閆志軍，槐博超，閔 杰

應(yīng)用研究

大型礦用挖掘機(jī)國產(chǎn)化電氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

閆志軍1，槐博超2，閔 杰2

（1. 國能準(zhǔn)能集團(tuán)設(shè)備維修中心，鄂爾多斯市 010300；2. 武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430000）

大型機(jī)械正鏟式電動(dòng)挖掘機(jī)（俗稱“電鏟”）作為大型露天礦主要?jiǎng)冸x和采裝設(shè)備，關(guān)乎露天礦山生產(chǎn)效益和人員設(shè)備安全，其電氣系統(tǒng)及其核心設(shè)備長期被國外廠商壟斷，且多為進(jìn)口通用工業(yè)設(shè)備的簡單集成，存在固有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷和適應(yīng)性問題以及后續(xù)使用中的諸多問題等。本文基于神華準(zhǔn)能集團(tuán)露天礦電鏟電氣系統(tǒng)國產(chǎn)化升級(jí)改造成功經(jīng)驗(yàn)，闡述了國產(chǎn)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)思路，具有一定的借鑒和推廣意義。

電鏟電氣系統(tǒng) 國產(chǎn)化 優(yōu)化升級(jí)

0 引言

隨著我國進(jìn)入新時(shí)代中國特色社會(huì)主義發(fā)展階段，節(jié)能環(huán)保和重大技術(shù)裝備自主可控被提升到國家戰(zhàn)略高度。礦山作為產(chǎn)業(yè)鏈源頭，在整個(gè)節(jié)能環(huán)保和重大技術(shù)裝備自主可控過程中處于重要地位。目前，國內(nèi)外95%以上的大型露天礦山均采用半連續(xù)或間斷開采工藝。大型機(jī)械正鏟式電動(dòng)挖掘機(jī)（俗稱“電鏟”）作為露天礦山主要?jiǎng)冸x和采裝設(shè)備，是大型露天礦山開采成套設(shè)備中的關(guān)鍵龍頭設(shè)備，其產(chǎn)品性能、可靠性和生產(chǎn)效率將直接影響露天礦山的生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)效益和安全。

目前，大型電鏟整機(jī)主要生產(chǎn)企業(yè)有美國CAT/BE、P&H公司、中國太重等。含變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在內(nèi)的電鏟電氣系統(tǒng)用于電鏟的系統(tǒng)控制、電氣傳動(dòng)、配電、監(jiān)控等，具備系統(tǒng)復(fù)雜、工況多變、工作環(huán)境惡劣、振動(dòng)和粉塵大、系統(tǒng)可靠性要求高等顯著特點(diǎn)，很大程度上決定電鏟的性能和作業(yè)率。電鏟屬于細(xì)分領(lǐng)域的重大技術(shù)設(shè)備，由于歷史原因，電氣系統(tǒng)及其核心設(shè)備絕大多數(shù)采用為數(shù)不多的幾家進(jìn)口品牌產(chǎn)品，甚至是基于通用工業(yè)產(chǎn)品的簡單集成，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電網(wǎng)和環(huán)境適應(yīng)性、數(shù)據(jù)開放程度等方面存在諸多缺陷和不足，特別是隨著采礦條件、電網(wǎng)狀態(tài)和設(shè)備使用年限的增加，電氣故障愈發(fā)頻繁，備件供應(yīng)和服務(wù)不盡人意，成為露天礦山生產(chǎn)的痛點(diǎn)之一。

為了解決電鏟電氣系統(tǒng)及其核心設(shè)備上述問題，神華準(zhǔn)能集團(tuán)聯(lián)合國內(nèi)科研院所通過幾年的技術(shù)攻關(guān)，掌握了大型電鏟國產(chǎn)電氣系統(tǒng)及其核心設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造能力，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，截止至發(fā)稿時(shí)間，已實(shí)現(xiàn)3臺(tái)32m3以上電鏟電氣系統(tǒng)國產(chǎn)化升級(jí)改造并投入實(shí)際生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成

從電氣傳動(dòng)方式角度，電鏟經(jīng)歷了從發(fā)電機(jī)（G）—電動(dòng)機(jī)（M）機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)、可控硅-直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、帶回饋功能的GTO交流調(diào)速系統(tǒng)到基于IGBT器件和主動(dòng)前端（AFE）技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷程。進(jìn)入21世紀(jì)以來，基于GBT器件和主動(dòng)前端（AFE）技術(shù)的共直流母線多傳動(dòng)技術(shù)成為行業(yè)主流。[1][2]

以某型電鏟電氣系統(tǒng)為例，如圖1所示，其電氣系統(tǒng)包括配電子系統(tǒng)、變頻驅(qū)動(dòng)裝置、整鏟控制子系統(tǒng)、輔助電氣子系統(tǒng)四個(gè)組成部分。

