直流母线供电方案。直流母线电压低，可以避免直流母线过电压。

2.2 交流变频调试方案实现

采用交流传动的有利条件：交流调速装置技术日趋完善，胜任电铲的工艺条件和环境条件；国内有些电机制造厂已开发出起重重任务的电动机，其性能完全满足电铲运行。第一，电铲传动电机的选择。电铲的交流传动方案中，选择交流变频调速电机作为驱动电机。第二，系统供电变压器选择。车载专用整流变压器：SGB-630/6， 容量630kVA，6kV/415V，接线组别Y/Δ-11，阻抗电压ud% =8%，一、二次绕组带静电屏蔽。第三，防护等级。电铲控制系统的应用环境十分恶劣，首先要求系统能承受剧烈的振动，其次要求能够在散热良好的条件下防尘。采用热管技术可以将系统做到IP55的防护等级。在实践中将控制柜体模块化， 实现了一定程度的互换性操作。

2.3 交流电动机电机安装尺寸的选择

按一般规律而言，同容量、转速相近的交流异步电动机的中心高小于直流电动机的中心高。如果异步电动机的中心高比直流电机的高得多，不利于改造方案的实施。查阅有关直流电机与变频异步电机的安装尺寸，选用交流220kW、480r/min12极的变频异步电动机的中心尺寸与175kW、740r/min直流电动机轴中心高尺寸均为400mm。这样不改变提升机的机械结构尺寸就可以按照方案安装交流电动机。75kW异步电动机轴中心高为315mm，直流电机54kW、1150r/min的电动机轴中心高为280mm。交流异步电动机比直流电机略高35mm，这样可以稍加改动电机的地脚板高度， 就可以较方便的安装。以上证明更换电动机，基本上不改变机械传动结构就可以实现。

2.4 在上述电传系统中，制动时的能量不能反馈回供电网

当一个传动系统制动时，制动转换的电能量传送到电容器中贮存，然后向工作在电动状态的其它电气传动系统供电。当制动能量过剩时，例如在下放铲斗时则打开调节器，使能量消耗在电阻的发热上。为了消耗掉这部分制动时转换的电能，需要装设容量较大的电阻器。对于395B型电铲，电阻器的容量按长期功率247kW、尖峰功率为1150kW来考虑。在正常工作状态下，多余的制动能量经逆变器反馈至电网，逆变器工作在可控硅近似恒定的导通角下，从而保证了只需要较小的附加无功功率。逆变器由变压器的单独一绕组来供电，其电压比主绕组的电压稍高，从而提高了逆变工作的可靠性和稳定性。用于消耗制动功率的电阻器仅在异常情况下才投入，从而保证了制动制度的可靠性与可控性。在事故状态下由速动开关将逆变器从系统中切除。

3 结语

改用电压型逆变器的交流传动方式是改善矿山电铲电气传动方式的主要途经。此外，该技术方案具有适用于不同类型电铲的通用性也是十分重要。

［1］王玉华，张永惠.矿用电铲的交流变频调速传动技术［J］.变频器世界，2010（10）：100-105.

［2］刘昆，高放，何方威，等.露天矿WK4型电铲电气传动系统改造［J］.矿业工程，2010（6）：42-44.