露天煤礦主采設備科技創新發展方式的探索

喬碩QIAO Shuo；栗飛LI Fei

（國家能源準能集團公司，鄂爾多斯 010300）

0 引言

科技創新在國家全面發展中占有非常重要的地位，通過科技創新助推煤炭安全生產，科技創新可以被分成三種類型：知識創新、技術創新和現代科技引領的管理創新。當前，科技創新能力是國家實力的體現，通過科技創新增強經濟社會發展的內生動力，創造出更多的自主知識產權，通過科技創新進一步提升和改善生產力。只有科技強才能產業強、經濟強，科技創新能力是國家經濟社會發展的方向標，是創新型國家建設的助推劑。

1 主采設備運行現狀

國能準能集團公司黑岱溝露天煤礦及哈爾烏素露天煤礦都是國內大型的露天煤礦，現單礦年生產能力均達3000 多萬噸，開采工藝包括單斗—卡車間斷工藝系統和吊斗鏟倒堆工藝系統，兩個露天煤礦擁有WK-55 電鏟7臺，這7 臺WK-55 電鏟截止目前已經使用均超過37551h，電氣系統老化、系統不穩定、故障頻繁，減速機及驅動滾筒由于運行時間較長出現機械故障逐年擴大，從齒輪損壞到減速箱箱體開始變形甚至產生裂紋的現象普遍存在，減速箱滲漏嚴重，故障率極高，已經嚴重影響生產作業。在這種背景下，急需對WK-55 電鏟變頻傳動系統及無齒提升裝置進行技術創新[1]。

2 主采設備技術創新的意義

2.1 提升電氣裝置運行的可靠性

WK-55 電鏟原鏟設計的提升系統是通過變頻電機驅動減速機，產生的動力帶動驅動滾筒，從而驅動鋼絲繩進行卷揚作業，提升電機的額定功率為1112kW；提升電機的峰值功率為1390kW；轉動比：50.86；提升速度：0.84M/S。WK-55 電鏟原鏟的電控系統使用的是西門子6SE70 系統，由于該系統柜體的結構設計因素，使柜體無論在避震效果上還是柜體強硬度上都有很大弊端，在很大程度上會影響到電氣系統的工作穩定性，導致電氣故障頻繁發生，而且故障原因查找難度較大，發生多起由于震動造成的電氣短路，從而引發電鏟提升、回轉失控等故障。同時，西門子6SE70 系統的核心配件陸續停產，由于技術落后功率因數及技術達不到現代化作業需求，操作系統存在一定安全隱患，導致機械系統設備維修維護頻發。鑒于目前黑岱溝露天煤礦在用的吊斗鏟提升、回拉系統均采用無齒輪傳動系統，具有振動小、故障率低的性能優勢，決定采用新型多傳動變頻系統及無齒提升裝置來替代WK-55 電鏟原系統，旨在消除原鏟提升齒輪箱內部的振動，從而提升設備運行的可靠性、穩定性，降低故障率[2]。

2.2 降低電氣系統維護成本

電氣系統故障率逐年增高，電氣系統維護成本大約需要120 萬元左右，提升減速機的配件壽命周期4 年，更換一套提升減速箱配件大約需350 萬元，而且在更換周期內會經常出現非正常的損壞現象，該部分維修費用大約需80 萬元，單臺設備年維修費用大約需要287.5 萬元，成本浪費的同時也導致設備出動率逐年下降，從初期使用時出動率在92%以上到現在的平均出動率在76.5%，同時設備安全隱患隨之上升，比如近兩年出現的提升、回轉失控，均由于電控系統和提升系統的不穩定性造成。

2.3 實現電機系統節能減排

近年來，節能減排成為機械制造行業發展的主題，也對今后礦用設備的使用提出了更高的要求，就變頻器的電機系統而言，其節電率要達到40%以上，經過改造的礦用設備可以有效促進礦山資源的合理開發及其再利用。近幾年來，隨著永磁體材料成本不斷下降和永磁技術不斷成熟應用，越來越多煤礦企業開始關注和使用永磁直驅系統，來緩解或解決企業的節能減排總要求[3]。

電鏟屬于礦山機械一種，目前仍采用由高速異步電機+減速器的二級調速系統，具有典型性[4]。電鏟提升系統永磁直驅化改造就是將原來的高速異步電機-減速器的二級調速系統改變為由永磁低速電機驅動的直驅系統，并依據電鏟對提升系統的特殊需求進行量身定制，充分發揮永磁直驅的高效、高功率因數、低振動、免維護的優勢，從而提升礦用電鏟的綜合性能。

2.4 優化庫房配件存儲結構

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

3 探討科技創新成果的實施方案

3.1 變頻驅動系統拓撲

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

圖1 變頻驅動系統拓撲

變頻驅動系統采用國產水冷礦用變頻器設備，遵循標準化、模塊化設計思路，各整流、逆變基本功率組件結構上一致，具備互換性，通過燒寫不同的程序參數和簡單的配置實現復用，以減少備件種類。整個系統元器件拆裝方便，便于維護。整流部分由多個AFE 整流回饋裝置總從并聯，實現交流供電電源與公共直流母線之間的雙向AC/DC 變換；各逆變驅動裝置直流環節與公共直流母線連接，實現各自執行電動機的四象限控制，從而實現電鏟提升、推壓、回轉、行走等動作的控制。

