大型礦用挖掘機國產(chǎn)化電氣系統(tǒng)優(yōu)化設計

閆志軍，槐博超，閔 杰

應用研究

大型礦用挖掘機國產(chǎn)化電氣系統(tǒng)優(yōu)化設計

閆志軍1，槐博超2，閔 杰2

（1. 國能準能集團設備維修中心，鄂爾多斯市 010300；2. 武漢長海高新技術有限公司，武漢 430000）

大型機械正鏟式電動挖掘機（俗稱“電鏟”）作為大型露天礦主要剝離和采裝設備，關乎露天礦山生產(chǎn)效益和人員設備安全，其電氣系統(tǒng)及其核心設備長期被國外廠商壟斷，且多為進口通用工業(yè)設備的簡單集成，存在固有的系統(tǒng)設計缺陷和適應性問題以及后續(xù)使用中的諸多問題等。本文基于神華準能集團露天礦電鏟電氣系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造成功經(jīng)驗，闡述了國產(chǎn)電氣系統(tǒng)的設計及改進思路，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

0 引言

隨著我國進入新時代中國特色社會主義發(fā)展階段，節(jié)能環(huán)保和重大技術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，在整個節(jié)能環(huán)保和重大技術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。大型機械正鏟式電動挖掘機（俗稱“電鏟”）作為露天礦山主要剝離和采裝設備，是大型露天礦山開采成套設備中的關鍵龍頭設備，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)濟效益和安全。

目前，大型電鏟整機主要生產(chǎn)企業(yè)有美國CAT/BE、P&H公司、中國太重等。含變頻驅動系統(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、配電、監(jiān)控等，具備系統(tǒng)復雜、工況多變、工作環(huán)境惡劣、振動和粉塵大、系統(tǒng)可靠性要求高等顯著特點，很大程度上決定電鏟的性能和作業(yè)率。電鏟屬于細分領域的重大技術設備，由于歷史原因，電氣系統(tǒng)及其核心設備絕大多數(shù)采用為數(shù)不多的幾家進口品牌產(chǎn)品，甚至是基于通用工業(yè)產(chǎn)品的簡單集成，在系統(tǒng)設計、電網(wǎng)和環(huán)境適應性、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)和設備使用年限的增加，電氣故障愈發(fā)頻繁，備件供應和服務不盡人意，成為露天礦山生產(chǎn)的痛點之一。

為了解決電鏟電氣系統(tǒng)及其核心設備上述問題，神華準能集團聯(lián)合國內(nèi)科研院所通過幾年的技術攻關，掌握了大型電鏟國產(chǎn)電氣系統(tǒng)及其核心設備的設計、制造能力，積累了豐富的經(jīng)驗，截止至發(fā)稿時間，已實現(xiàn)3臺32m3以上電鏟電氣系統(tǒng)國產(chǎn)化升級改造并投入實際生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)組成

從電氣傳動方式角度，電鏟經(jīng)歷了從發(fā)電機（G）—電動機（M）機組的調(diào)速系統(tǒng)、可控硅-直流電機調(diào)速系統(tǒng)、帶回饋功能的GTO交流調(diào)速系統(tǒng)到基于IGBT器件和主動前端（AFE）技術的交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展歷程。進入21世紀以來，基于GBT器件和主動前端（AFE）技術的共直流母線多傳動技術成為行業(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)、變頻驅動裝置、整鏟控制子系統(tǒng)、輔助電氣子系統(tǒng)四個組成部分。

圖1 某型電鏟電氣系統(tǒng)

配電子系統(tǒng)包括高壓開關柜、主變壓器、輔助變壓器等設備，實現(xiàn)主輔電源的變換、配電和保護。礦山3AC6.3k V電網(wǎng)，經(jīng)車下高壓集電環(huán)接入高壓開關柜；高壓開關柜設有兩個三工位主隔離開關、真空接觸器、高壓熔斷器、監(jiān)測保護裝置、壓敏電阻、避雷器、過壓保護裝置、壓互流互及微機保護裝置等，具備隔離、過電流、缺相、接地保護、過電壓吸收、帶電指示等功能。主變壓器為3相多繞組結構，分別為變頻器的多組整流裝置供電；設置預充磁用輔助繞組（低壓），采用輔助變壓器電源經(jīng)限流電阻為主變壓器預充磁和變頻器直流環(huán)節(jié)電容預充電。

變頻驅動裝置為一體式AFE整流+多傳動四象限變流裝置，包括AFE整流回饋裝置、各執(zhí)行電動機逆變驅動、斬波制動裝置、控制單元等主要部分，用于礦用電鏟提升、回轉、推壓、行走等執(zhí)行電動機的驅動和調(diào)速，具備AFE整流和有源逆變、共直流母線、多傳動等特點。

控制子系統(tǒng)由人機界面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網(wǎng)絡拓撲結構。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接口與司機聯(lián)動臺、人機界面HMI、高壓開關柜、輔助MCC柜、AFE整流柜、各逆變驅動柜、輔助設備等相連，實現(xiàn)整鏟的協(xié)調(diào)控制和狀態(tài)監(jiān)測。

