大型矿用挖掘机国产化电气系统优化设计

闫志军，槐博超，闵 杰

应用研究

大型矿用挖掘机国产化电气系统优化设计

闫志军1，槐博超2，闵 杰2

（1. 国能准能集团设备维修中心，鄂尔多斯市 010300；2. 武汉长海高新技术有限公司，武汉 430000）

大型机械正铲式电动挖掘机（俗称“电铲”）作为大型露天矿主要剥离和采装设备，关乎露天矿山生产效益和人员设备安全，其电气系统及其核心设备长期被国外厂商垄断，且多为进口通用工业设备的简单集成，存在固有的系统设计缺陷和适应性问题以及后续使用中的诸多问题等。本文基于神华准能集团露天矿电铲电气系统国产化升级改造成功经验，阐述了国产电气系统的设计及改进思路，具有一定的借鉴和推广意义。

电铲电气系统 国产化 优化升级

0 引言

随着我国进入新时代中国特色社会主义发展阶段，节能环保和重大技术装备自主可控被提升到国家战略高度。矿山作为产业链源头，在整个节能环保和重大技术装备自主可控过程中处于重要地位。目前，国内外95%以上的大型露天矿山均采用半连续或间断开采工艺。大型机械正铲式电动挖掘机（俗称“电铲”）作为露天矿山主要剥离和采装设备，是大型露天矿山开采成套设备中的关键龙头设备，其产品性能、可靠性和生产效率将直接影响露天矿山的生产规模、经济效益和安全。

目前，大型电铲整机主要生产企业有美国CAT/BE、P&H公司、中国太重等。含变频驱动系统在内的电铲电气系统用于电铲的系统控制、电气传动、配电、监控等，具备系统复杂、工况多变、工作环境恶劣、振动和粉尘大、系统可靠性要求高等显著特点，很大程度上决定电铲的性能和作业率。电铲属于细分领域的重大技术设备，由于历史原因，电气系统及其核心设备绝大多数采用为数不多的几家进口品牌产品，甚至是基于通用工业产品的简单集成，在系统设计、电网和环境适应性、数据开放程度等方面存在诸多缺陷和不足，特别是随着采矿条件、电网状态和设备使用年限的增加，电气故障愈发频繁，备件供应和服务不尽人意，成为露天矿山生产的痛点之一。

为了解决电铲电气系统及其核心设备上述问题，神华准能集团联合国内科研院所通过几年的技术攻关，掌握了大型电铲国产电气系统及其核心设备的设计、制造能力，积累了丰富的经验，截止至发稿时间，已实现3台32m3以上电铲电气系统国产化升级改造并投入实际生产。

1 系统组成

从电气传动方式角度，电铲经历了从发电机（G）—电动机（M）机组的调速系统、可控硅-直流电机调速系统、带回馈功能的GTO交流调速系统到基于IGBT器件和主动前端（AFE）技术的交流调速系统的发展历程。进入21世纪以来，基于GBT器件和主动前端（AFE）技术的共直流母线多传动技术成为行业主流。[1][2]

以某型电铲电气系统为例，如图1所示，其电气系统包括配电子系统、变频驱动装置、整铲控制子系统、辅助电气子系统四个组成部分。

图1 某型电铲电气系统

配电子系统包括高压开关柜、主变压器、辅助变压器等设备，实现主辅电源的变换、配电和保护。矿山3AC6.3k V电网，经车下高压集电环接入高压开关柜；高压开关柜设有两个三工位主隔离开关、真空接触器、高压熔断器、监测保护装置、压敏电阻、避雷器、过压保护装置、压互流互及微机保护装置等，具备隔离、过电流、缺相、接地保护、过电压吸收、带电指示等功能。主变压器为3相多绕组结构，分别为变频器的多组整流装置供电；设置预充磁用辅助绕组（低压），采用辅助变压器电源经限流电阻为主变压器预充磁和变频器直流环节电容预充电。

变频驱动装置为一体式AFE整流+多传动四象限变流装置，包括AFE整流回馈装置、各执行电动机逆变驱动、斩波制动装置、控制单元等主要部分，用于矿用电铲提升、回转、推压、行走等执行电动机的驱动和调速，具备AFE整流和有源逆变、共直流母线、多传动等特点。

控制子系统由人机界面HMI及数据终端、可编程逻辑控制器PLC、变频器控制单元组成的三级网络拓扑结构。其中，主控PLC是系统的控制中枢和通讯核心，通过现场总线和IO接口与司机联动台、人机界面HMI、高压开关柜、辅助MCC柜、AFE整流柜、各逆变驱动柜、辅助设备等相连，实现整铲的协调控制和状态监测。