其中，提升機構包含兩臺電動機，分別由兩臺逆變器驅動，采用主從控制技術，保障兩臺提升電動機的平衡，即一臺提升逆變器作為主設備，采用轉速閉環控制模式；另一臺提升逆變器作為從設備，采用轉矩控制模式，轉矩目標為主提升電動機實時轉矩。

推壓機構包括一臺執行電動機，由一臺推壓逆變器驅動，采用轉速閉環控制模式。

回轉機構由3 臺通過齒輪耦合的電動機驅動，采用回轉逆變器驅動。回轉控制采用具有速度限幅的轉矩控制方式，即主令是通過轉矩來給定的，主令給定的數值決定了電動機輸出轉矩的大小和啟制動的快慢。

兩臺行走電機的工作方式為獨立驅動：右行走電機與提升電機共同使用一個逆變器，即H1/P1；左行走電機與推壓電機共同使用一個逆變器，即C/P2。作業人員可通過設在操作臺上的挖掘/行走工況選擇開關進行工況選擇，提升/行走電動機間的切換通過切換柜中的交流接觸器完成。

3.2 非理想電網鎖相技術

在不平衡、非線性、諧波畸變、頻率波動的非理想電網條件下，傳統閉環鎖相環（PLL）中的PI 調節器無法對諧波實現無靜差的調節，從而無法準確跟蹤電網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，根據內模的構造原理，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，而反饋回路必須包含一個與輸入信號相同的模型，則需要在控制系統中引入同頻率正弦信號的s 域模型即諧振環節。

圖2 為傳統PLL 與諧振調節PLL 對基頻且含有諧波的電壓相位跟蹤效果仿真，可以看出傳統鎖相環輸出的角度有明顯抖動現象，而變頻諧振鎖相環輸出的角度已經基本消除因諧波引起的抖動現象，補償由于諧波引起的鎖相環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，獲得了準確的電網相位[5]。

圖2 變頻諧振PLL 效果

3.3 工藝特性實現技術

電鏟作業具備特殊的工藝要求，電鏟工藝特性的實現對電鏟正常作業起重要作用。

為實現電鏟作業的工藝要求，優化挖掘作業軟件，提高作業效率，工藝控制上采取了以下相應措施，來實現多傳動機構的協調控制，減緩了傳動機構的沖擊和振動。

3.3.1 自適應“提-挖-轉”軟件

為了達成多傳動機構三自由度的協調控制，建立提升轉矩與推壓、回轉轉矩之間的控制模型，實現提升轉矩與推壓轉矩最佳配合，在挖掘作業中，推壓轉矩的限幅值是提升轉矩的函數，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構具有足夠的力矩，提高滿斗率。回轉轉矩根據提升和推壓轉矩，通過限幅避免挖掘時大轉矩回轉，防止起重臂受到過大的側向力扭力而損壞。

3.3.2 柔性傳動控制

在齒輪減速傳動的結構中，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械沖擊，可在轉矩環給定前加入斜坡和圓弧，并設置S 形啟停曲線，使傳動給定斜坡的起始和終結部分是圓角，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確停車，滿足動態穩定和可靠性要求，防止加/減速過大導致的沖擊振動、應力突變、機架變形等一系列問題。在提升和推壓鋼纜傳動機構中，鋼纜松弛時劇烈伸縮，帶來沖擊抖動，甚至脫離卷筒，一方面設置鋼纜預緊力控制，轉矩給定加偏置和S 曲線斜坡，啟動過程舒緩穩定，另一方面，為克服提升轉速超調引起鋼纜抖動振蕩，在轉速環疊加微分負反饋，抑制轉速超調，提高抗擾性能，同時，為防止微分環節引入的干擾，在微分環節作了低通濾波處理。系統各機構設置了危險速度段并跳躍，避開機械共振點。

3.3.3 自動設定轉矩給定控制方式

對于回轉機構大慣量旋轉負載的特點，作業循環期間基本處于啟制動的過渡過程，為啟制動平穩、機械沖擊小，采用具有速度限幅的轉矩給定控制方式。并且，在回轉控制中設置給定故保護能，給定故障時，主令產生最大制動轉矩，使系統迅速制動，避免故障時大慣量系統無法迅速停車，導致碰壞大臂的事故發生。推壓、提升機構變頻電動機采用速度閉環控制，為提高挖掘時的切削力，推壓電機在寬速度范圍內均能輸出最大轉矩，采用恒轉矩控制，提升了工作效率和作業質量。提升電機采用了寬范圍的弱磁升速，應用于鏟空斗下放，此時，負載轉矩較小，恒功率或降功率升速提高了作業效率。

4 結束語

新型變頻驅動系統是基于有源前端整流的共直流母線多電機傳動方式，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，具有較高的功率因數，并可依據礦山電網的需求情況調整控制目標，對電網諧波污染小，同時公用直流母線電壓可保持恒定，與電網電壓的波動幾乎無關，允許電網波動范圍寬，保證逆變裝置不受電網劇烈波動的影響而產生過流和過壓損壞，保證了逆變器與變頻電機的最佳匹配利用，對礦山電網具有完全的適應性。因此，改善礦用電鏟提升系統的性能指標，提高電鏟的運行效率，從而更好地實現節能增效，使礦山開采成本下降，對礦山開采等行業的發展起著舉足輕重的作用。