輔助子系統(tǒng)包括電機控制中心（MCC）、照明配電箱、輔助配電箱等設備，實現(xiàn)電鏟各部位的通風機、加熱器、潤滑、氣閥等輔助設備供電、控制、保護，設置相序保護裝置、微機保護裝置等，具備過電流、缺相、相序、接地保護等功能。

2 系統(tǒng)優(yōu)化

2.1 礦山電網(wǎng)適應性設計[3]

針對礦山電網(wǎng)許用容量小、沖擊載荷大、諧波設備多、負荷率變化大、電壓波動范圍寬（-30%～+30%）的特點，從電鏟變頻驅動裝置主電壓等級選取和動態(tài)無功補償兩個角度，提高電鏟電網(wǎng)適應性。

1）受IGBT器件本身電壓耐受等級影響，按標準電壓設計的普通工業(yè)變頻設備無法適應礦山電網(wǎng)的寬電壓波動范圍，極易發(fā)生欠壓和過壓保護。為此，通過合理確定主變壓器變比和非標電動機設計，適當降低變頻驅動裝置額定電壓等級，實現(xiàn)基于標準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，將變頻器和SVG裝置功能合二為一，利用儲能電感與IGBT（內(nèi)置反向二極管）組成的整流電路提高負載側的電壓，使LCL濾波元件二次側的電壓高于網(wǎng)側電壓，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、儲能功能，采用帶無功補償功能的PWM整流算法，在能量和電壓控制目標的基礎上，根據(jù)礦山電網(wǎng)瞬態(tài)電壓升和電壓降實時調(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。

2.2 多支路共直流母線冗余拓撲[4]

變頻驅動裝置共直流母線模塊化設計，根據(jù)系統(tǒng)短路計算仿真和試驗結果，在直流環(huán)節(jié)設置熔斷器，實現(xiàn)支路級分級保護，機械短路極端情況下，可實現(xiàn)故障支路熔斷器動作，其他支路熔斷器不動作、系統(tǒng)不失電不停機。

AFE整流裝置多組件并聯(lián)，與主變壓器二次繞組一一對應，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，控制相對獨立，可實現(xiàn)動態(tài)變結構，當部分支路發(fā)生故障時，可從控制拓撲中及時切除該支路，系統(tǒng)進入帶故障降額工況，可大大提高系統(tǒng)工作可靠性和設備安全性。

2.3 高安全性機構傳動

1）安全鏈設計，通過系統(tǒng)分析確定提升、推壓、回轉、行走各工作機構的安全影響因素，將各AFE整流單元、逆變驅動單元的運行狀態(tài)經(jīng)繼電器式開關量輸出觸點與上位PLC控制的安全繼電器觸點和司機手動急停按鈕組成的繼電串并電路用于控制各機構機械制動機構，實現(xiàn)“非正常即制動”的故障導向安全機制。

2）特殊開發(fā)的逆變驅動單元，可實現(xiàn)各傳動支路發(fā)生非逆變器自身異常時，轉速閉環(huán)-轉速開環(huán)、正常控制-直流制動的在線切換，最大程度避免工作機構失控[5]。

2.4 智能化設計

1）在傳動電鏟電氣系統(tǒng)的基礎上設置了多端口數(shù)據(jù)終端，可實現(xiàn)司機指令、設備狀態(tài)參數(shù)的實施監(jiān)控、故障和數(shù)據(jù)記錄，并預留“智慧礦山”無線接口，為“無人化、遠程化”和“電鏟挖掘特性優(yōu)化”提供必要的技術支撐。

2）基于電鏟操作和維修人員的實際經(jīng)驗，上位軟件系統(tǒng)實現(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 結束語

大型電鏟國產(chǎn)電氣傳動系統(tǒng)研制，采用了國產(chǎn)核心設備，可拓展到不同功率等級的電鏟應用，形成具有完全自主知識產(chǎn)權的系列化產(chǎn)品，一方面，打破國外技術壟斷，推動國內(nèi)民族裝備工業(yè)包括相關系統(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，減少運營成本，提高作業(yè)率等方面提供關鍵產(chǎn)品的安全物料保障，具有廣闊的應用前景。

下一步研究建議：1）新型電機及傳動系統(tǒng)無齒化少齒化研究；2）多傳動四象限變頻驅動系統(tǒng)電氣解耦研究；3）多傳動四象限變頻驅動系統(tǒng)直流環(huán)節(jié)快速保護及生存能力提升研究。

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

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

[3] 395B電鏟變頻驅動系統(tǒng)國產(chǎn)化研發(fā)研究報告[R]. 中國神華準格爾能源有限公司, 2019.

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

[5] 張巴圖. 大功率異步電機間接矢量控制策略研究[J].船電技術, 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，高級工程師。研究方向：礦山機電。E-mail: zhijun.yan.c@chnenergy.com.cn