一、設備描述

電鏟是露天礦上用來剝離和采掘礦石、煤炭的主要采礦設備，一般與電動輪配套使用。國內外露天礦技術發展總的趨勢是開采規模大型化、生產連續化、裝備現代化，采礦技術正向自動化發展，應用高效、節能的礦山開采和運輸設備，是實現礦山可持續發展的有效保證。采用現代先進開采技術與工藝，實行高度集中化開采，可使露天開采成本大幅度下降，勞動生產率大幅度提高。

我國中小型電鏟（4～20立方）目前采用的電氣系統主要以直流調速為主，其電控系統由交流電動機—直流發電機—直流電動機組成的。這種系統能耗高、體積大、噪聲大、并且缺乏對驅動端電機有效的保護，電氣系統老化很快、可靠性低、故障率高，很多礦山在夏天高溫時期整個電控屋內溫度較高，使電鏟經常發生電機燒毀的現象。交流變頻電鏟的出現，簡化了系統配置方案，大大降低了電機、電控系統的維護頻率，并提高系統的操控性能。

圖 1

二、 工藝要求

● 改造背景

鞍鋼集團某石灰石礦目前使用4臺WD400A直流電鏟，承擔著主要的剝離與采掘工作。由于直流電鏟本身存在的弊端，造成開機率不高影響生產任務，主要表現在以下幾點：

1、直流電鏟為上世紀70~80年代產品，電控系統大多采用磁放大器-晶閘管勵磁控制，驅動方式為高壓電動機-發電機-電動機。絕大多數控制元件為傳統的接觸器及繼電器，其故障點多，維護工作量大，費用較高。當發電機組損壞時，檢修周期長，嚴重影響生產的正常運行。

2、在電鏟生產過程中，直流電機頻繁啟動、負載多變、重復換向、沖擊強烈，需要定期對碳刷、換向器進行更換，而且遇到夏天高溫、爆破不充分礦石的時候容易發生燒毀電機的現象，維護起來非常麻煩而且費用高，同時也影響了生產任務。

3、直流電鏟能耗偏高，在等待裝車過程中需要使發電機組保持工作狀態，電能浪費嚴重。

4、直流電鏟驅動方式為高壓電動機-發電機-電動機，工作噪音大。

● 設備構造

WD400A電鏟的結構主要由下車系統（行走裝置）、上車系統（回轉裝置）、工作裝置、潤滑系統、供氣系統等組成，如圖2所示。下車系統是由履帶板、履帶框架、支重輪、前導輪、后導輪、驅動輪、車體、回轉齒圈、回轉滾圈、行走傳動機構等組成。下車系統承載著整機的工作重量，并用來完成電鏟的行走。上車系統是將物料由挖掘面運送至運輸裝置的重要裝置，是由回轉框架、平臺、配重箱、機艙、Ａ形架、提升回轉傳動機構、電氣控制柜等組成。鏟斗是電鏟的主要工作部件，它直接承受被挖掘礦石的反作用力，因而磨損較大。斗桿也是電鏟挖掘過程中的主要部件之一，它的作用是連接和支持鏟斗，并將推壓作用傳遞給鏟斗，鏟斗在推壓和提升力的共同作用下完成挖掘礦石的作用。

圖 2

● 基本技術參數

本次改造的撫順挖掘機械廠生產的WD400A參數：

● 挖掘機的負載特性

根據電鏟機械工藝的性能要求，給出了的電鏟驅動電機的負載特性曲線，如圖3：

圖3

上圖中堵轉點轉矩是額定點轉矩的2-2.5倍，既電機電流最大值為額定電流的2-2.5倍。Pmax為假設最大功率最大點，實際工作最大功率要小于或等于Pmax點的功率，故按Pmax點計算，保證系統余量。假設最大功率點為額定功率的1.5-2倍。逆變器容量滿足以上兩個指標要求即可。

● 改造交流電機的選型

原4M3電鏟用直流電機功率如下：

原直流電機設計過載能力為2.5倍額定轉矩，而我們選用的交流電機的啟動轉矩達不到2.5倍額定轉矩，所以交流電機功率加大，功率如下：

從上述功率數值比值來看：功率增加1.4~1.5倍，轉矩同時增加1.4~1.5倍，而交流電機本身啟動轉矩為1.8~1.9倍額定轉矩，上述兩種方案結合后達到相當于直流電機2.5倍堵轉轉矩，從而滿足電鏟工況要求。電機參數表如下：

