395BI 电铲开斗电气系统国产化替代改造

2021-12-24项伟

露天采矿技术 2021年5期

项伟

（国家能源集团准能集团有限责任公司设备维修中心，内蒙古鄂尔多斯 010300）

国家能源集团准能集团有限责任公司黑岱沟露天煤矿，核定生产能力为34 Mt/a，为我国单坑产量最大的露天煤矿之一[1]。395BI 电铲作为黑岱沟露天煤矿岩石剥离设备，服役已近30 年，电气变频控制系统经过了一轮升级改造，所采用的开斗电气系统为直流控制系统，目前开斗机构电气控制系统进口配件已经停产，如果损坏则需单独定制，而且价格昂贵，供货期长，对剥离生产影响很大。对395BI 电铲电气系统原理及开斗机构工作原理进行分析，对开斗电气系统进行整体改造，采用国产配件替代进口产品，使电气老化和配件不足的影响降低，满足生产需要。

1 黑岱沟露天煤矿采掘设备

黑岱沟露天煤矿煤岩采掘剥离所选用的大型设备属于当今露天采矿业中最先进的采矿设备，主要采掘设备有美国BE 公司生产的8750-60 型吊斗铲1 台、395BI 型电铲6 台、美国P&H 公司生产的2800XPB 电铲1 台、太原重工生产的WK-20 电铲1台、WK-35 电铲3 台、WK-55 型电铲5 台。

2 395BI 电铲电气原理

1）电铲结构。395BI 电铲是我国20 世纪90 年代引进的，由美国BE 公司设计制造的32 m3级电铲，电铲电气部分由高压柜、主变压器、辅助变压器、不间断电源电机、提升电机、回转电机、推压电机、行走电机、开斗电机、各部电机通风机、各部变频控制器以及润滑系统组成。

2）变频系统构成。395BI 电铲的变频部分采用西门子的SIMADYN-D[2]系统，控制系统采用PLC 系统，整流器功率元件采用晶闸管；工作时由外部提供6 000 V 交流电，经高压柜和变压器转为660 V 交流电，调速系统采用可控硅整流回馈单元、公共直流母线，逆变部分功率元件均采用GTO。由于GTO 采购困难，购买价格高昂，2007 年美国比塞洛斯公司对395BI 电铲的逆变器部分进行了改造升级，将功率元件由GTO 模块升级为IGBT[3]模块，加装了光电转换板，以及配套电源和光缆，调整了部分控制参数。该系统进线电源经三相桥式全控整流电路转变成直流电，经电容滤波后送入公共直流母线[4]，然后经过逆变器转换成交流电驱动提升、推压、回转和行走各部交流电动机完成挖掘岩石、装车及行走等电铲的各项功能。调速系统工作时通过控制器输出信号控制逆变器不断地改变输出频率来调整电机转速，并通过大量的直流母线电容来调节母线电压。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其他工作机构使用，使能量得到充分利用，使用不完的能量通过制动电阻消耗掉。

3）PLC 控制系统。395BI 电铲的主控制部分采用PLC 控制技术。PLC 控制系统由1 个西门子S7-400做主站，14 个ET-200 做从站，采用Profibus-DP 通讯。如润滑系统、气压系统、限位开关、行程开关，主令控制器的给定信号由各分站通过Profibus-DP 传输给PLC，PLC 通过模拟量输入模块AI、模拟量输出模块AO、数字量输入模块DI、数字量输出模块DO 以及CPU 模块、通讯模块共同计算、传输、给定控制电铲各部的动作，如启停、制动器开闭、操作信号给定、润滑周期设定、提升推压位置信号检测和铲斗开门控制等。

4）国产化替代原因。由于395BI 电铲已服役25年，且实行24 h 工作制，设备长期处于粉尘、高温、震动的恶劣环境下，目前老化严重。2016 年、2018 年对2 台395BI 电铲进行了电气系统整机国产化改造，除各部电动机及开斗系统外，其余动力系统、控制系统全部进行了国产化改造，项目完成后，电气控制系统故障明显降低，开斗电气故障成了影响设备正常生产的关键点，但由于395BI 电铲是进口设备，原机配置的开斗电气系统配件大部分已经停产，采购时需要和国外厂家定制生产，不仅采购周期长达2 年，而且价格比停产前翻了10 余倍，造成设备经常停机待件，且维修成本大量增加，为了解决这种情况，分析395BI 电铲开斗系统机械工作原理，制定了以交流控制系统+交流电动机执行的国产化替代方案，对2台395BI 电铲开斗电气系统进行国产化改造。

