395BI 電鏟開斗電氣系統國產化替代改造

項 偉

（國家能源集團準能集團有限責任公司 設備維修中心，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

國家能源集團準能集團有限責任公司黑岱溝露天煤礦，核定生產能力為34 Mt/a，為我國單坑產量最大的露天煤礦之一[1]。395BI 電鏟作為黑岱溝露天煤礦巖石剝離設備，服役已近30 年，電氣變頻控制系統經過了一輪升級改造，所采用的開斗電氣系統為直流控制系統，目前開斗機構電氣控制系統進口配件已經停產，如果損壞則需單獨定制，而且價格昂貴，供貨期長，對剝離生產影響很大。對395BI 電鏟電氣系統原理及開斗機構工作原理進行分析，對開斗電氣系統進行整體改造，采用國產配件替代進口產品，使電氣老化和配件不足的影響降低，滿足生產需要。

1 黑岱溝露天煤礦采掘設備

黑岱溝露天煤礦煤巖采掘剝離所選用的大型設備屬于當今露天采礦業中最先進的采礦設備，主要采掘設備有美國BE 公司生產的8750-60 型吊斗鏟1 臺、395BI 型電鏟6 臺、美國P&H 公司生產的2800XPB 電鏟1 臺、太原重工生產的WK-20 電鏟1臺、WK-35 電鏟3 臺、WK-55 型電鏟5 臺。

2 395BI 電鏟電氣原理

1）電鏟結構。395BI 電鏟是我國20 世紀90 年代引進的，由美國BE 公司設計制造的32 m3級電鏟，電鏟電氣部分由高壓柜、主變壓器、輔助變壓器、不間斷電源電機、提升電機、回轉電機、推壓電機、行走電機、開斗電機、各部電機通風機、各部變頻控制器以及潤滑系統組成。

2）變頻系統構成。395BI 電鏟的變頻部分采用西門子的SIMADYN-D[2]系統，控制系統采用PLC 系統，整流器功率元件采用晶閘管；工作時由外部提供6 000 V 交流電，經高壓柜和變壓器轉為660 V 交流電，調速系統采用可控硅整流回饋單元、公共直流母線，逆變部分功率元件均采用GTO。由于GTO 采購困難，購買價格高昂，2007 年美國比塞洛斯公司對395BI 電鏟的逆變器部分進行了改造升級，將功率元件由GTO 模塊升級為IGBT[3]模塊，加裝了光電轉換板，以及配套電源和光纜，調整了部分控制參數。該系統進線電源經三相橋式全控整流電路轉變成直流電，經電容濾波后送入公共直流母線[4]，然后經過逆變器轉換成交流電驅動提升、推壓、回轉和行走各部交流電動機完成挖掘巖石、裝車及行走等電鏟的各項功能。調速系統工作時通過控制器輸出信號控制逆變器不斷地改變輸出頻率來調整電機轉速，并通過大量的直流母線電容來調節母線電壓。當某工作機構處于再生制動工作時，逆變器將再生制動能量反饋到公共直流母線上，可供其他工作機構使用，使能量得到充分利用，使用不完的能量通過制動電阻消耗掉。

3）PLC 控制系統。395BI 電鏟的主控制部分采用PLC 控制技術。PLC 控制系統由1 個西門子S7-400做主站，14 個ET-200 做從站，采用Profibus-DP 通訊。如潤滑系統、氣壓系統、限位開關、行程開關，主令控制器的給定信號由各分站通過Profibus-DP 傳輸給PLC，PLC 通過模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、數字量輸入模塊DI、數字量輸出模塊DO 以及CPU 模塊、通訊模塊共同計算、傳輸、給定控制電鏟各部的動作，如啟停、制動器開閉、操作信號給定、潤滑周期設定、提升推壓位置信號檢測和鏟斗開門控制等。

4）國產化替代原因。由于395BI 電鏟已服役25年，且實行24 h 工作制，設備長期處于粉塵、高溫、震動的惡劣環境下，目前老化嚴重。2016 年、2018 年對2 臺395BI 電鏟進行了電氣系統整機國產化改造，除各部電動機及開斗系統外，其余動力系統、控制系統全部進行了國產化改造，項目完成后，電氣控制系統故障明顯降低，開斗電氣故障成了影響設備正常生產的關鍵點，但由于395BI 電鏟是進口設備，原機配置的開斗電氣系統配件大部分已經停產，采購時需要和國外廠家定制生產，不僅采購周期長達2 年，而且價格比停產前翻了10 余倍，造成設備經常停機待件，且維修成本大量增加，為了解決這種情況，分析395BI 電鏟開斗系統機械工作原理，制定了以交流控制系統+交流電動機執行的國產化替代方案，對2臺395BI 電鏟開斗電氣系統進行國產化改造。

