喬碩QIAO Shuo；栗飛LI Fei

（國家能源準(zhǔn)能集團(tuán)公司，鄂爾多斯 010300）

0 引言

科技創(chuàng)新在國家全面發(fā)展中占有非常重要的地位，通過科技創(chuàng)新助推煤炭安全生產(chǎn)，科技創(chuàng)新可以被分成三種類型：知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新和現(xiàn)代科技引領(lǐng)的管理創(chuàng)新。當(dāng)前，科技創(chuàng)新能力是國家實(shí)力的體現(xiàn)，通過科技創(chuàng)新增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的內(nèi)生動力，創(chuàng)造出更多的自主知識產(chǎn)權(quán)，通過科技創(chuàng)新進(jìn)一步提升和改善生產(chǎn)力。只有科技強(qiáng)才能產(chǎn)業(yè)強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)強(qiáng)，科技創(chuàng)新能力是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的方向標(biāo)，是創(chuàng)新型國家建設(shè)的助推劑。

1 主采設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀

國能準(zhǔn)能集團(tuán)公司黑岱溝露天煤礦及哈爾烏素露天煤礦都是國內(nèi)大型的露天煤礦，現(xiàn)單礦年生產(chǎn)能力均達(dá)3000 多萬噸，開采工藝包括單斗—卡車間斷工藝系統(tǒng)和吊斗鏟倒堆工藝系統(tǒng)，兩個露天煤礦擁有WK-55 電鏟7臺，這7 臺WK-55 電鏟截止目前已經(jīng)使用均超過37551h，電氣系統(tǒng)老化、系統(tǒng)不穩(wěn)定、故障頻繁，減速機(jī)及驅(qū)動滾筒由于運(yùn)行時間較長出現(xiàn)機(jī)械故障逐年擴(kuò)大，從齒輪損壞到減速箱箱體開始變形甚至產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象普遍存在，減速箱滲漏嚴(yán)重，故障率極高，已經(jīng)嚴(yán)重影響生產(chǎn)作業(yè)。在這種背景下，急需對WK-55 電鏟變頻傳動系統(tǒng)及無齒提升裝置進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新[1]。

2 主采設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新的意義

2.1 提升電氣裝置運(yùn)行的可靠性

WK-55 電鏟原鏟設(shè)計(jì)的提升系統(tǒng)是通過變頻電機(jī)驅(qū)動減速機(jī)，產(chǎn)生的動力帶動驅(qū)動滾筒，從而驅(qū)動鋼絲繩進(jìn)行卷揚(yáng)作業(yè)，提升電機(jī)的額定功率為1112kW；提升電機(jī)的峰值功率為1390kW；轉(zhuǎn)動比：50.86；提升速度：0.84M/S。WK-55 電鏟原鏟的電控系統(tǒng)使用的是西門子6SE70 系統(tǒng)，由于該系統(tǒng)柜體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素，使柜體無論在避震效果上還是柜體強(qiáng)硬度上都有很大弊端，在很大程度上會影響到電氣系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，導(dǎo)致電氣故障頻繁發(fā)生，而且故障原因查找難度較大，發(fā)生多起由于震動造成的電氣短路，從而引發(fā)電鏟提升、回轉(zhuǎn)失控等故障。同時，西門子6SE70 系統(tǒng)的核心配件陸續(xù)停產(chǎn)，由于技術(shù)落后功率因數(shù)及技術(shù)達(dá)不到現(xiàn)代化作業(yè)需求，操作系統(tǒng)存在一定安全隱患，導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)設(shè)備維修維護(hù)頻發(fā)。鑒于目前黑岱溝露天煤礦在用的吊斗鏟提升、回拉系統(tǒng)均采用無齒輪傳動系統(tǒng)，具有振動小、故障率低的性能優(yōu)勢，決定采用新型多傳動變頻系統(tǒng)及無齒提升裝置來替代WK-55 電鏟原系統(tǒng)，旨在消除原鏟提升齒輪箱內(nèi)部的振動，從而提升設(shè)備運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性，降低故障率[2]。

