选矿厂重型卸料小车电气传动及控制

摘要：随着钢铁冶金行业的大规模发展，大型矿山企业也越来越普遍，磨选主厂生产流程由单系列增至多系列满足产能需求，入磨前料仓由分矿漏斗直接卸料到多料仓采用重型卸料小车卸料。重型卸料小车负载特性为重载起车运行，负载转距较大，在采用工频全电压重载起车时，要求起动转距较大，造成起动不平稳，对机械设备产生一定的冲击，影响设备运行寿命。建龙选厂入磨前料仓为8个，采用重型卸料小车卸料，生产运行过程中连续出现了小车驱动链条损坏、减速机电机轴侧滚键等故障，严重影响生产顺行，本文通过对故障的分析论述得出结论在重载起车的负载特性下采用变频装置参与设备起停控制，能够从根本上杜绝故障发生。

关键词：等效发热电流；软起动器；变频器；小车自动定位系统

Abstract: With the development of large-scale iron and steel metallurgy industry, large mining companies are increasingly common, grinding and separation from the main plant single series of production processes to meet the capacity needs of multi-family, into the mill before the hopper funnel directly by the sub-ore unloading to heavy-duty multi-silo unloader unloading car. Heavy unloading car load characteristics for heavy duty running from the car, the load torque is large, the use of frequency full voltage overload from the car, requires a larger starting torque, resulting in uneven start, the mechanical equipment have some impact affect equipment operation life. Jianlong processing plant into the ground before the silo was eight, using heavy unloading car unloading, production and operation of the car during the drive chain consecutive damage, reducer machine motor shaft side scroll keys, such as failure, seriously affecting the production along the line, this article through the analysis of discourse failure to conclude from the car in heavy load characteristics in frequency devices used under start-stop control device that can fundamentally eliminate malfunction.Keywords: Equivalent thermal current; soft starter; inverter; trolley automatic positioning system

中图分类号：TD528 文献标识码：A

一、故障分析

以下从重型卸料小车电机选择以及控制系统两个方面对故障进行分析处理。

（一）驱动电机选择分析

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、起动、制动、减速或调速以及功率等的要求，根据这些要求合理选择电动机的类型、运行方式、额定转速及额定功率以及合理的起动方式，避免电机功率小，而长期过载状态运行；电机动率过大，使效率以及功率因数等力能指标变差，浪费电能。

重型卸料小车输送原料为中破系统破碎完铁矿石，其中掺杂着小颗粒铁粉，导电性强，而且磨选车间磁选、浮选生产工艺特点导致其环境多尘潮湿，因此对电机的外壳防护等级要求较高，外壳防护等级宜选用IP54封闭型电动机。

重型卸料小车现场配套电机为Y系列电机，电动机功率为37kW，额定电流约为69.8A，起动电流倍数为6倍，起动电流为418.8A，外壳防护等级为IP54。

电动机外壳防护等级IP54满足现场多尘潮湿的环境，Y系列电动机是按长时连续负载设计的，即S1类型的负载，其电动机的起动电流达5-7倍。以下通过对电动机的等效发热电流计算判断该电动机是否能够安全运行。

重型卸料小车运行调整下料点一个运行周期是不定的（与操作人员的技术水平又很大关系），仓间转换过程中，对于一个周期来说，仓间转换过程时间相对较长，但是在对仓过程时间是非常短的，基本上是点动操作，我们知道对发热起决定作用的是起动电流和周期运行时间，时间越短影响越大。

我们通过对仓间转换过程分析对小车等效发热电流加以验证，按照理论上仓间转换均为一次到位（不考虑对仓过程），工频全电压重载起车时，现场起动时间为4.2秒，等速运行的时间为8.7秒，制动的时间为0.15秒,假定电动机等速运行输出功率较小，为额定容量的40％,通过以下计算加以说明。

电动机在起动过程中，其起动电流由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：

（1-1）

式中：Ie—电动机额定电流。

Kq—电动机起动电流倍数，一般5-7（查样本）重型小车重载起动电流倍数取6。

If—电动机负载电流，即电动机达到全速运行时的负载电流当电动机处于轻载下运行时，其功率因数减少，负载电流将增大，一般1.2-1.6，下面计算取1.2。

将电动机的数据代入上式：

= 252.02=3.61 IE

在一个周期的运行时间里，电动机的等效发热电流按如下公式计算：

（1-2）

式中：Ie= 69.8A电动机额定电流。

Tq= 4.2电动机起动时间。

Tr= 8.7电动机等速运行时间。

Tz= 0.15电动机制动时间。

〆= 0.75 考虑电动机起动、制动时散热条件恶化而取用的系数。

将这些数据代入公式：

IDX = 146.06A

可见上述计算说明电动机等效发热电流为146.06A已经大于电动机69.8A的额定电流。因此，对这种机械，在采用工频全电压起动的情况下，配套的Y系列电动机是不满足安全运转需求的。