辅助子系统包括电机控制中心（MCC）、照明配电箱、辅助配电箱等设备，实现电铲各部位的通风机、加热器、润滑、气阀等辅助设备供电、控制、保护，设置相序保护装置、微机保护装置等，具备过电流、缺相、相序、接地保护等功能。

2 系统优化

2.1 矿山电网适应性设计[3]

针对矿山电网许用容量小、冲击载荷大、谐波设备多、负荷率变化大、电压波动范围宽（-30%～+30%）的特点，从电铲变频驱动装置主电压等级选取和动态无功补偿两个角度，提高电铲电网适应性。

1）受IGBT器件本身电压耐受等级影响，按标准电压设计的普通工业变频设备无法适应矿山电网的宽电压波动范围，极易发生欠压和过压保护。为此，通过合理确定主变压器变比和非标电动机设计，适当降低变频驱动装置额定电压等级，实现基于标准IGBT产品的宽电压范围变频装置。

2）摒弃传统AFE变频器输入功率因数为1的单一控制目标，将变频器和SVG装置功能合二为一，利用储能电感与IGBT（内置反向二极管）组成的整流电路提高负载侧的电压，使LCL滤波元件二次侧的电压高于网侧电压，使系统表现出“容性”。直流环节电容兼顾支撑电压、滤波、储能功能，采用带无功补偿功能的PWM整流算法，在能量和电压控制目标的基础上，根据矿山电网瞬态电压升和电压降实时调节AFE整流装置无功功率，可有效改善矿山电网功率因数和瞬态电压波动。

2.2 多支路共直流母线冗余拓扑[4]

变频驱动装置共直流母线模块化设计，根据系统短路计算仿真和试验结果，在直流环节设置熔断器，实现支路级分级保护，机械短路极端情况下，可实现故障支路熔断器动作，其他支路熔断器不动作、系统不失电不停机。

AFE整流装置多组件并联，与主变压器二次绕组一一对应，通过快速直流熔断器接公共直流母线，控制上采用一主多从，主站仲裁方式，各AFE整流单元电气耦合程度低，控制相对独立，可实现动态变结构，当部分支路发生故障时，可从控制拓扑中及时切除该支路，系统进入带故障降额工况，可大大提高系统工作可靠性和设备安全性。

2.3 高安全性机构传动

1）安全链设计，通过系统分析确定提升、推压、回转、行走各工作机构的安全影响因素，将各AFE整流单元、逆变驱动单元的运行状态经继电器式开关量输出触点与上位PLC控制的安全继电器触点和司机手动急停按钮组成的继电串并电路用于控制各机构机械制动机构，实现“非正常即制动”的故障导向安全机制。

2）特殊开发的逆变驱动单元，可实现各传动支路发生非逆变器自身异常时，转速闭环-转速开环、正常控制-直流制动的在线切换，最大程度避免工作机构失控[5]。

2.4 智能化设计

1）在传动电铲电气系统的基础上设置了多端口数据终端，可实现司机指令、设备状态参数的实施监控、故障和数据记录，并预留“智慧矿山”无线接口，为“无人化、远程化”和“电铲挖掘特性优化”提供必要的技术支撑。

2）基于电铲操作和维修人员的实际经验，上位软件系统实现了半开放式故障诊断系统，大大提高了故障定位效率。

3 结束语

大型电铲国产电气传动系统研制，采用了国产核心设备，可拓展到不同功率等级的电铲应用，形成具有完全自主知识产权的系列化产品，一方面，打破国外技术垄断，推动国内民族装备工业包括相关系统及产品的产业化发展，另一方面，对采矿企业，缩短供货周期，减少运营成本，提高作业率等方面提供关键产品的安全物料保障，具有广阔的应用前景。

下一步研究建议：1）新型电机及传动系统无齿化少齿化研究；2）多传动四象限变频驱动系统电气解耦研究；3）多传动四象限变频驱动系统直流环节快速保护及生存能力提升研究。

[1] 迟宇. 国外大型矿用挖掘机综述[J]. 矿业装备, 2017, (03).

[2] 王晓明. 矿用机械式挖掘机的现状及技术发展趋势[J]. 现代露天采矿装备现场研讨会论文集[J]. 矿业装备, 2010.8(s1).

[3] 395B电铲变频驱动系统国产化研发研究报告[R]. 中国神华准格尔能源有限公司, 2019.

[4] 35m3电铲西门子系统国产化研发与应用研究报告[R]. 中国神华准格尔能源有限公司, 2021.

[5] 张巴图. 大功率异步电机间接矢量控制策略研究[J].船电技术, 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

闫志军（1970-），男，高级工程师。研究方向：矿山机电。E-mail: zhijun.yan.c@chnenergy.com.cn