2.2 降低電氣系統(tǒng)維護(hù)成本

電氣系統(tǒng)故障率逐年增高，電氣系統(tǒng)維護(hù)成本大約需要120 萬元左右，提升減速機(jī)的配件壽命周期4 年，更換一套提升減速箱配件大約需350 萬元，而且在更換周期內(nèi)會經(jīng)常出現(xiàn)非正常的損壞現(xiàn)象，該部分維修費(fèi)用大約需80 萬元，單臺設(shè)備年維修費(fèi)用大約需要287.5 萬元，成本浪費(fèi)的同時也導(dǎo)致設(shè)備出動率逐年下降，從初期使用時出動率在92%以上到現(xiàn)在的平均出動率在76.5%，同時設(shè)備安全隱患隨之上升，比如近兩年出現(xiàn)的提升、回轉(zhuǎn)失控，均由于電控系統(tǒng)和提升系統(tǒng)的不穩(wěn)定性造成。

2.3 實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能減排

近年來，節(jié)能減排成為機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展的主題，也對今后礦用設(shè)備的使用提出了更高的要求，就變頻器的電機(jī)系統(tǒng)而言，其節(jié)電率要達(dá)到40%以上，經(jīng)過改造的礦用設(shè)備可以有效促進(jìn)礦山資源的合理開發(fā)及其再利用。近幾年來，隨著永磁體材料成本不斷下降和永磁技術(shù)不斷成熟應(yīng)用，越來越多煤礦企業(yè)開始關(guān)注和使用永磁直驅(qū)系統(tǒng)，來緩解或解決企業(yè)的節(jié)能減排總要求[3]。

電鏟屬于礦山機(jī)械一種，目前仍采用由高速異步電機(jī)+減速器的二級調(diào)速系統(tǒng)，具有典型性[4]。電鏟提升系統(tǒng)永磁直驅(qū)化改造就是將原來的高速異步電機(jī)-減速器的二級調(diào)速系統(tǒng)改變?yōu)橛捎来诺退匐姍C(jī)驅(qū)動的直驅(qū)系統(tǒng)，并依據(jù)電鏟對提升系統(tǒng)的特殊需求進(jìn)行量身定制，充分發(fā)揮永磁直驅(qū)的高效、高功率因數(shù)、低振動、免維護(hù)的優(yōu)勢，從而提升礦用電鏟的綜合性能。

2.4 優(yōu)化庫房配件存儲結(jié)構(gòu)

研發(fā)WK-55 電鏟變頻傳動系統(tǒng)及無齒提升裝置研究與應(yīng)用，可完全脫離進(jìn)口配件的束縛，同時完全取代齒輪傳動系統(tǒng)，將不會出現(xiàn)減速機(jī)故障，大幅度降低維護(hù)和采購成本、縮短供貨時間，有效地降低庫存及儲備資金的占用。

3 探討科技創(chuàng)新成果的實(shí)施方案

3.1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

變頻驅(qū)動系統(tǒng)為一體式AFE 整流+多傳動四象限變頻驅(qū)動裝置，如圖1 所示，包括AFE 整流回饋裝置、各執(zhí)行電動機(jī)逆變驅(qū)動等主要部分，用于礦用電鏟提升、回轉(zhuǎn)、推壓、行走等執(zhí)行電動機(jī)的驅(qū)動和控制，具備AFE 整流和有源逆變、共直流母線、多傳動等特點(diǎn)，要求各部功率模塊可互換，整個系統(tǒng)元器件拆裝方便，便于維護(hù)。

圖1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)拓?fù)?/p>

變頻驅(qū)動系統(tǒng)采用國產(chǎn)水冷礦用變頻器設(shè)備，遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)思路，各整流、逆變基本功率組件結(jié)構(gòu)上一致，具備互換性，通過燒寫不同的程序參數(shù)和簡單的配置實(shí)現(xiàn)復(fù)用，以減少備件種類。整個系統(tǒng)元器件拆裝方便，便于維護(hù)。整流部分由多個AFE 整流回饋裝置總從并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)交流供電電源與公共直流母線之間的雙向AC/DC 變換；各逆變驅(qū)動裝置直流環(huán)節(jié)與公共直流母線連接，實(shí)現(xiàn)各自執(zhí)行電動機(jī)的四象限控制，從而實(shí)現(xiàn)電鏟提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走等動作的控制。

