張紅慶

(北京首礦工程技術(shù)有限公司)

某選廠重型卸料小車電機控制系統(tǒng)改造

張紅慶

(北京首礦工程技術(shù)有限公司)

某選礦廠磨選作業(yè)給礦重型卸料小車具有重載起車運行負載轉(zhuǎn)距較大的負載特性，加之較短的運轉(zhuǎn)周期，在生產(chǎn)運行過程中連續(xù)出現(xiàn)小車驅(qū)動鏈條損壞、減速機電機軸側(cè)滾鍵等故障，影響設(shè)備使用壽命和生產(chǎn)的正常進行。對造成故障的原因進行分析，選擇外殼防護等級為IP54封閉型Y系列驅(qū)動電機，并對電機安全運行時的電流判定進行研究。在此基礎(chǔ)上，對電機控制系統(tǒng)提出了3種解決方案。其中系統(tǒng)增加軟啟動器不適用于重型卸料小車重載頻繁起車操作，增加自動定位系統(tǒng)則存在投資大、維修難的問題。系統(tǒng)增加變頻器，可實現(xiàn)小車重載頻繁起車對電機的要求，總體經(jīng)濟性較好。考慮到變頻器高振諧波及其與電纜的距離的影響，采用高一級變頻和容量變頻器，并設(shè)計為變頻控制柜。應(yīng)用實踐結(jié)果表明，重型卸料小車電機控制系統(tǒng)增加變頻器后，能從根本上解決設(shè)備安全運行隱患，大幅度降低停車故障率，對于保證產(chǎn)能、提高廠礦經(jīng)濟效益具有重要作用。該選廠重型卸料小車電機控制系統(tǒng)采用變頻裝置參與設(shè)備起?？刂频母脑旖?jīng)驗，可為其他礦山類似卸料小車控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造提供借鑒。

等效發(fā)熱電流 軟起動器 變頻器 小車自動定位系統(tǒng)

隨著鋼鐵冶金行業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，大型礦山企業(yè)也越來越多。選礦廠磨選主廠房生產(chǎn)流程由單系列增至多系列，入磨前料倉由分礦漏斗直接卸料逐漸改為多料倉采用重型卸料小車卸料，以滿足產(chǎn)能擴大的需求。某選廠磨選廠房設(shè)計兩個系列同時生產(chǎn)，入磨前的儲料倉共計8個，用來儲存中細碎和篩分車間的成品礦石，料倉采用重型卸料小車布料，電機由生產(chǎn)廠家成套供應(yīng)。重型卸料小車卸料到一定倉位后，需要人工現(xiàn)場操作換倉，順序?qū)α硪恢付▊}進行下料。在小車下料溜槽對準料倉下料點的過程中，需要小車頻繁起動走行電機。重型卸料小車工頻全電壓重載起車時，起動轉(zhuǎn)距較大，造成起動不平穩(wěn)，起動及加速沖擊很大。在頻繁起動過程中經(jīng)常出現(xiàn)行走小車驅(qū)動鏈條損壞、減速機電機軸側(cè)滾鍵、電機地腳螺絲松等故障，存在電機溫度升高的故障隱患，嚴重影響設(shè)備壽命，產(chǎn)生了較高設(shè)備維護費用，并影響產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量[1]。

1 故障分析

1.1 驅(qū)動電機的選擇與安全運行的判定

1.1.1 驅(qū)動電機的選擇

在電力拖動系統(tǒng)中，電動機的選擇需要滿足對工作環(huán)境、工作制度、起動與制動、減速或調(diào)速及功率等要求，包括選擇電動機的類型、運行方式、額定轉(zhuǎn)速及額定功率以及合理的起動方式等。因電機功率過小，會使其長期過載狀態(tài)運行，反之會使效率及功率因數(shù)等指標變差，浪費電能[2]。

重型卸料小車輸送的原料為中碎系統(tǒng)的鐵礦石產(chǎn)品，其中摻雜著導(dǎo)電性較強的小顆粒鐵粉。同時，磨選車間磁選、浮選生產(chǎn)環(huán)境多塵且潮濕，因此對電機的外殼防護等級要求較高。最終選定重型卸料小車現(xiàn)場配套的電機為外殼防護等級為IP54封閉型Y系列電機，電動機功率為37 kW，額定電流約為69.8 A。Y系列電動機是按長時連續(xù)負載設(shè)計的，即S1類型的負載，電動機起動電流為額定電流的5～7倍。

1.1.2 電機安全運行的判定

通過對電動機等效發(fā)熱電流計算判斷該電動機能否安全運行。

重型卸料小車通過運行調(diào)整下料點，該過程的運行周期與操作人員的技術(shù)水平有很大關(guān)系，不是確定的。對于一個周期來說，倉間轉(zhuǎn)換過程時間相對較長，對倉過程時間非常短，基本上是點動操作。對發(fā)熱起決定作用的是電動機的起動電流和周期運行時間，周期運行時間越短電動機發(fā)熱電流越大。

