矿用挖掘机电气控制系统及其发展趋势

1、矿用挖掘机电气控制系统及其发展趋势苗根蝉 太原重工股份有限公司 山西省 太原市摘要：本文概述了国内外矿用挖掘机及其电气控制系统的发展现状，并详细阐述了几种电控系统的控制原理和特点，对不同的电气控制系统技术水平及性能进行了分析比较，提出了变频调速系统将成为大型矿用挖掘机电控系统的发展趋势，挖掘机电控系统将进一步向模块化、数字化、智能化、信息化发展。关键词：挖掘机 电气控制系统 发展趋势 The electrical control system and the development trend of Mining ExcavatorsMIAO Genchan Taiyuan Heavy Ind

2、ustry Co., Ltd. Taiyuan, ShanxiAbstract: This article provides an overall status of the development in the mining excavator and its electrical system. It elaborates principles and characteristics of several electrical control systems. It also compares the technology and the performance of different

3、electrical control systems. Through these, it asserts that the frequency control will be the development trend of large-scale mining excavators electrical control system, and the mining electrical control system will be further modular, digital, intelligent and information technology integrated.Key

4、words: excavator electrical control system the development trend 大型矿用挖掘机是大型露天矿山的主要采装设备，其电控系统是矿用挖掘机的核心技术。矿用挖掘机调速系统也随着电气传动与自动化技术的迅速发展，在不断的更新。变频调速技术在重型及矿山机械设备上的应用已相当普遍，其卓越的调速性能，完善的保护功能和全数字化精确的控制技术及高可靠性已得到充分的验证，矿用挖掘机采用变频调速系统是其发展的趋势，随着国内外露天采矿业的生产规模日趋扩大，采矿工艺和设备技术水平日益提高，配套装备的更新换代，大型矿用挖掘机日常使用和维护的需求，挖掘机电气调速系

5、统采用数字化、模块化、智能化是其发展的方向。一、 国内大型矿用挖掘机及电气控制系统的发展现状国内主要的矿用挖掘机生产制造企业有太原重工股份有限公司、中国第一重型机械集团有限公司、衡阳衡冶重型机械有限公司和抚顺挖掘机制造有限公司。太原重工股份有限公司生产4立方米到55立方米挖掘机，即WK-4、WK-8、WK-10、WK-12、WK-20、WK-27、WK-35、WK-55。2004年前，主要生产10立方米以下的矿用挖掘机，其电控系统采用M-G直流电动机机组供电系统。2004年首次研制开发了挖掘机变频调速系统，并成功的应用于10立方米挖掘机上，突破了原有大型挖掘机电控技术发展的瓶颈，继而开发生产了

6、20立方米、27立方米、35立方米、55立方米挖掘机，最近，又在研制75立方米挖掘机，20立方米以上电控系统全部采用变频调速系统。中国第一重型机械集团有限公司，与美国P&H公司合作生产大型矿用挖掘机，电气系统为完全由美国P&H公司提供的可控硅供电的直流电机驱动系统。衡阳衡冶重型机械有限公司从美国B-E公司引进技术，合作生产制造了钢丝绳推压式矿用挖掘机。中小型挖掘机电气系统采用M-G直流电动机机组供电系统；大型矿用挖掘机电气系统采用交流变频驱动方式，电气系统完全由美国B-E公司提供。抚顺挖掘机制造有限公司只生产4立方米以下的挖掘机，电控系统采用M-G直流电动机机组系统。二. 国外

7、大型矿用挖掘机及电气控制系统现状目前国际上开发生产大型矿用挖掘机的企业主要有美国哈尼施费格（P&H）公司、美国比塞洛斯-埃利（B-E）公司、俄罗斯奥姆斯（OMZ）矿山设备公司和乌克兰乌拉尔重型机器厂等。美国P&H公司是世界上生产矿用机械设备的主要企业之一，它生产大型矿用机械正铲式挖掘机，采用齿轮齿条式推压方式。其产品系列主要有：1400、1600、1900、2100、2300、2800、2800XPB和4100等型号及其派生、改进型产品。美国P&H公司生产的4M3-10M3挖掘机电气控制系统采用直流电动机机组系统； 16M3 -55M3挖掘机电气控制系统主要为可控硅直流

8、调速系统。美国B-E公司是世界上另一个生产矿用机械设备的企业，生产的大型矿用机械正铲式挖掘机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，主要产品有：195B、295B、395B、495B、595B、795B、182M等型号及其派生、改进型产品。美国B-E公司4M3-10M3采用直流电动机机组系统， 16M3 -55M3采用了先进的交流变频及其控制系统。俄罗斯奥姆斯矿山设备公司和乌克兰乌拉尔重型机器厂的产品均为前苏联的 系列矿用挖掘机，如EKG-1500R等，受20世纪80年代前苏联解体的影响，矿用挖掘机及其控制技术基本处于停滞不前的状态，近年来生产的挖掘机数量也相对较少，在电气及其控

9、制技术方面，仍采用直流电动机机组系统，电气控制技术较为落后。三、矿用挖掘机电控系统及其特点1、M-G直流电动机机组供电系统M-G直流电动机机组供电系统即发电机-电动机直流调速系统，该控制系统由最初采用磁放大器励磁，发展到采用磁性触发器通过晶闸管控制发电机两组励磁绕组的方式，实现传动机构电机的可逆调速传动。机组供电系统作为电动挖掘机传统调速方案，矿山用户是最熟悉的，由于直流发电机组必然存在整流换向器，碳刷与整流子的旋转接触导致易损与故障率高，又因为机组体积大，重量重，使得维修更换困难，费用高，周期长，影响生产率。该系统特点：1）技术陈旧落后；2）直流发电机电动机组效率低，故障率高；3）维修更换困