其中，提升機(jī)構(gòu)包含兩臺電動機(jī)，分別由兩臺逆變器驅(qū)動，采用主從控制技術(shù)，保障兩臺提升電動機(jī)的平衡，即一臺提升逆變器作為主設(shè)備，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式；另一臺提升逆變器作為從設(shè)備，采用轉(zhuǎn)矩控制模式，轉(zhuǎn)矩目標(biāo)為主提升電動機(jī)實(shí)時轉(zhuǎn)矩。

推壓機(jī)構(gòu)包括一臺執(zhí)行電動機(jī)，由一臺推壓逆變器驅(qū)動，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制模式。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由3 臺通過齒輪耦合的電動機(jī)驅(qū)動，采用回轉(zhuǎn)逆變器驅(qū)動?；剞D(zhuǎn)控制采用具有速度限幅的轉(zhuǎn)矩控制方式，即主令是通過轉(zhuǎn)矩來給定的，主令給定的數(shù)值決定了電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小和啟制動的快慢。

兩臺行走電機(jī)的工作方式為獨(dú)立驅(qū)動：右行走電機(jī)與提升電機(jī)共同使用一個逆變器，即H1/P1；左行走電機(jī)與推壓電機(jī)共同使用一個逆變器，即C/P2。作業(yè)人員可通過設(shè)在操作臺上的挖掘/行走工況選擇開關(guān)進(jìn)行工況選擇，提升/行走電動機(jī)間的切換通過切換柜中的交流接觸器完成。

3.2 非理想電網(wǎng)鎖相技術(shù)

在不平衡、非線性、諧波畸變、頻率波動的非理想電網(wǎng)條件下，傳統(tǒng)閉環(huán)鎖相環(huán)（PLL）中的PI 調(diào)節(jié)器無法對諧波實(shí)現(xiàn)無靜差的調(diào)節(jié)，從而無法準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)基波正序分量的相位。為了完成對交流量的無靜差跟蹤控制，根據(jù)內(nèi)模的構(gòu)造原理，需要能夠良好地抵消外部擾動或跟蹤參考信號的反饋控制系統(tǒng)，而反饋回路必須包含一個與輸入信號相同的模型，則需要在控制系統(tǒng)中引入同頻率正弦信號的s 域模型即諧振環(huán)節(jié)。

圖2 為傳統(tǒng)PLL 與諧振調(diào)節(jié)PLL 對基頻且含有諧波的電壓相位跟蹤效果仿真，可以看出傳統(tǒng)鎖相環(huán)輸出的角度有明顯抖動現(xiàn)象，而變頻諧振鎖相環(huán)輸出的角度已經(jīng)基本消除因諧波引起的抖動現(xiàn)象，補(bǔ)償由于諧波引起的鎖相環(huán)輸出角度和頻率的波動很好地跟蹤了基波電壓的相位變化，獲得了準(zhǔn)確的電網(wǎng)相位[5]。

圖2 變頻諧振PLL 效果

3.3 工藝特性實(shí)現(xiàn)技術(shù)

電鏟作業(yè)具備特殊的工藝要求，電鏟工藝特性的實(shí)現(xiàn)對電鏟正常作業(yè)起重要作用。

為實(shí)現(xiàn)電鏟作業(yè)的工藝要求，優(yōu)化挖掘作業(yè)軟件，提高作業(yè)效率，工藝控制上采取了以下相應(yīng)措施，來實(shí)現(xiàn)多傳動機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)控制，減緩了傳動機(jī)構(gòu)的沖擊和振動。

3.3.1 自適應(yīng)“提-挖-轉(zhuǎn)”軟件

為了達(dá)成多傳動機(jī)構(gòu)三自由度的協(xié)調(diào)控制，建立提升轉(zhuǎn)矩與推壓、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩之間的控制模型，實(shí)現(xiàn)提升轉(zhuǎn)矩與推壓轉(zhuǎn)矩最佳配合，在挖掘作業(yè)中，推壓轉(zhuǎn)矩的限幅值是提升轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，既保證了鏟斗在挖掘根部物料時防止起重臂頂起，又可保證在挖掘物料時推壓機(jī)構(gòu)具有足夠的力矩，提高滿斗率。回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩根據(jù)提升和推壓轉(zhuǎn)矩，通過限幅避免挖掘時大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)，防止起重臂受到過大的側(cè)向力扭力而損壞。