3 395BI 電鏟采掘運行及開斗方式

1）電鏟采掘機械運動方式。395BI 電鏟的采掘方式采用的是正向采掘，采掘動作由提升機構、推壓機構、回轉機構、行走機構、潤滑系統，氣路系統和開斗系統共同協調完成。電鏟工作時氣路系統打開制動器，通過主令控制器先把提升鋼絲繩下放，同時推壓機構把鏟桿推向工作面，固定在鏟桿上的鏟斗在提升機構上提和推壓機構推出產生的推力作用下切入巖層，裝滿物料后，提升機構上提，然后通過回拉推壓鏟桿離開采掘工作面，鏟斗在回轉機構作用下轉至礦用卡車上方進行卸貨，卸貨完畢后重復上述動作進行第2 輪挖掘。

2）開斗系統機械運動方式。當395BI 電鏟處于啟機狀態時，斗門利用重力將斗栓插入斗下體銷孔內，使鏟斗底部封閉，開斗系統中的開斗電機輸出一個較小的轉矩反卷開斗鋼絲繩，使開斗鋼絲繩處于拉緊而不至于拽動開斗橫梁的狀態。需要卸料時，通過主令控制器給出開斗指令，開斗電機工作，卷拉鋼絲繩，鋼絲繩經過開斗定滑輪，開斗動滑輪，拽拉開斗橫梁，通過杠桿原理，提起斗栓，把物料傾瀉至卡車箱斗，在工作中，開斗系統時刻處于工作狀態，提供適當的拉緊力矩和開斗力矩。

4 395BI 電鏟開斗系統

4.1 開斗系統組件

1）電氣系統構成。MCC 供電電源、開斗變壓器、開斗整流器、開斗電阻、開斗接觸器、開斗直流電機、主令控制器和PLC 組件等構成。

2）機械系統構成[5]。開斗減速箱，開斗定滑輪，開斗動滑輪，開斗鋼絲繩、C 型鐵、開斗橫梁、斗栓、斗栓插孔。

3）電源部分。395BI 電鏟開斗系統的供電電源由輔助變壓器提供，將交流400 V 外部電源供電接入MCC 柜，供給輔助電源總斷路器，斷路器下端接入開斗斷路器DTB 和交流接觸器DXC，DXC 輸出段引入開斗變壓器DTT，開斗變壓器將交流400 V 變為交流190 V，190 V 交流輸入全波整流電路，全波整流電路輸出直流240 V，供給開斗電動機使用。

4）開斗電動機。395BI 電鏟開斗電動機采用直流積復勵電動機，勵磁繞組由串勵繞組和并勵繞組構成，兩者產生的磁場是同向增強的，在額定運行時，并勵磁場占30%，串勵磁場占70%，負載輕時電樞電流較小，磁場主要由并勵繞組產生，磁場較弱，因此同樣的電樞電壓，電機轉速比較高，輸出轉矩較小；而在重載情況下，電樞電流較大，串勵繞組產生的磁場加強，并勵繞組產生的磁場不變，輸出轉矩加大，因此，積復勵電機融合了串勵電機低速時啟動轉矩大，輕載時高速運行的特點，又避免了輕載高速飛車的可能，以上特性符合自卷鋼絲繩和開斗卸貨的需求。

5）開斗電阻。395BI 開斗電阻由3 組6 個電阻構成，第1 組由RE10-1 和RE10-2 構成，R1為14.625 Ω；第2 組由RE10-2、RE10-3、RE10-4、RE10-5 構成，R2為37.688 Ω；第3 組由RE10-5、RE10-6 組成，R3為0.688 Ω。395BI 電鏟啟動時，開斗系統串入電阻，開斗電動機自卷，拉緊開斗鋼絲繩，司機操作主令控制器給定開斗信號時，切除部分開斗電阻，電流增加，磁場增強，開斗電動機大扭矩拉動開斗鋼絲繩，完成開斗動作。

6）PLC 邏輯控制。395BI 電鏟啟動時，PLC 給出指令，使DXC 接觸器吸合，DXC 主回路供電給開斗變壓器DTT，開斗變壓器DTT 變壓后輸出交流190 V，供給全波整流電路，全波整流電路輸出直流240 V供給開斗電機，開斗電機自卷，張緊開斗鋼絲繩，卸貨裝車時由司機操作主令控制器，主令控制器給出信號傳送至PLC 輸入模塊，輸出模塊輸出信號到開斗接觸器，接觸器吸合，開斗電動機拉動開斗鋼絲繩拖動開斗橫梁，撬動斗栓使斗門打開。

4.2 開斗電氣系統故障

開斗電氣故障主要表現為電動機不工作、開斗不自卷、自卷但給主令無動作。故障原因包括碳刷異常磨損、刷架變形、刷辮短路、斷路、接地；換向器整流子磨損、不同軸；電動機轉子升高片開焊；電動機轉子接地、匝間短路；電動機轉子接地、匝間短路；開斗電阻因長期大電流，導致電阻片熔斷[6]；開斗接觸器損壞；主令控制器損壞；開斗斷路器損壞；全波整流電路故障等。

