礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，露天采礦占整個(gè)礦山開采業(yè)的比重很大。礦用電動挖掘機(jī)（以下簡稱電鏟）是露天礦山剝離和采掘礦石、煤炭以及在水利、電站建設(shè)中用來挖掘土石方的主要采掘設(shè)備。它的性能好壞，直接影響到礦山的生產(chǎn)能力和水平，而它的提升、推壓、回轉(zhuǎn)及行走機(jī)構(gòu)的電氣傳動性能對挖掘機(jī)總體性能有著至關(guān)重要的影響。電鏟常處于惡劣的工作條件，如露天礦山及水利工地，環(huán)境溫差大（我國冬季北方達(dá)-40℃，夏季南方達(dá)40℃）、灰塵多、駕駛室振動大、操作動作頻繁，挖掘時(shí)負(fù)荷變化大及駕駛室內(nèi)噪聲大等因素，這就對電控系統(tǒng)提出了許多特殊要求。

挖掘機(jī)要提高生產(chǎn)率，就要求在1.5～1.6Ie額定電流時(shí)（I 表示電流，e 是額定的首拼。Ie是額定電流的意思），電動機(jī)具有較硬的機(jī)械特性；當(dāng)負(fù)荷超過1.6Ie（截止點(diǎn)）時(shí)，拖動電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，直至停轉(zhuǎn)（堵轉(zhuǎn)點(diǎn)為2.5Ie），以保護(hù)機(jī)械、電機(jī)不受損壞。起動、制動快，正反轉(zhuǎn)及調(diào)速平滑，動態(tài)特性好；回轉(zhuǎn)時(shí)，駕駛室回轉(zhuǎn)性大，應(yīng)保證均勻過渡；主令控制器在零位時(shí)，應(yīng)避免電機(jī)爬行（蠕動），重物懸空時(shí)有良好的“握持特性”；電氣設(shè)備在溫差大、震動大的惡劣工況下，應(yīng)工作可靠；操作輕便、靈活，減輕電鏟駕駛員勞動強(qiáng)度。具有必要的連鎖和保護(hù)，如回轉(zhuǎn)時(shí)不能行走、油泵及通風(fēng)機(jī)未工作時(shí)不能啟動各類電機(jī)；相序錯(cuò)誤時(shí)，控制系統(tǒng)不能投入運(yùn)行等。

 

國外電鏟及其電控系統(tǒng)的發(fā)展動向

 

早在1912年BE公司（比塞洛斯國際公司）開發(fā)了以電動機(jī)為動力的履帶行走挖掘機(jī)（電鏟），1946年該公司開發(fā)了斗容量為3.82m3的120B型電鏟。P&H公司于1954年開發(fā)出了1800型電鏟，原蘇聯(lián)的烏拉爾重機(jī)廠推出了7KT-20型電鏟。

20世紀(jì)70—80年代，單斗電鏟向大型化發(fā)展，結(jié)構(gòu)不斷創(chuàng)新，電控系統(tǒng)自動化水平不斷提高。P&H公司于 1976年推出了斗容量為23m3的2800型電鏟，控制系統(tǒng)采用直流調(diào)速和故障檢測裝置， 1978年推出5700型電鏟；1981年、1982年先后推出2300XP型和2800XP型電鏟。BE公司于20世紀(jì)70年代初推出了16.8m3的 295B型電鏟； 1977年推出26m3的395B型電鏟，控制系統(tǒng)采用交流電機(jī)變頻調(diào)速，接著又推出201M、204M等M系列電鏟。馬里昂公司于1986年推出22m3的301M型電鏟。原蘇聯(lián)烏拉爾重機(jī)廠于1987年推出7KT-15型電鏟。

20世紀(jì)90年代，一些先進(jìn)國家的電鏟控制系統(tǒng)向智能化發(fā)展，使得電鏟的可靠性提高、作業(yè)周期大為縮短、裝載效率大幅度提高。P&H公司于1990年推出了斗容量達(dá)43m3的4100型電鏟及54m3的5700XP型電鏟。4100型電鏟的動力驅(qū)動系統(tǒng)采用可變速式DC直流驅(qū)動，行走采用雙電機(jī)驅(qū)動，爬坡能力強(qiáng)；2001年推出的4100BOSS型電鏟，斗容量為47.5m3，采用計(jì)算機(jī)控制，裝有直流數(shù)字驅(qū)動和電子輔助裝置，并有完善的自動控制和故障檢測診斷系統(tǒng)。 BE公司推出38.2m3的495BI型電鏟和495HD、495HR、495HF電鏟，這種無電刷的交流電動機(jī)和無熔斷器的驅(qū)動裝置，提高了電鏟的可靠性和作業(yè)效率，1997年推出了斗容量為43m3的351型電鏟；1999年推出了電控系統(tǒng)采用新型交流IGBT/AFE技術(shù)的電鏟，IGBT應(yīng)用了簡單、可靠的門式驅(qū)動器，不需要緩沖器和di/it電抗器，能夠安全關(guān)閉過載電流；AFE有效地克服了電壓波動和高次諧波的產(chǎn)生，該驅(qū)動方式能將多余電量（正弦曲線電流和低諧波電流）反饋到電網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。該公司與西門子公司共同研制的SIBAS系統(tǒng)，在準(zhǔn)確稱重、動臂自動軟著陸、設(shè)備信息實(shí)時(shí)交換及遠(yuǎn)程訪問等功能方面實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字技術(shù)控制和檢測，大大提高了設(shè)備整體效益，多年的成功實(shí)踐，采用IGBT/AFE交流驅(qū)動和SIBAS系統(tǒng)，已被廣大礦山用戶所采納。

