WK-35电铲变频调速单相参数稳压器的改进

刘文涛，毛保建

（1. 江西铜业集团公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224；2. 太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

1 引言

德兴铜矿属特大型露天矿山，目前开采铜厂和富家坞2座矿区［1］。不仅生产规模大，而且拥有现代化的生产设备。多年来，我矿工程技术人员和操作人员在生产实践中，不断引进消化、吸收设备的先进技术，锻炼了队友，积累了不少宝贵的经验，在经验中不断的创新和改造，让设备更好的为生产服务［2］。其中尤其是电铲，作为生产的中心，必须保证设备的可开动率。目前我矿的生产计划是13万t/d生产规模的目标，如何确保目标的实现与生产稳定，关键是要建设一支能驾驭现代化生产设备的高素质职工队伍，能够确保设备的完好率，从而为13万t/d生产任务打下坚实的基础［3］。

2 电铲系统简介

2.1 世界电铲的发展

国外大型挖掘机生产商有美国P&H公司、B-E公司和俄罗斯重型机械联合公司。其中，技术先进、国际竞争力强的主要是美国P&H公司、B-E公司。最大的挖掘机由马力昂（由B-E兼并）公司生产斗容138m3，B-E公司生产的495B斗容61m3。P&H公司 4100XPC：铲斗容量：58.5m3。P&H公司主要生产大型矿用挖掘机在国际上的市场占有率居世界第一位，产品的技术水平代表了当代国际先进水平。其产品采用齿轮齿条式推压方式，设备的挖掘力大，满斗系数大，挖掘稳定性好，适用性强，工作效率高，设备可靠性高，易于维护和保养，易损件使用寿命长。相对于机械结构部分的先进性，其电气及控制系统由于多年来一直采用可控硅供电和直流电动机系统，相比现在的交流变频电机及其控制系统来说是较为落后。

B-E公司也是世界上著名的生产矿用机械设备的主要企业，其产品采用钢丝绳推压方式，斗杆采用圆形截面的高强度免扭结构，新近开发的产品电气系统采用了先进的交流变频及其控制系统，对设备的主要结构件和传动件的保护好，提高了主要结构件、传动件和基础件的使用寿命，整机使用寿命长，维护方便，故障率低，设备出动率高，运行成本低。

2.2 国内电铲的发展

国内生产正铲式矿用挖掘机的企业主要有太重、一重、衡阳衡冶重型机械有限公司、抚顺挖掘机制造有限公司、四川邦立重机有限责任公司等企业，但除太重能够自主开发大型矿用挖掘机外，其他企业主要是与国外的P&H公司、B-E公司合作制造或只生产小型矿用挖掘机，目前不具备自主开发能力。

长期以来，上个世纪我国露天矿所需的斗容20～50m3大型矿用挖掘机全部为进口或与外国公司合作制造。1983年，太重引进了美国P&H公司的大型挖掘机成套制造技术，但核心技术―可控硅整流柜未被转让。太重与P&H公司合作制造16.8m3挖掘机，随着合作台数的增加，国产化率从34%提高到80%以上。1998年，太重继续与P&H公司合作，生产35.2m3挖掘机铲斗、斗杆及起重臂等关键装置。

通过20多年引进消化吸收和合作制造，太重完全掌握了P&H的成套设计和制造技术，并在此基础上实现了再创新，特别是针对P&H没有转让的核心技术―电气控制部分，进行了自主开发，成功地研制了世界上最先进的交流变频调速系统。2005年，太重自主开发出我国第一台具有完全自主知识产权的20m3矿用挖掘机，经过准格尔黑岱沟露天矿近一年的运行，2006年3月正式投入使用，并且性能卓越，达到了国际同类产品的先进水平，生产能力已远远超出其设计生产能力。

虽然电气设备在设计时已经考虑了防振问题，但是由于周边或自身工作时的振动，容易引起电气设备的紧固螺丝松动，接插件等的松动，插件板的松动等，进而会引起电气接触不良、断线、脱落、开焊、错位、使动作失常和控制失灵。因此，对于振动大，或者振动对设备运行造成威胁的场合必须采取防震、隔振的措施。

3 WK-35大型矿用挖掘机电气系统简介

目前运行于正铲式矿用电动挖掘机上的电气调速系统主要有两种形式:

（1）可控硅直流调压装置+直流电动机=可控硅直流调速系统（P&H2300XP、 P&H2300XPC）；

（2）变频调速装置+交流变频电动机=交流变频调速系统（WK-35等代表）。

变频调速其优越的调速性能和交流电动机的高可靠性注定了它将逐步取代直流调速系统成为电气调速的主力军。矿用挖掘机采用变频调速系统也将是技术发展的必然结果；现在主要给大家介绍WK-35电铲的四大系统，分别为：推压、提升、行走、回转四大系统。

