矿用电铲电气传动系统对比与实用性分析

摘　要：电动单斗挖掘机（简称电铲）传动系统发展经历了机组直流调速系统、可控硅直流调速系统和变频调速系统三个阶段。通过对三个电气系统的介绍，就其各自的优缺点和在实际应用中存在的问题做简要分析，说明今后电铲传动系统的发展方向，为广大用户在电铲的升级改造和新设备的采购提供参考。

关键词：调速系统；交流变频；驱动原件

　　神华集团准格尔露天煤矿是一座建矿二十多年的国有大型露天开采煤矿，年产量超过3000万吨。这里拥有太原重机厂生产的WK-10B、WK-20、WK-35、WK-55等电铲（电动单斗挖掘机的简称），美国B-E生产的395B型、495HR型电铲和P&H公司的2800XP型等电铲。其中WK-10B型电铲是早期的F-D机组直流调速系统，2800XP电铲是逻辑无环流直流调速系统，WK-20、WK-35、WK-55、395B和495HR为交流变频调速系统。这里浓缩了我国近二十来电铲的使用和发展状况，通过这里对各类电铲的使用环境、设备电控原理和实际使用的中的效益介绍，让我们对这三类电控系统的优劣有一个较明确的认识。
一、准格尔露天煤矿采矿条件
1、气候条件
　　气候条件：年平均温度5.3～7.6℃，最高气温达39.4℃，最低气温为-34℃，属大陆性气候，冬季时间长且寒冷，夏季短且酷热，特别白天与夜间的温差较大，对电气设备运行的稳定性有很大的影响；年平均降水量为408mm，月平均降水量为247mm，气侯干燥，设备在露天条件下使用，各类粉尘大，春季风沙大，最大风速23m/s，要求电气系统具有很好的防尘装置。
2、地质条件

3、供电自然条件
　　采掘场外部露天煤矿变电所一座，有两台容量为50MVA ，三绕组变压器，电压为110/35/6kV。由该变电所至采掘场设两回35kV 架空线路(采掘场南、北侧各一回)，负担采掘场内电铲、钻机等设备的用电。
4、供电方式
　　电铲的接入电源采用3相，50 Hz±1 Hz，额定工作电压6000 V±10％。经尾部电缆卷筒经高压集电环接入高压控制柜。
　　要求设备在供电电压偏移±10%，瞬时电压波动-30％和频率偏差50Hz±1 Hz的条件下可以正常运行。在设备起动负荷、尖峰负荷、发电尖峰负荷时对供电系统35KV出口处电压的偏移影响不超过±10％ 。
5、工作制度和维修保养制度
　　工作制度：每天3班，每班8小时，原则是休人不休设备，提高设备的运用率。维修保养制度：每天点检，每运行250小时强制保养，以确保设备的零故能够及时发现并得开修理，防止大的机电事故障发生。
      通过以上资料可以看出，电铲的工作环境十分恶劣,野外作业,高温、严寒、较大的日温差、震动、粉尘、连续作业,特别是在爆破不好或采矿作业面过高的情况下，还存在挖根底作业和突然的大面积塌方，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，对电气传动系统要求：不但要能够克服恶劣的自然条件，还要在工作时电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;要求系统制动性能好，并能回收能量;要求系统运行可靠，维修方便等。只有达到这些要求，才能更好的实现设备的高效、低成本运行，企业才能取得良好的经济效益。
二、采用直流传动系统的WK-10型电铲
　　以太原重型机械集团有限公司上世纪90年代生产的WK-10型电铲为代表的F-D机组直流传动系统电铲，就是在今天，国内仍有着广泛的应用。WK-10B电铲动力部分为650KW的高压原动机一发电机一电动机组拖动,传统的调速系统是由模拟电路、继电器和晶闸管来实现的。提升机构选用了两台容量为330V直流电压时260千瓦带强迫通风机的直流电机;推压机构选用了一台容量为460V直流电压时175千瓦带强迫通风机的直流电机；回转机构也选用了两台容量为330V直流电压时130千瓦带强迫通风机的直流电机；行走机构为在330V直流电压时两台110千瓦带强迫通风机的直流电机。这些直流电动机的电源采用直流发电机组供电,由一台750千瓦高压异步电动机拖动容量分别为600千瓦、290千瓦、220千瓦的提升、回转、推压发电机。