3 395BI 电铲采掘运行及开斗方式

1）电铲采掘机械运动方式。395BI 电铲的采掘方式采用的是正向采掘，采掘动作由提升机构、推压机构、回转机构、行走机构、润滑系统，气路系统和开斗系统共同协调完成。电铲工作时气路系统打开制动器，通过主令控制器先把提升钢丝绳下放，同时推压机构把铲杆推向工作面，固定在铲杆上的铲斗在提升机构上提和推压机构推出产生的推力作用下切入岩层，装满物料后，提升机构上提，然后通过回拉推压铲杆离开采掘工作面，铲斗在回转机构作用下转至矿用卡车上方进行卸货，卸货完毕后重复上述动作进行第2 轮挖掘。

2）开斗系统机械运动方式。当395BI 电铲处于启机状态时，斗门利用重力将斗栓插入斗下体销孔内，使铲斗底部封闭，开斗系统中的开斗电机输出一个较小的转矩反卷开斗钢丝绳，使开斗钢丝绳处于拉紧而不至于拽动开斗横梁的状态。需要卸料时，通过主令控制器给出开斗指令，开斗电机工作，卷拉钢丝绳，钢丝绳经过开斗定滑轮，开斗动滑轮，拽拉开斗横梁，通过杠杆原理，提起斗栓，把物料倾泻至卡车箱斗，在工作中，开斗系统时刻处于工作状态，提供适当的拉紧力矩和开斗力矩。

4 395BI 电铲开斗系统

4.1 开斗系统组件

1）电气系统构成。MCC 供电电源、开斗变压器、开斗整流器、开斗电阻、开斗接触器、开斗直流电机、主令控制器和PLC 组件等构成。

2）机械系统构成[5]。开斗减速箱，开斗定滑轮，开斗动滑轮，开斗钢丝绳、C 型铁、开斗横梁、斗栓、斗栓插孔。

3）电源部分。395BI 电铲开斗系统的供电电源由辅助变压器提供，将交流400 V 外部电源供电接入MCC 柜，供给辅助电源总断路器，断路器下端接入开斗断路器DTB 和交流接触器DXC，DXC 输出段引入开斗变压器DTT，开斗变压器将交流400 V 变为交流190 V，190 V 交流输入全波整流电路，全波整流电路输出直流240 V，供给开斗电动机使用。

4）开斗电动机。395BI 电铲开斗电动机采用直流积复励电动机，励磁绕组由串励绕组和并励绕组构成，两者产生的磁场是同向增强的，在额定运行时，并励磁场占30%，串励磁场占70%，负载轻时电枢电流较小，磁场主要由并励绕组产生，磁场较弱，因此同样的电枢电压，电机转速比较高，输出转矩较小；而在重载情况下，电枢电流较大，串励绕组产生的磁场加强，并励绕组产生的磁场不变，输出转矩加大，因此，积复励电机融合了串励电机低速时启动转矩大，轻载时高速运行的特点，又避免了轻载高速飞车的可能，以上特性符合自卷钢丝绳和开斗卸货的需求。

5）开斗电阻。395BI 开斗电阻由3 组6 个电阻构成，第1 组由RE10-1 和RE10-2 构成，R1为14.625 Ω；第2 组由RE10-2、RE10-3、RE10-4、RE10-5 构成，R2为37.688 Ω；第3 组由RE10-5、RE10-6 组成，R3为0.688 Ω。395BI 电铲启动时，开斗系统串入电阻，开斗电动机自卷，拉紧开斗钢丝绳，司机操作主令控制器给定开斗信号时，切除部分开斗电阻，电流增加，磁场增强，开斗电动机大扭矩拉动开斗钢丝绳，完成开斗动作。

6）PLC 逻辑控制。395BI 电铲启动时，PLC 给出指令，使DXC 接触器吸合，DXC 主回路供电给开斗变压器DTT，开斗变压器DTT 变压后输出交流190 V，供给全波整流电路，全波整流电路输出直流240 V供给开斗电机，开斗电机自卷，张紧开斗钢丝绳，卸货装车时由司机操作主令控制器，主令控制器给出信号传送至PLC 输入模块，输出模块输出信号到开斗接触器，接触器吸合，开斗电动机拉动开斗钢丝绳拖动开斗横梁，撬动斗栓使斗门打开。

4.2 开斗电气系统故障

开斗电气故障主要表现为电动机不工作、开斗不自卷、自卷但给主令无动作。故障原因包括碳刷异常磨损、刷架变形、刷辫短路、断路、接地；换向器整流子磨损、不同轴；电动机转子升高片开焊；电动机转子接地、匝间短路；电动机转子接地、匝间短路；开斗电阻因长期大电流，导致电阻片熔断[6]；开斗接触器损坏；主令控制器损坏；开斗断路器损坏；全波整流电路故障等。