圖1 某型電鏟電氣系統(tǒng)

配電子系統(tǒng)包括高壓開關(guān)柜、主變壓器、輔助變壓器等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)主輔電源的變換、配電和保護(hù)。礦山3AC6.3k V電網(wǎng)，經(jīng)車下高壓集電環(huán)接入高壓開關(guān)柜；高壓開關(guān)柜設(shè)有兩個(gè)三工位主隔離開關(guān)、真空接觸器、高壓熔斷器、監(jiān)測保護(hù)裝置、壓敏電阻、避雷器、過壓保護(hù)裝置、壓互流互及微機(jī)保護(hù)裝置等，具備隔離、過電流、缺相、接地保護(hù)、過電壓吸收、帶電指示等功能。主變壓器為3相多繞組結(jié)構(gòu)，分別為變頻器的多組整流裝置供電；設(shè)置預(yù)充磁用輔助繞組（低壓），采用輔助變壓器電源經(jīng)限流電阻為主變壓器預(yù)充磁和變頻器直流環(huán)節(jié)電容預(yù)充電。

變頻驅(qū)動(dòng)裝置為一體式AFE整流+多傳動(dòng)四象限變流裝置，包括AFE整流回饋裝置、各執(zhí)行電動(dòng)機(jī)逆變驅(qū)動(dòng)、斬波制動(dòng)裝置、控制單元等主要部分，用于礦用電鏟提升、回轉(zhuǎn)、推壓、行走等執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速，具備AFE整流和有源逆變、共直流母線、多傳動(dòng)等特點(diǎn)。

控制子系統(tǒng)由人機(jī)界面HMI及數(shù)據(jù)終端、可編程邏輯控制器PLC、變頻器控制單元組成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，主控PLC是系統(tǒng)的控制中樞和通訊核心，通過現(xiàn)場總線和IO接口與司機(jī)聯(lián)動(dòng)臺(tái)、人機(jī)界面HMI、高壓開關(guān)柜、輔助MCC柜、AFE整流柜、各逆變驅(qū)動(dòng)柜、輔助設(shè)備等相連，實(shí)現(xiàn)整鏟的協(xié)調(diào)控制和狀態(tài)監(jiān)測。

輔助子系統(tǒng)包括電機(jī)控制中心（MCC）、照明配電箱、輔助配電箱等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)電鏟各部位的通風(fēng)機(jī)、加熱器、潤滑、氣閥等輔助設(shè)備供電、控制、保護(hù)，設(shè)置相序保護(hù)裝置、微機(jī)保護(hù)裝置等，具備過電流、缺相、相序、接地保護(hù)等功能。

2 系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 礦山電網(wǎng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)[3]

針對礦山電網(wǎng)許用容量小、沖擊載荷大、諧波設(shè)備多、負(fù)荷率變化大、電壓波動(dòng)范圍寬（-30%～+30%）的特點(diǎn)，從電鏟變頻驅(qū)動(dòng)裝置主電壓等級(jí)選取和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償兩個(gè)角度，提高電鏟電網(wǎng)適應(yīng)性。

1）受IGBT器件本身電壓耐受等級(jí)影響，按標(biāo)準(zhǔn)電壓設(shè)計(jì)的普通工業(yè)變頻設(shè)備無法適應(yīng)礦山電網(wǎng)的寬電壓波動(dòng)范圍，極易發(fā)生欠壓和過壓保護(hù)。為此，通過合理確定主變壓器變比和非標(biāo)電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，適當(dāng)降低變頻驅(qū)動(dòng)裝置額定電壓等級(jí)，實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)IGBT產(chǎn)品的寬電壓范圍變頻裝置。

2）摒棄傳統(tǒng)AFE變頻器輸入功率因數(shù)為1的單一控制目標(biāo)，將變頻器和SVG裝置功能合二為一，利用儲(chǔ)能電感與IGBT（內(nèi)置反向二極管）組成的整流電路提高負(fù)載側(cè)的電壓，使LCL濾波元件二次側(cè)的電壓高于網(wǎng)側(cè)電壓，使系統(tǒng)表現(xiàn)出“容性”。直流環(huán)節(jié)電容兼顧支撐電壓、濾波、儲(chǔ)能功能，采用帶無功補(bǔ)償功能的PWM整流算法，在能量和電壓控制目標(biāo)的基礎(chǔ)上，根據(jù)礦山電網(wǎng)瞬態(tài)電壓升和電壓降實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)AFE整流裝置無功功率，可有效改善礦山電網(wǎng)功率因數(shù)和瞬態(tài)電壓波動(dòng)。

2.2 多支路共直流母線冗余拓?fù)鋄4]