理論上不考慮對倉時間，倉間轉(zhuǎn)換一次到位，工頻全電壓重載起小車時，電動機起動時間為4.2 s，等速運行時間為8.7 s，制動時間為0.15 s。假定電動機等速運行為輕載運行輸出功率較小，為額定功率40%。電動機在起動過程中，起動電流由6倍額定電流開始逐漸減少，直到全速運行時的負載電流。

小車起動過程中等效發(fā)熱電流計算：

(1)

式中，Iq為小車啟動過程中等效發(fā)熱電流，A; Ie為電動機額定電流，A；Kq為電動機起動電流倍數(shù)，一般取5～7,重型小車重載起動電流倍數(shù)取6；If為電動機全速運行時負載電流，A，因其功率因數(shù)減少，負載電流將增大，一般取電動機額定電流的1.2～1.6倍，計算取1.2。

將電動機的數(shù)據(jù)代入式(1)，

Iq=252.02 A=3.61 Ie

在一個周期的運行時間里，電動機的等效發(fā)熱電流：

(2)

式中,IDX為一個周期的運行時間里，電動機的等效發(fā)熱電流,A;Ie為電動機額定電流，取69.8 A；Tq為電動機起動時間，取4.2 s；Tr為電動機等速運行時間，取8.7 s；TZ為電動機制動時間，取0.15 s；α為考慮電動機起動、制動時散熱條件惡化而取用的系數(shù)，取0.75。

將這些數(shù)據(jù)代入公式(2)：

IDX=146.06 A .

說明該值大于電動機額定電流。因此，在采用工頻全電壓起動的情況下，配套的Y系列電動機不能滿足安全運轉(zhuǎn)需求。

1.2 控制系統(tǒng)分析

重型卸料小車采用全壓直起方式控制。由于重載起車時負載轉(zhuǎn)距很大，電動機起動轉(zhuǎn)距可能不足，從而拖長起動時間，造成電動機繞組發(fā)熱，降低機械強度和絕緣性能，大大縮短壽命。因此，采用直起控制不合理。通過故障分析，提出了3種解決方案：①改造控制系統(tǒng)，增加軟起動器參與小車起?？刂?；②增加變頻器參與小車起?？刂疲虎坌略黾又匦托≤囎詣佣ㄎ幌到y(tǒng)參與小車控制，保證溜槽對準倉位一次到位，杜絕頻繁對倉操作。對這3個方案的可行性進行分析，以確定合適的方案。

1.2.1 采用軟起動器的控制系統(tǒng)分析

小車行走電機控制系統(tǒng)加入軟起動器參與控制電機起動、停止操作，軟起動器的起動電流一般為2～3倍的額定電流。

(1)等效發(fā)熱電流分析。按照“電機安全運行的判定”分析，將起動電流調(diào)整為額定電流的2.5倍，其余參數(shù)不變，計算出等效發(fā)熱電流為69.24 A，小于電動機額定電流，滿足電動機安全運行需求。

(2)軟起動器特性分析。軟起動器通過改變輸出電壓，以加大電動機運行曲線陡度。起動過程中電動機輸入電壓逐漸上升，直至起動結(jié)束。該過程中起動轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)速也逐漸增加，可實現(xiàn)平穩(wěn)起動，減少對負載機械的轉(zhuǎn)距沖擊。但由于電動機的輸出轉(zhuǎn)距正比于電動機端電壓的平方，因此采用軟起動器降壓起動會大大降低電動機的起動轉(zhuǎn)距，從而使其不適用于重載起動。

(3)軟起動器控制回路分析。軟起動器起動電機之后，改為旁路運行，其過流、過熱等保護功能仍參與控制，能夠?qū)崿F(xiàn)軟起、軟停功能。

綜上所述，控制系統(tǒng)加入軟起動器雖然能夠滿足電機安全運行需求，實現(xiàn)電機軟起、軟停操作，但不適用于重型卸料小車重載頻繁起車操作。

1.2.2 采用變頻器的控制系統(tǒng)分析

小車行走電機控制系統(tǒng)加入變頻器，其起動電流一般不超1.5倍的額定電流。

(1)等效發(fā)熱電流分析。按照“電機安全運行的判定”分析，將起動電流調(diào)整為為額定電流的1.5倍，其余參數(shù)不變，計算出等效發(fā)熱電流為49.37 A，小于電動機額定電流，同樣滿足電動機安全運行需求。

(2)變頻器特性分析。變頻器通過改變輸出電壓與頻率，使電動機運行曲線平行下移，低頻低速起動電動機，拉長起動時間，電流趨于平緩，能夠?qū)崿F(xiàn)電動機以較小的起動電流保證較大的起動轉(zhuǎn)距，降低電動機起動時的沖擊載荷，適用于重載起動。