      在工作的过程中,经常随机地遇到坚硬的石头或铲斗过满而过载,要求电枢电流不能超过电动机额定电流值,即要求电动机能自动限制堵转电流。堵转时无力,遇到大块无法铲起、拨动,或堵转电流失控,无法控制在设定值内,导致保护原件或是原动机发电机烧毁。当负载较轻时,异步电动机的转速基本不变,接近同步转速,当负载较大时,转速会下降,当负载超过最大转矩时,会出现垮转现象。这是直流发电机一电动机组系统无法克服的缺陷。因机组直流传动系统存在电能一机械能一电能转换,发电机到电动机之间能量转换很小,能量转换效率低,电能损耗大的缺陷。直流电机的碳刷等需要定期更换，加之大量的继电器的使用，使整个电气系统维护工作量大,维护工人工作环差，生产作业率低等缺点。神华准格尔黑岱沟露天煤矿在2011年因设备老化、故障率升高、维护成本增高、能耗大、原设计生产能力不能达到新扩产要求、将原有4台WK-10B电铲全部停用。但在内蒙的白云铁矿等其它矿山还有大量的应用，电气控制系统也部分进行了升级，采用了无触点控制。
三、采用直流调速系统的2800XP电铲
　　P&H公司上世纪九十年代生产的2800XP型电铲，在山西的平塑露天矿和准格尔露天矿都有使用。其中仅平塑露天矿就有13台之多，准格尔露天有1台。2800XP电铲电气驱动形式为逻辑无环流可控硅直流调速系统。可控硅直流调速系统相对传统的电动机发电机组,使系统效率提高15%。控制电路早期为继电器有触点、后继升级为PLC控制。2800XP电铲动力部分为外网6000V交流通过电铲下部高压滑环进入2000KVA主变压器和375KVA的辅助变压器。主变压器输出600V AV通过可控硅的全控桥供给提升、推压、回转和行走各部电机。辅助变压器通过全控桥向提升电机提供它励电源，通过半控桥向推压及回转电机提供它励电源。
　　2800XP电铲电气系统在准格尔黑岱沟露天矿十几年的实际使用中表现出了良好的性能。电气故障率相对同期投入使用的395B型电铲要低得多。体现在电铲电气系统对环境的适应性强，受环境变化影响较小，特别是在北方地区，日温差和年温差较大，设备老化后，温控系统和保温加热设备达不到原设计要求的情况下，表现出了较好的稳定性。通过十几年的使用，2800XP电铲电气系统故障频率并没有明显增加。2800XP电铲因采用继电器有触点控制系统，技术容易撑所 致，对维修人员素质相对交流变频调速系统要求低，故障点容易查找，故障检修时间较短。因配件通用性强，价格也相对较低。除了其直流电机平时维护量大、继电器更换相对较多等缺点不可避免，2800XP电铲的电气系统在实际应用中表现出了良好的经济效益。
四、采用交流变频调速的电铲
　　交流变频调速传动系统（即交流可变频率可变电压调速系统，简称变频调速VVVF)的电铲从神华准格尔黑岱沟露天煤矿上世纪90年代初开始引进美国b-e公司生产的295B型电铲、395B型电铲到2007年太原重型机械集团开始生产的WK-35电铲、WK-55电铲、美国b-e公司生产的495HR型电铲，也经历了较大的变化。早期的295B电铲和395B电铲采用的是西门子公司早期的交流变频调速系统，逆变部分主功率原件采用的是GTO，后来太原重型机械集团生产的WK-20、WK-35、WK-55系列电铲和美国b-e公司生产的495HR系列电铲都采用了西门子公司最新的交流变频调速系统，逆变部分主功率原件主功率原件都改为IGBT。
1、以GTO为主功率原件的395Ｂ型电铲
　　395B电铲操作和监控系统采用美国A-B 公司开发的PLC系统和西门子公司的S-D系统，整流部分采用可控硅，逆变部分主功率驱动原件为GTO。395B型电铲通过十几年的运行，逆变部分主功率原件ＧＴＯ老化，故障率居高不下，严重影响了设备的正常运行。在本着低投入、尽最大可能提升设备性能和使用寿命的前提下、黑岱沟矿和B-e公司合作，在2007年将主功率原件GTO升级为IGBT，更换部分电控板，并就部分控制参数做出了调整。通过升级改造，使395B型电铲的电气系统故障率明显下降，并解决了500A的GTO配件停产、配件只能定订单生产、价格居高不下的难题。但因为是后期改造，系统整体稳定性能不是太好，偶尔会出来IGBT爆炸现象。
　　395B电铲供电方式为三相高压交流电由电缆经集电环引入电铲1500kva主变压器，主变压器将6000v变为575v，经1950A整流器将交流变为直流，经滤波后送入公共直流母线。在直流母线上有4套容量为750kva的逆变器，其中2套并联供电给1台容量为1156kw的提升电动机;第三套逆变器供电两台容量各为258kw的回转电动机;第四套逆变器供电给容量为377kw推压电动机。（行走电动机与提升电动机使用同一供电逆变器，提升逆变器输出通过提升和行走转换控制器来实现提升电机和行走电机的供电转换，行走电机容量为962kw，提升电动机和行走电动机不可以同时供电。）
　　电铲工作时，通过控制器输出信号控制逆变器不断的改变输出频率来调整电机转速，并有大量的直流母线电容来调节母线电压。当某工作机构处于再生制动工作时，逆变器将再生制动能量反馈到公共直流母线上，可供其它工作机构使用，使能量得到充分利用。使用不完的制动能量，可以通过制动电阻消耗掉。
2、采用交流变频调速的495HR型和WK-55电铲