3.1 变频调速及自动化系统

WK-35电铲AFE整流单元总图，如图1。

图1 AFE整流回馈单元、公用直流母线变频调速系统简图

系统组成简介：

进线电源：6kVAC 3相 50Hz高、低压集电环；

主变压器：6kV/660V ±5%；

特点：干式环氧树脂浇注、副边绕组为铜箔，具有温度保护。

3.2 提升驱动控制特性

2台700kW提升电动机由2台1000kW逆变器驱动，由于2台提升电机间存在机械耦合，所以2台逆变器之间采用转矩主从控制方式，其中主装置（MASTER）为速度控制，从装置（SLAVE）为转矩控制，这样提升机构既实现速度控制，又保证2台电机间的出力均衡。电动机控制特性曲线如图2所示，从交直流控制特性曲线的包络面积可知，变频调速较直流调速具有更高的作业效率。

图2 提升电动机控制特性曲线

3.3 推压驱动线路

315kW推压电动机由500kW逆变器驱动，根据推压机构负载特点，在90%的额定速度范围内均可提供最大的推压力，电动机控制特性曲线如图3所示。

图3 推压驱动电动机控制特性曲线

3.4 回转驱动控制特性

2台200kW回转电动机由1台800kW逆变器驱动，由于回转机构属于大惯量旋转负载特性，为减少机械冲击，机构运行平稳，故逆变器采用转矩控制方式。电动机控制特性曲线如图4所示。

图4 回转电动机转矩控制方式下的控制特性曲线

3.5 行走驱动控制特性

2台400kW行走电动机分别由提升1#逆变器和提升2#逆变器驱动，线路设有切换接触器，逆变器控制将采用2套数据组切换方式，实现对提升1#/行走和推压/行走电动机的分别控制。电动机控制曲线如图5所示。

图5 行走驱动电动机控制特性曲线

4 WK-35电铲单相参数稳压器的改进

4.1 WK-35电铲单相稳压器现状

WK-35电铲电气采用国内先进的变频调速系统。其控制回路选取德国西门子公司的AFE控制系统，该控制系统对电源稳定要求非常高，因此我们采用的是国产军工整体式单相参数稳压器［4］。稳压器的工作原理是将外部380V交流通过变压，稳压、滤波，从而输出稳定的220V交流电至变频调速系统（AFE）。稳压器的变压元件和L-C电容元件串联，安装在整体式稳压器柜内［5］。当变压元件或电容元件出现故障时，维修难度大且时间长。整体式稳压器柜在电铲作业的震动下，常造成稳压器部件松动和接触不良、触点氧化，导致输出电压极不稳定，影响变频调速器参数的稳定性。实际运行中发现，稳压器电容量设计偏小，南方野外高温环境下，易出现稳压器的电压滤波（电容）元件膨胀、漏液，腐蚀变压元件［6］。

2015年变频调速单相参数稳压器故障停机统计数据发现，全年故障停机时间87h；因稳压器和电容损坏更换，造成经济损失达37.2万元。见表1、表2。

表1 2015年变频单相稳压器的故障情况统计表

表2 2015年变频单相稳压器损坏备件统计表

4.2 研究方案

针对主要原因，研究制定方案如表3。

表3 措施表

4.3 研究措施

在2013年3月设备保养期间，小组对WK-35电铲稳压器柜改进如下。

方案一：改整体式稳压器柜为分体式稳压器柜。

（1）将稳压滤波电容从稳压器柜中分离；

（2）移出稳压器柜内滤波电容，同时改装线路。

方案二：增大电容容量。

（1）重新计算电容量。

首先根据AFE变频调速总的控制电源容量，检测并确定单相参数稳压器的所需输出总电容容量C总。再根据现场环境和所需电容量安全系数K，计算出最终总电容量C终。

C1=30(μF)，UL=262(V)，UO1=206(V)，UO2=220(V)

30/C2 = (262-220)/（262-206）

C 终 = 40(μF)

（2）设计及制作大容量电容箱（图6）。

图6 调压元件电路

将4个容量为20μF的电容两两并联，形成新的电容箱，如图7。

图7 原电容、新电容、组装的电容箱

4.4 实施方案

制作安装电容箱：（1）电容箱组装；（2）电容箱安装。

在稳压器柜上方电铲的墙板上焊接电容箱支架；将电容箱固定在支架上，再将电容箱的出线与稳压器的接线端连接。稳压器柜改进前后对比如图8。

图8 整体式稳压器柜、分体式稳压器柜

4.5 取得效果

活动至今，电铲未出现稳压器故障， 故障时间由原来的87h/a减少为0h/a（图9）；取得了很好的效果，实现了改进目的。

图9 活动前后对比

5 结束语

矿山工程技术人员与太原技术中心经过几年对电铲系统稳压技术的创新，完成单相稳压器的改进，活动至今，电铲未出现稳压器故障。 实现了单相稳压器的改造。达到了电铲变频器的电压要求，确保电压的稳定，提高了电铲的可开率。2016年2台WK-35电铲完成4152万t，实现了矿山13万t/d的产能目标，全面实现生产达产达标。凸显了电铲系统具有可进行连续工作，劳动定员少、劳动强度低、排土效益高等优点，为矿山降低采矿成本和提高生产效率奠定了坚实基础。