(3)變頻器控制回路分析。變頻器控制系統(tǒng)參與電動機起動、運行以及停止整個過程，本身的諸多保護功能也能應(yīng)用于電動機，例如過熱保護等功能。停機時，變頻器在電動機起動后，仍然參與其控制，因而能實現(xiàn)軟停功能。

綜上所述，控制系統(tǒng)加入變頻器參與控制電機起動、停止操作在重型卸料小車重載頻繁起車操作中是可行的。

1.2.3 自動定位系統(tǒng)分析

重型小車定位系統(tǒng)是一種采用自動化控制手段，在每個料倉下料點采用紅外線定位的方式實現(xiàn)溜槽精準對準料倉下料點，減少對倉起車頻繁操作，自動化控制程度高，在主控室通過對各倉倉位監(jiān)測實現(xiàn)對小車運行情況的自動化操作，實現(xiàn)無人看管。雖然能避免頻繁對倉操作，但并不能解決重載起車時較大的瞬間沖擊力問題。因此，需要增加變頻裝置參與小車起車控制。另外，整套自動定位控制系統(tǒng)投資大，出現(xiàn)故障后對維護人員的技術(shù)水平要求高，限制了其在很多私營選廠的應(yīng)用。

2 改造方案

通過分析，改造控制系統(tǒng)通過增加變頻器來參與小車起?？刂频姆桨福瓩C械傳動部分不需變動。

2.1 變頻器選用原則

(1)變頻器的選擇應(yīng)該以實際電流值作為選擇依據(jù)，電機的額定功率只能作為參考值。

(2)應(yīng)充分考慮變頻器的輸出中豐富的高次諧波對電動機的功率因數(shù)、效率及線路電流的影響。

(3)考慮變頻器與電動機之間的距離。長電纜運行時，會產(chǎn)生對地耦合電容電流，影響變頻器的輸出效率。

2.2 變頻器選型

選用的變頻器特點：當過載前負載電流小于變頻器額定電流時，才允許在運行時有1.36倍額定電流的過載能力，基本負載電流須小于額定電流的91%。基于此基本負載電流，可以使變頻器在60 s內(nèi)有1.5倍正常負載的過載能力。考慮到變頻器過載能力及高次諧波電流的影響，變頻器選用高一級別的變頻和容量，以獲得較大的起動轉(zhuǎn)距，減少電機起動時間，避免電機起動時間過長造成的電機過熱現(xiàn)象，也可直接應(yīng)用于Y系列電機的控制，從而加快起動過程，提高運行的可靠性，同時控制系統(tǒng)也較為簡單。

2.3 實施方案

(1)為減少高次諧波影響，在變頻器出線加濾波電抗器，可以有效降低諧波含量。

(2)將變頻器設(shè)計為變頻控制柜，置于現(xiàn)場重型小車上，減少變頻器與電纜的距離到最小，以減少其對對地耦合電容電流的影響。

(3)電動機額定功率37 kW，充分考慮變頻器過載能力，選用高一級的變頻器，其額定電流為100 A。

3 改造效果

變頻器投入運行后，操作工嚴格執(zhí)行控制系統(tǒng)的操作流程，低頻起動電機，降低起動及加速沖擊，使電機起動過程趨于平穩(wěn)。改造完成后運行至今，運轉(zhuǎn)狀況良好，行走小車連續(xù)出現(xiàn)驅(qū)動鏈條損壞、減速機電機軸側(cè)滾鍵、電機地腳螺絲松動等故障得到根本解決，電機溫度也沒有發(fā)生過高的現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

(1)重型卸料小車采用直起控制方式進行重載起車，由操作工人現(xiàn)場手動實現(xiàn)倉間轉(zhuǎn)換過程。在起動過程中，受負載特性及運轉(zhuǎn)周期短的影響，行走小車驅(qū)動鏈條損壞、減速機電機軸側(cè)滾鍵、電機地腳螺絲松動等故障，電機溫度過高。

(2)在不改變小車機械設(shè)備的前提下，與加入軟啟動器或自動定位的電機控制系統(tǒng)相比，通過加入變頻裝置參與設(shè)備控制，可實現(xiàn)低頻低速起動電動機，電流趨于平緩，同時能夠保證電動機較高的起動轉(zhuǎn)距，降低電動機起動時的沖擊載荷，有效地解決了常見的設(shè)備故障。

(3)實踐證明，在重型卸料小車電機控制系統(tǒng)加入變頻器參與電機起停，可有效遏制機械設(shè)備故障，有效降低電動機起動時的沖擊載荷，平穩(wěn)起動設(shè)備，避免大功率設(shè)備起動對電網(wǎng)的沖擊，為工業(yè)廠礦需重載起車的大型設(shè)備改造提供了一些可借鑒的經(jīng)驗，有利于企業(yè)實現(xiàn)節(jié)能降耗生產(chǎn)。

[1] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院. 工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[2] 任艷君. 電機與拖動[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

2015-11-25)

張紅慶(1982—)，男，工程師，064404 河北省遷安市濱河村。