10、难；4）挖土机特性饱满系数差，导致单位时间产量低；5）维修人员对此系统有丰富的维护经验；2可控硅直流调速系统挖掘机可控硅直流调速系统主要是在美国P&H公司生产的大型矿用挖掘机的电气控制系统上采用，该系统也由最初的继电器模拟控制线路，到带有数字驱动控制功能的用于矿用电铲电机控制的静态驱动系统，目前，P&H公司采用Centurion控制系统，Centurion取代了P & H 的前几代控制器，包括继电器、驱动器、可编程逻辑控制器和操作员接口终端设备。该系统结合了Profibus、以太网、OPC和.Net等技术，新功能包括挖掘循环的适应性控制、高级别的系统访问、生产能力分析和

11、半自动电铲控制。 Centurion系统采用了图形用户界面( GUI)和 智能I / O装置，调速装置采用全数字 DC驱动器。可控硅直流调速系统在挖掘设备上应用时，由于挖掘机经常处于低速大转矩工作状态，导致直流整流装置功率因数极低，挖掘时平均功率因数大约为0.4，铲斗出物料后，高速运转时，功率因数也仅达0.8，所以采用可控硅直流调速时，还应设置相应容量的动态无功补偿装置，在该装置中，可控硅作为开关元件，依据无功功率分量，分级分时地将电容器组接入供电回路，进行实时动态无功补偿，以达到整个系统有一个较高的功率因数。以PH2300XP挖掘机为例，其无功补偿部分所占空间是整流装置的2倍，所以说挖掘设备

12、上采用可控硅直流调速时，主要有两部分电气设备组成：1）可控硅直流可逆整流装置2）动态无功补偿装置动态无功补偿装置在挖掘机上的应用，是挖掘物料时的工艺过程特点，导致功率因数过低而产生的一种特定应用电气设备，所以它不是一种批量产品，不论在国内、国外均需特殊设计制造，国内制造技术仍不成熟，这就是导致可控硅直流系统从八十年代至今未设计应用到国产挖掘机上的根本原因。该系统有如下特点：1）全数字可控硅整流装置技术成熟，但国内挖掘机动态无功补偿装置技术不成熟；2）电动机为直流电机，由于存在整流换向器，其故障率仍高于交流电动机；3）制造成本高。若不设置无功补偿，则功率因数低，应用不合理。3交流变频调速系统交流

13、变频调速控制系统最早由美国B-E公司于1980年应用于16立方米以上的钢丝绳推压挖掘机上，最初采用模拟SCR交流驱动，1989年开始使用了数字式控制GTO功率元件的交流变频调速系统， 全数字式变频调速系统在进入九十年代后，其技术已完全成熟。随着大功率晶体管器件生产技术和成本的下降，在九十年代中后期，变频调速系统已大量应用于冶金及其它重型机械设备中。美国B-E公司也于2000年推出了功率元件为IGBT的全数字式挖掘机交流变频调速控制系统的挖掘机。2004年太原重工股份有限公司自主研发了功率元件为IGBT的矿用挖掘机变频调速系统，并首次应用于齿轮齿条推压式10立方米矿用挖掘机上，突破了原有大型挖掘

14、机电控技术发展的瓶颈，打破了我国大型露天矿用挖掘机主要依赖国外进口的局面，使我国挖掘机在电控技术和研制能力方面上了一个新台阶，大大提升了我国矿用挖掘机行业的整体水平，促进了矿山机械行业的技术进步。2005年开始，不断推出了20立方米、27立方米、35立方米、55立方米全系列变频调速矿用挖掘机。WK系列挖掘机电控系统采用“上位人机界面+PLC现场总线+AFE变频传动”组成的三级控制系统。上位人机界面监控整机的运行状态及故障信息，实现运行状态模拟显示与故障自诊断；PLC通过PROFIBUS DP现场总线与AFE整流回馈单元、各机构逆变器、司机室控制等连接，实现分布式控制；AFE整流回馈单元通过公用

15、直流母线与各机构逆变器相连，实现对各机构变频电动机转矩与速度的精确控制。太原重工正在研制并即将推出75立方米挖掘机，WK系列电控系统可实现远程诊断控制，并逐步在向全数字化、模块化、智能化推进。全数字式变频调速系统有如下特点：1) 数字式，矢量或转矩控制，性能卓越，技术成熟，先进。2) 采用鼠笼电动机较直流电动机更可靠。3) 可靠性高，生产效率高。4) 制造成本较高，但维护费用低。5) 维护人员经短期培训即可胜任正常维护工作，维修的概念应从原来的“修”改为“换”，所以维修更加简单。4、矿用挖掘机电控技术水平及性能比较系统名称G-M发电机-电动机机组系统挖掘机可控硅直流调速系统挖掘机变频调速系统调速类型直流调速直流调速交流调速技术性能落后较先进先进可靠性差较高高生产效率低整机效率74%较高高（具有自动轻载升频功能，可达85%）制造成本低高高电动机类型直流电动机直流电动机交流电动机能耗高节能10%节能15%功率因素低较高高故障率高较低较低维护成本高较高较低5、结语通过对上述挖掘机电控系统性能的研究比较，由于变频系统对挖掘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