      WK-35电铲、WK-55电铲和495HR电铲都采用了西门子公司提供的交流变频调速系统，主要原理和工作方式基本相同，这里仅就495HR电铲的电控系统作一介绍，不在重复WK-55电铲电控系统。495HR电铲是当今世界上最先进的交流变频调速电铲之一，供电方式为三相6000V高压交流电由电铲尾部电缆经集电环引入电铲2台1200KVA主变压器。主变压器输出电流通过功率整流/ 再生部分向各部主驱动电机供电。495HR 电铲提升为1台1938.8kw的电动机;回转为2台376.6kw的电动机;推压为1台522kw的电动机;行走为2台522kw的电动机。功率整流/ 再生部分采用西门子公司的AFE（Active Front End）整流/回馈单元，AFE又 称前端有源技术，功率因数=1时有效改善外网质量，可运行在四象限，抑制谐波。给供电线路无功补偿，在再生发电时不需要另装一套整流系统。495HR采用了最先进的SIBAS控制系统和远程诊断系统，相比395B电铲的S-D和PLC的控制系统集成化程度更高，运行更稳定、更安全、更可靠。从结构上看，495HR电铲由于采用了IGBT 功率元件，所以它相当于一个逆变器，不同的是其输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。其主动的含义在于，与传统的二级管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。它不仅能消除高次谐波，提高功率因数，而且不受电网波动的影响，具有卓越的动态特性。
      495HR电铲2008年在神华准格尔哈尔乌素露天煤矿投入使用，其交流变频调系统表现出了较好的稳定性，至今故障率较低。但因为其电气配件全部依懒进口，控制系统的关键技术原设计厂方保密等，造成出现故障后，对维护人员技术素质要求高、配件价格高、供货周期长等缺点，严重影响了设备的出动率，增加了设备的使用成本。
总结
　　以WK-10型电铲为代表的直流传动系统，在实际使用中体现出整机的购买价格相对较低、设备在国内保有量高、配件价格便宜，对维护人员素质要求相对较低等优点。缺点为占用空间大、能耗利用率低、日常维护工作量大、噪声高、设备生产能力有限等。综合这些，很明显直流传动系统更适合用在在中小矿山广泛使用的小型电铲上。
      以2800XP电铲为代表的逻辑无环流直流调速系统的在实际使用中优点为设备保有量高、配件价格便宜，能耗利用率相对机组直流传动系统有所提升，环境适应性强，可靠性较高，维护人员素质要求相对交流变频调速系统较低。缺点为2800XP整机购买价格相对较高（主要来自机械部分）、电气系统相对交流变频调速系统能耗高，技术较落后，提倡节能环保养的今天，逻辑无环流直流调速系统并不能代表今后电控系统的发展方向。
      以495HR电铲为代表的交流变频调速系统和前两种直流调速电铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高(0.95以上)等优点，是公认的电铲电气传动系统的发展方向。但其缺点表现为整机购买价格较高，电气配件价格高、维护人员素质要求高、电气设备的工作环境温度变化范围小、对环境的适应性差，设备电气系统老化后故障高、难排除等。
      其实，变频调速技术在国内许多的大型电动拖动设备上都有较广泛的应用，如上海宝钢的扎钢设备、上海地铁及近几年新建成的水电站的水闸控制系统等。?根据变频调速技术发展的前景，我们应当加大在这方面的研究与开发，把握变频调速技术的发展方向，尽可能早的掌握其核心技术和拥有生产能力，尤其像IGBT这样的核心部件的生产和控制、诊断系统的完善，如果不走国 产化的道路，在不久的将来，再到原国外生产厂家去订货，即使价格的因素不考虑，厂家也再无法用早已淘汰的原产品生产得出来。不撑其技术，没有生产能力，不国产化我们就不得不依懒别人，就没有出路。
      综合以上三种电铲电气系统，我们可以看出以2800XP为代表的逻辑无环流直流调速系统能耗大是其难以克服的缺点，但就在矿山用电铲在实际使用各项对比中的优异表现，证明其更符合使用者的利益。而以495HR电铲的为代表的西门子交流变频调速系统虽然是今后电控系统的发展方向，但面对要求有优良的电气传动系统和较低的故障率和较低使用成本的矿山企业，无论硬件的性能的提升和控制系统的整体完善上，还有技术的公开及配件价格降低等，都有很长的路要走。国内在这方面开发和维护人员短缺，也是一个急需解决的问题。
   　　
参考文献：
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