● 應用環境要求

三、 方案描述

● 系統配置

原電鏟由一臺6kV高壓異步電動機驅動3臺發電機再用直流電機分別驅動各機構。本次用全數字交流電控系統改造其配置措施如下：

1. 拆除原異步電動機-發電機組及其控制柜。

2. 安裝一組高壓進線、變壓裝置，包括真空接觸器，6kV/690V變壓器、輔助變壓器，開關柜等。

3. 安裝一套HE300電鏟專用四象限變頻器，變頻器由五個機柜組成，分別是進線柜、AFE整流柜、提升單元柜、推壓單元柜、回轉/行走單元柜，對應的單元分別驅動電鏟的幾大動作機構。

4. 各機構主令控制信號、開關信號及制動信號均由一臺PLC集中控制。

● 控制原理簡述

6kV電源經真空斷路器輸入到變壓器，二次側輸出電壓690V，為提升、推壓和回轉/行走系統的工作電源，交直流柜、各通風機及輔助電源由副變壓器供電。交直流柜受電后，合上空壓機、機棚通風及直流電動機散熱風機電源開關，起動各風機。并將起動信號經現場總線送PLC，同時提升、推壓、回轉/行走調速柜受電，經內部自檢后將信號傳給PLC。PLC將所送給的信號進行綜合分析，在操作允許的前提下控制起動各個系統，實現集中管理分散控制的目的。若某個分系統異常，系統將停機并發出報警，經檢查排除故障后才能起動運行。

四、 系統框圖

● 設備電控圖

五、 改造效果與方案優勢

● 節能經濟性

經過現場超過一年的實際運營，相比直流電鏟，交流電鏟的節能效果較為明顯。

交流電鏟相較于直流電鏟能耗降低，并采用四象限全回饋技術，將制動電能回饋電網。每個電鏟使用工況不同，通過實際節能測算，全年直流電鏟此部分的電能費用為83.98萬元，全年交流電鏟此部分的電能費用為55.39萬元，較直流電鏟節能34.04%，減少費用為28.59萬元。

● 維護便利性

1、交流電鏟全部采用普通三相異步感應電機，不僅電機價格比直流電機低，而且三相異步電機的結構簡單、性能可靠，幾乎可以做到免維護。

2、HE300多傳變頻系統采用模塊化的設計理念，從單板、功率模塊到交流風機采用插拔式設計，而且都可以做到正面維護，單個功率模塊的重量只有23Kg，單人即可維護兆瓦級變頻器。

● 結構抗震性

1、結合設備應用工況數據采集及分析，通過精確計算、有限元仿真及新型復合材料的使用，使機械本體各作用點振動受力更合理可靠，產品各部件輕便。

2、分布式的設計即保證產品在各種極限工況下工作的安全性，同時提升了產品內部空間的利用率和強振幅環境的適應性。

3、最大允許瞬時加速度沖擊：10g/11ms

4、新材料抗壓強度值：200Mpa

● 分布式熱設計

1、不同于集中式散熱，創新的分布式設計和精確的仿真，使得散熱更均勻，風阻系數更低，同時極大的提高了結構的抗震性；

2、分布式的設計提升了產品在負載突變、瞬時熱沖擊大等特種工況下的適應能力；

3、風道與內部元件采用隔離式設計，隔絕粉塵，提升產品可靠性。

六、 設備現場圖片

七、 結束語

鞍鋼4m³直流電鏟自2013年7月份改造成功后并投產，至今已經穩定運行13個月。改造后的電控設備占用空間少，噪音小，采用先進的數字控制系統將PLC、HMI、司機操作臺、變頻系統通過DP通訊組網，不僅可以通過HMI快速讀取電鏟工作狀態、預警信息、故障記錄便于故障快速診斷、維護，而且變頻系統采用大功率牽引級IGBT器件，通過矢量控制技術，具有啟動快、能量回饋、對電網無沖擊電流等優點。通過讀取后臺電能實時記錄表發現，在一年的時間內相對直流電鏟節省了數十萬的電費，帶來了可觀的經濟效益。這是匯川為重型裝備應用研發的HE系列工程型變頻器，繼在石油鉆機、電動輪卡車之后的又一個重大領域突破，為“大國重器”電控的國產化做出了里程碑式貢獻。