3.3.2 柔性傳動控制

在齒輪減速傳動的結(jié)構(gòu)中，針對受減速器齒隙的影響，避免因齒隙造成的啟動和反向機(jī)械沖擊，可在轉(zhuǎn)矩環(huán)給定前加入斜坡和圓弧，并設(shè)置S 形啟停曲線，使傳動給定斜坡的起始和終結(jié)部分是圓角，即要求加速度的變化率受到限制，使啟動過程舒緩穩(wěn)定，避免振蕩和沖擊。加速段速度逐漸增加，避免沖擊，減速段則有利于迅速準(zhǔn)確停車，滿足動態(tài)穩(wěn)定和可靠性要求，防止加/減速過大導(dǎo)致的沖擊振動、應(yīng)力突變、機(jī)架變形等一系列問題。在提升和推壓鋼纜傳動機(jī)構(gòu)中，鋼纜松弛時劇烈伸縮，帶來沖擊抖動，甚至脫離卷筒，一方面設(shè)置鋼纜預(yù)緊力控制，轉(zhuǎn)矩給定加偏置和S 曲線斜坡，啟動過程舒緩穩(wěn)定，另一方面，為克服提升轉(zhuǎn)速超調(diào)引起鋼纜抖動振蕩，在轉(zhuǎn)速環(huán)疊加微分負(fù)反饋，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)，提高抗擾性能，同時，為防止微分環(huán)節(jié)引入的干擾，在微分環(huán)節(jié)作了低通濾波處理。系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)設(shè)置了危險(xiǎn)速度段并跳躍，避開機(jī)械共振點(diǎn)。

3.3.3 自動設(shè)定轉(zhuǎn)矩給定控制方式

對于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大慣量旋轉(zhuǎn)負(fù)載的特點(diǎn)，作業(yè)循環(huán)期間基本處于啟制動的過渡過程，為啟制動平穩(wěn)、機(jī)械沖擊小，采用具有速度限幅的轉(zhuǎn)矩給定控制方式。并且，在回轉(zhuǎn)控制中設(shè)置給定故保護(hù)能，給定故障時，主令產(chǎn)生最大制動轉(zhuǎn)矩，使系統(tǒng)迅速制動，避免故障時大慣量系統(tǒng)無法迅速停車，導(dǎo)致碰壞大臂的事故發(fā)生。推壓、提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)采用速度閉環(huán)控制，為提高挖掘時的切削力，推壓電機(jī)在寬速度范圍內(nèi)均能輸出最大轉(zhuǎn)矩，采用恒轉(zhuǎn)矩控制，提升了工作效率和作業(yè)質(zhì)量。提升電機(jī)采用了寬范圍的弱磁升速，應(yīng)用于鏟空斗下放，此時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小，恒功率或降功率升速提高了作業(yè)效率。

4 結(jié)束語

新型變頻驅(qū)動系統(tǒng)是基于有源前端整流的共直流母線多電機(jī)傳動方式，是目前交流傳動的主流，通過有源前端整流，從而將制動和位能電量反饋到電網(wǎng)，具有較高的功率因數(shù)，并可依據(jù)礦山電網(wǎng)的需求情況調(diào)整控制目標(biāo)，對電網(wǎng)諧波污染小，同時公用直流母線電壓可保持恒定，與電網(wǎng)電壓的波動幾乎無關(guān)，允許電網(wǎng)波動范圍寬，保證逆變裝置不受電網(wǎng)劇烈波動的影響而產(chǎn)生過流和過壓損壞，保證了逆變器與變頻電機(jī)的最佳匹配利用，對礦山電網(wǎng)具有完全的適應(yīng)性。因此，改善礦用電鏟提升系統(tǒng)的性能指標(biāo)，提高電鏟的運(yùn)行效率，從而更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效，使礦山開采成本下降，對礦山開采等行業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。