（二）重型卸料小车的控制系统分析

重型卸料小车采用全压直起控制方式，由于重载起车时负载转距很大，电动机起动转距存在不足的可能，起动时间将被拖长，将使电动机绕组发热，使其机械强度和绝缘性能很快降低，寿命大大缩短，显然采用直起控制方式是不合理的。通过对故障分析，提出了3种解决方案：一、改造控制系统，增加软起动器参与小车起停控制；二、改造控制系统，增加变频器参与小车起停控制；三、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。以下是对三个方案可行性分析。

1、采用软起动器控制系统分析

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倍额定电流。

等效发热电流分析：按照“驱动电机选择分析”中除起动电流调整为为2.5倍，其余参数不变计算等效发热电流，得出电流为69.24A,小于电动机69.8A的额定电流，满足电动机安全运行需求。

软起动器特性分析：软起动器通过改变输出电压，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，这个过程起动转距、转速也是逐渐增加的，实现平稳起动，减少对负载机械的冲击转距。但是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大大降低电动机的起动转距，所以软起动器不适用于重载起动。

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实现电机软起、软停操作，但是重型卸料小车重载频繁起车操作是不适用的。

2、采用变频器控制系统分析

小车行走电机控制系统加入变频器参与控制电机起动、停止操作，变频器的起动电流一般为不超1.5倍额定电流。

等效发热电流分析：按照“驱动电机选择分析”中除起动电流调整为为1.5倍，其余参数不变计算等效发热电流，得出电流为49.37A,小于电动机69.8A的额定电流，满足电动机安全运行需求。

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，把起动时间拉长，电流变平缓。变频器能够实现使电动机以较小的起动电流同时使电机起动转距达到其最大值，保证电动机起动转距，降低电动机起动时的冲击载荷，所以变频器适用于重载起动。

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，变频器本身的诸多保护功能也能应用于电动机，例如过热能保护功能等。且停机时，变频器在电动机起动后，仍然参与其控制，所以能够实现软停功能。

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是可行的。

3、自动定位系统控制系统分析

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，减少频繁对仓起车操作，自动化控制程度高，而且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，但是此类方法虽能避免频繁对仓操作并不能解决重载起车瞬间较大冲击力的问题，所以需要增加变频装置参与小车起车控制，整套控制系统投资大，出现系统故障后不易处理，对维护人员的技术水平要求高，这是很多私营选厂所不具备的，不满足建龙选厂操作人员技术水平以及对操作工艺要求的实际，这个方案针对建龙选厂的实际情况也是不可行的。

二、具体解决方案

通过分析，确定了改造控制系统增加变频器参与小车起停控制的方案。

原机械传动部分不需要变动，仅需对控制系统进行改造。

（一）变频器选用原则：

1、变频器的选择应该以实际电流值作为变频器选择依据，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含有丰富的高次谐波会影响电动机的功率因数和效率，需考虑线路电流因高次谐波增大的影响；

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

（二）变频器选型：

本方案选用西门子6SE70系列变频器产品，6SE70变频器产品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，必须使其基本负载电流小于变频器额定电流91％，基于此基本负载电流，可以在60s有1.5倍过载能力，考虑变频器过载能力以及高次谐波电流影响，变频器大一级选用变频，型号为6SE7031-0EE60，大一级容量选用变频器，可以得到较大的起动转距，减少电机起动时间，并且避免了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了运行的可靠性，控制系统也较为简单。

（三）具体方案

1、为减少高次谐波影响，在变频器出线加滤波电抗器，可以有效的降低谐波含量；

2、设计为变频控制柜，放置于现场重型小车上，把变频器与电缆距离减少为最小，有效的减少对地耦合电容电流的影响；

3、电动机额定功率37kW，变频器大一级选用，选用西门子6SE7031-0EE60，变频器额定电流100A，充分考虑变频器过载能力。

（四）改造后的效果

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，使电机的起动过程趋于平稳。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得到根本解决，电机温度也没有发生过高的现象。

结论

重型卸料小车采用直起控制方式，由操作工人现场手同实现仓间转换过程，其负载性质为重载起车，在起动过程中，由于其负载特性以及运转周期短的影响，造成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以及电机温升过高的影响。

本文通过在不改变小车机械设备的前提下，加入变频装置参与设备控制，低频低速起动电动机，电流变平缓，同时能够保证电动机起动转距，降低电动机起动时的冲击载荷，有效的解决了常见设备故障的发生。

通过实践证明，重型卸料小车的故障得到了有效的遏制，效果是非常显著的，加入变频装置参与起停对于降低电动机起动时的冲击载荷，平稳起动设备、解决大功率设备起动对电网的冲击以及节能也是非常有效的，为工业厂矿需重载起车的大型设备提供了一些可借鉴的经验。

【参考文献】

[1] 《工业与民用配电设计手册》 中国航空工业规划设计研究院组编

[2] 《电机与拖动》 机械工业出版社 任艳君编

[3] 《钢铁企业电力设计手册》 冶金工业出版社 编委会编