5 395BI 电铲开斗系统改造方案

5.1 电动机国产化替代

电铲开斗系统，在设备启动时，开斗电动机小力矩自卷拉动开斗钢丝绳，使开斗钢丝绳绷紧；开斗时开斗电动机大力矩拉动开斗钢丝绳，使开斗钢丝绳带动开斗横梁、开斗方销打开电铲斗门。绕线式异步电动机的工作原理就是改变转子绕组的电阻，以改变异步电动机的转差率，从而改变电动机的转矩[7]。定子直接接在三相交流电源上，而转子绕组一般串联上一定阻值的可变电阻上。当电机启动时，可变电阻的阻值为最大值，启动电流小，力矩小；在启动完成后，通过调节该阻值，可变电阻的阻值为最小值，启动电流大，力矩大。绕线型异步电动机具有启动性能好、启动转矩高，启动电流小的优点，依据绕线式异步电动机的特性选用：永济电气有限公司生产的KDDJ-4-15 型，11 kW 三相380 V 交流绕线式异步电动机带动减速机构进行开斗动作。开斗电动机的安装位置与原来395BI 开斗电动机安装位置一致。

5.2 开斗电阻国产化替代

绕线式异步电动机需要转子串电阻使用，配套电机功率选用永济电气有限公司生产的KZZ01 型开斗电阻箱[8]：启动自卷时转子串入大电阻，使用小力矩9 N·m，绷绳力矩过小可以调整为10 N·m 或者12 N·m；电机开斗时转子串入小电阻，使用大力矩230 N·m，斗门不容易打开时，可以调整为251、273、295 N·m。由于395BI 电铲机械室空间限制，开斗电阻箱安装于395BI 电铲机棚顶，靠近左前照明探照灯处。

5.3 主电路改造

为了配合绕线式电动机的工作，需要对主回路进行重新设计、配置：在开斗断路器DTB 下端接入接触器DXC、接触器DTC 上端。DXC 自卷接触器下端布入1 根3×10 mm2的电缆，接入KZZ01 开斗电阻箱，接入电阻箱7、8、9 端子，绷绳转矩为9 N·m；输出端布入1 根3×10 mm2的电缆串入开斗电动机的转子回路。DTC 开斗接触器下端布入1 根3×10 mm2的电缆，接入KZZ01 开斗电阻箱，接入电阻箱19、20、21 端子，开斗转矩为230 N·m，开斗电阻为3.3 Ω，输出端布入1 根3×10 mm2的电缆接入开斗电动机。

电铲启动后，开斗电动机接触器DXC 吸合，开斗电动机转子接入电阻60 Ω（R053，S053，T053）拉紧开斗钢丝绳，电机产生较小的力矩使开斗钢丝绳绷紧又不至于拉动开斗横梁。司机操作主令控制器给定开斗信号时，DTC 接触器吸合，将部分电阻短接，开斗电动机转子接入3.3 Ω 电阻（R054-4、S054-4、T054-4），大力矩拉动开斗钢丝绳，拉动开斗横梁，提起斗栓使斗门打开。司机释放主令控制器给定信号，开斗电动机DTC 接触器断开，开斗电动机转子重新接入60 Ω（R053，S053，T053）电阻，使开斗电动机拉动开斗钢丝绳重新自卷。

395BI 电铲原控制系统只有断路器DTB 可以使用，因MCC 柜空间限制，在MCC 柜侧方机棚壁板上重新固定安装1 个小的配电箱，新选装的DXC 接触器、DTC 接触器、热过载继电器安装在内。

5.4 395BI 开斗机构控制电路改造

395BI 开斗电气控制系统中主令控制器和PLC组件、PLC 程序逻辑与太重WK 系列电铲开斗电气控制系统原理一样，所以主令控制器与PLC 组件、PLC 程序不需要改动。因为PLC 的输出是交流110 V 电源，现有接触器线圈是交流220 V 无法直接使用，应用中间继电器的特性，用PLC 控制中间继电器，中间继电器的常开常闭触点外接入220 V 交流电压控制开斗控制系统接触器的吸合断开。395BI开斗系统机械方面只需要更换与开斗电动机配套的开斗卷筒，通过联轴器与开斗电动机硬连接。

6 经济效益

2020 年初对黑岱沟露天煤矿5#395BI、6#395B 电铲直流开斗系统进行了改造，施工工期5 d，改造完成后至2020 年11 月，电铲未发生开斗系统电气故障，出动率大为提高，开斗钢丝绳使用寿命由原来的10 d/根延长到20 d/根，年节约成本6 万元，开斗电机后期更换成本由原来的21 万元降至6 万元，使用寿命从1 台/年延长为1 台/5 年，而且国产配件采购周期仅为3 个月，仅此1 项2 台电铲每年节约成本约40 万元。