變頻驅(qū)動(dòng)裝置共直流母線模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)短路計(jì)算仿真和試驗(yàn)結(jié)果，在直流環(huán)節(jié)設(shè)置熔斷器，實(shí)現(xiàn)支路級(jí)分級(jí)保護(hù)，機(jī)械短路極端情況下，可實(shí)現(xiàn)故障支路熔斷器動(dòng)作，其他支路熔斷器不動(dòng)作、系統(tǒng)不失電不停機(jī)。

AFE整流裝置多組件并聯(lián)，與主變壓器二次繞組一一對應(yīng)，通過快速直流熔斷器接公共直流母線，控制上采用一主多從，主站仲裁方式，各AFE整流單元電氣耦合程度低，控制相對獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)變結(jié)構(gòu)，當(dāng)部分支路發(fā)生故障時(shí)，可從控制拓?fù)渲屑皶r(shí)切除該支路，系統(tǒng)進(jìn)入帶故障降額工況，可大大提高系統(tǒng)工作可靠性和設(shè)備安全性。

2.3 高安全性機(jī)構(gòu)傳動(dòng)

1）安全鏈設(shè)計(jì)，通過系統(tǒng)分析確定提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走各工作機(jī)構(gòu)的安全影響因素，將各AFE整流單元、逆變驅(qū)動(dòng)單元的運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)繼電器式開關(guān)量輸出觸點(diǎn)與上位PLC控制的安全繼電器觸點(diǎn)和司機(jī)手動(dòng)急停按鈕組成的繼電串并電路用于控制各機(jī)構(gòu)機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“非正常即制動(dòng)”的故障導(dǎo)向安全機(jī)制。

2）特殊開發(fā)的逆變驅(qū)動(dòng)單元，可實(shí)現(xiàn)各傳動(dòng)支路發(fā)生非逆變器自身異常時(shí)，轉(zhuǎn)速閉環(huán)-轉(zhuǎn)速開環(huán)、正?？刂?直流制動(dòng)的在線切換，最大程度避免工作機(jī)構(gòu)失控[5]。

2.4 智能化設(shè)計(jì)

1）在傳動(dòng)電鏟電氣系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)置了多端口數(shù)據(jù)終端，可實(shí)現(xiàn)司機(jī)指令、設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的實(shí)施監(jiān)控、故障和數(shù)據(jù)記錄，并預(yù)留“智慧礦山”無線接口，為“無人化、遠(yuǎn)程化”和“電鏟挖掘特性優(yōu)化”提供必要的技術(shù)支撐。

2）基于電鏟操作和維修人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，上位軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了半開放式故障診斷系統(tǒng)，大大提高了故障定位效率。

3 結(jié)束語

大型電鏟國產(chǎn)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)研制，采用了國產(chǎn)核心設(shè)備，可拓展到不同功率等級(jí)的電鏟應(yīng)用，形成具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的系列化產(chǎn)品，一方面，打破國外技術(shù)壟斷，推動(dòng)國內(nèi)民族裝備工業(yè)包括相關(guān)系統(tǒng)及產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，另一方面，對采礦企業(yè)，縮短供貨周期，減少運(yùn)營成本，提高作業(yè)率等方面提供關(guān)鍵產(chǎn)品的安全物料保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。

下一步研究建議：1）新型電機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)無齒化少齒化研究；2）多傳動(dòng)四象限變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣解耦研究；3）多傳動(dòng)四象限變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流環(huán)節(jié)快速保護(hù)及生存能力提升研究。

[1] 遲宇. 國外大型礦用挖掘機(jī)綜述[J]. 礦業(yè)裝備, 2017, (03).

[2] 王曉明. 礦用機(jī)械式挖掘機(jī)的現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代露天采礦裝備現(xiàn)場研討會(huì)論文集[J]. 礦業(yè)裝備, 2010.8(s1).

[3] 395B電鏟變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國產(chǎn)化研發(fā)研究報(bào)告[R]. 中國神華準(zhǔn)格爾能源有限公司, 2019.

[4] 35m3電鏟西門子系統(tǒng)國產(chǎn)化研發(fā)與應(yīng)用研究報(bào)告[R]. 中國神華準(zhǔn)格爾能源有限公司, 2021.

[5] 張巴圖. 大功率異步電機(jī)間接矢量控制策略研究[J].船電技術(shù), 2020.

Optimal design of homemade electric system for large mining excavator

Yan Zhijun1, Huai Bochao2, Min Jie2

（1. Equipment Maintenance Center, Shenhua Group Zhunge' er Energy Co., Ltd., Ordos 010300, China; 2. Wuhan Great Sea Hi-Tech Co., Ltd., Wuhan 430000, China）

TD422.2

A

1003-4862(2022)02-0009-03

2021-06-15

閆志軍（1970-），男，高級(jí)工程師。研究方向：礦山機(jī)電。E-mail: zhijun.yan.c@chnenergy.com.cn