5 395BI 電鏟開斗系統改造方案

5.1 電動機國產化替代

電鏟開斗系統，在設備啟動時，開斗電動機小力矩自卷拉動開斗鋼絲繩，使開斗鋼絲繩繃緊；開斗時開斗電動機大力矩拉動開斗鋼絲繩，使開斗鋼絲繩帶動開斗橫梁、開斗方銷打開電鏟斗門。繞線式異步電動機的工作原理就是改變轉子繞組的電阻，以改變異步電動機的轉差率，從而改變電動機的轉矩[7]。定子直接接在三相交流電源上，而轉子繞組一般串聯上一定阻值的可變電阻上。當電機啟動時，可變電阻的阻值為最大值，啟動電流小，力矩小；在啟動完成后，通過調節該阻值，可變電阻的阻值為最小值，啟動電流大，力矩大。繞線型異步電動機具有啟動性能好、啟動轉矩高，啟動電流小的優點，依據繞線式異步電動機的特性選用：永濟電氣有限公司生產的KDDJ-4-15 型，11 kW 三相380 V 交流繞線式異步電動機帶動減速機構進行開斗動作。開斗電動機的安裝位置與原來395BI 開斗電動機安裝位置一致。

5.2 開斗電阻國產化替代

繞線式異步電動機需要轉子串電阻使用，配套電機功率選用永濟電氣有限公司生產的KZZ01 型開斗電阻箱[8]：啟動自卷時轉子串入大電阻，使用小力矩9 N·m，繃繩力矩過小可以調整為10 N·m 或者12 N·m；電機開斗時轉子串入小電阻，使用大力矩230 N·m，斗門不容易打開時，可以調整為251、273、295 N·m。由于395BI 電鏟機械室空間限制，開斗電阻箱安裝于395BI 電鏟機棚頂，靠近左前照明探照燈處。

5.3 主電路改造

為了配合繞線式電動機的工作，需要對主回路進行重新設計、配置：在開斗斷路器DTB 下端接入接觸器DXC、接觸器DTC 上端。DXC 自卷接觸器下端布入1 根3×10 mm2的電纜，接入KZZ01 開斗電阻箱，接入電阻箱7、8、9 端子，繃繩轉矩為9 N·m；輸出端布入1 根3×10 mm2的電纜串入開斗電動機的轉子回路。DTC 開斗接觸器下端布入1 根3×10 mm2的電纜，接入KZZ01 開斗電阻箱，接入電阻箱19、20、21 端子，開斗轉矩為230 N·m，開斗電阻為3.3 Ω，輸出端布入1 根3×10 mm2的電纜接入開斗電動機。

電鏟啟動后，開斗電動機接觸器DXC 吸合，開斗電動機轉子接入電阻60 Ω（R053，S053，T053）拉緊開斗鋼絲繩，電機產生較小的力矩使開斗鋼絲繩繃緊又不至于拉動開斗橫梁。司機操作主令控制器給定開斗信號時，DTC 接觸器吸合，將部分電阻短接，開斗電動機轉子接入3.3 Ω 電阻（R054-4、S054-4、T054-4），大力矩拉動開斗鋼絲繩，拉動開斗橫梁，提起斗栓使斗門打開。司機釋放主令控制器給定信號，開斗電動機DTC 接觸器斷開，開斗電動機轉子重新接入60 Ω（R053，S053，T053）電阻，使開斗電動機拉動開斗鋼絲繩重新自卷。

395BI 電鏟原控制系統只有斷路器DTB 可以使用，因MCC 柜空間限制，在MCC 柜側方機棚壁板上重新固定安裝1 個小的配電箱，新選裝的DXC 接觸器、DTC 接觸器、熱過載繼電器安裝在內。

5.4 395BI 開斗機構控制電路改造

395BI 開斗電氣控制系統中主令控制器和PLC組件、PLC 程序邏輯與太重WK 系列電鏟開斗電氣控制系統原理一樣，所以主令控制器與PLC 組件、PLC 程序不需要改動。因為PLC 的輸出是交流110 V 電源，現有接觸器線圈是交流220 V 無法直接使用，應用中間繼電器的特性，用PLC 控制中間繼電器，中間繼電器的常開常閉觸點外接入220 V 交流電壓控制開斗控制系統接觸器的吸合斷開。395BI開斗系統機械方面只需要更換與開斗電動機配套的開斗卷筒，通過聯軸器與開斗電動機硬連接。

6 經濟效益

2020 年初對黑岱溝露天煤礦5#395BI、6#395B 電鏟直流開斗系統進行了改造，施工工期5 d，改造完成后至2020 年11 月，電鏟未發生開斗系統電氣故障，出動率大為提高，開斗鋼絲繩使用壽命由原來的10 d/根延長到20 d/根，年節約成本6 萬元，開斗電機后期更換成本由原來的21 萬元降至6 萬元，使用壽命從1 臺/年延長為1 臺/5 年，而且國產配件采購周期僅為3 個月，僅此1 項2 臺電鏟每年節約成本約40 萬元。

7 結語

395BI 型電鏟作為黑岱溝露天煤礦剝離主采設備之一，雖然服役年限較長，但通過不斷的技術改造、升級優化，仍然可以發揮較高的效能。通過本次2 臺電鏟開斗電氣驅動部分由直流改為交流，極大地減少了電氣故障的發生率，同時消除了進口配件的制約，對老舊進口設備國產化替代改造意義重大。