進(jìn)人新世紀(jì)以來，隨著科技不斷進(jìn)步，電鏟在礦山具有更高的產(chǎn)能及可靠性、舒適性，其控制系統(tǒng)也愈加先進(jìn)，從而使得核心功能大幅度提高。P&H公司2006年推出的 C系列電鏟，采用 Centurion TM控制系統(tǒng)，它防堵轉(zhuǎn)能力高，具有快速的行走切換、動臂自動軟著陸和 Payload TM稱重等功能。

 

國內(nèi)電鏟及控制系統(tǒng)的發(fā)展動向

 

解放初期，國內(nèi)僅有十幾家礦山和機(jī)械制造廠，還沒有能力自主生產(chǎn)電鏟，在礦山使用的挖掘機(jī)多為侵華日軍投降時(shí)留下的小型設(shè)備。

20世紀(jì)50年代，我國國民經(jīng)濟(jì)開始實(shí)施五年計(jì)劃，在前蘇聯(lián)專家?guī)椭?，我國建起了兩個(gè)挖掘機(jī)主機(jī)制造廠（撫挖和太重）。1955年6月，撫挖試制成功了斗容量為1m3的W100型電鏟；接著于1957年7月試制成功3m3的仿蘇CS-3型電鏟，驅(qū)動裝置為r-л發(fā)動機(jī)組，它結(jié)構(gòu)笨重、耗電量大、效率低；1959年6月又試制成功了4m3的WD-400型電鏟。同時(shí)，太重也試制成功了4m3的D-4型電鏟，電控系統(tǒng)（W-4）由三繞組發(fā)動機(jī)和繼電器、接觸器組成，發(fā)電機(jī)的串激勵磁繞組磁通量與他激、并激勵磁繞組磁通量相反，當(dāng)負(fù)載電流增大到堵轉(zhuǎn)值時(shí)，串激繞組使發(fā)電機(jī)的端電壓降到保持堵轉(zhuǎn)電流所需的電壓值，該產(chǎn)品發(fā)電機(jī)體積龐大，挖掘特性軟、握持特性差，機(jī)構(gòu)沖擊大，維修困難。

20世紀(jì)60年代，由太重、湘潭電機(jī)、上海電機(jī)于1966年完成了WK-4型電鏟，控制系統(tǒng)采用磁放大器勵磁，發(fā)電機(jī)僅有他激勵磁繞組，靠內(nèi)橋攤挽式磁放大器實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，相對于D-4型電鏟而言，改善了挖掘特性；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由原來發(fā)電機(jī)的二對電刷分別供給二臺電動機(jī)的方式，改為二臺電動機(jī)串接，改善了發(fā)電機(jī)換向；主令控制器電阻由4級改為10級，使得機(jī)構(gòu)調(diào)速性能也有改善，起制動電流沖擊小、平穩(wěn)；但該系統(tǒng)消耗銅材和硅鋼片，磁元件影響動態(tài)性能和反應(yīng)速度、效率低、設(shè)備笨重。

20世紀(jì)70年代，1971年由太重、湘機(jī)電機(jī)和大冶鐵礦組成“三結(jié)合”小組，試制成WK-4M型電鏟，控制系統(tǒng)采用磁性觸發(fā)器通過晶閘管控制發(fā)電機(jī)二組勵磁繞組的方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)傳動電機(jī)的可逆調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，上機(jī)結(jié)構(gòu)分機(jī)棚密封和非密封兩種。WD400型電鏟與WK-4M型電鏟曾一度在我國露天礦山廣為應(yīng)用，性能比D-4（W-4）和WK-4/3有了明顯改善。1981—1982年間，撫挖與湘潭電機(jī)研制成功WD-400型正反兩用電鏟，支援了中朝合建鴨綠江電站建設(shè)，杭州重機(jī)也研制了WK-2型電鏟，它采用正反向兩組晶閘管整流供直流發(fā)電機(jī)（單繞組）勵磁，控制系統(tǒng)的移相電路、脈沖列調(diào)制形成電路、直流放大器均由集成塊組成。

20世紀(jì)70年代后期、80年代初，國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，露天礦山的生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。為滿足礦山生產(chǎn)需要，1977—1979年，由撫挖和太重相繼研制成功了斗容量為12m3的WD1200型和10m3的WK-10型電鏟。WD1200型電鏟的主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)接近美國BE公司的B280型電鏟，此產(chǎn)品的研制成功，為我國礦用挖掘機(jī)向大型化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)80年代，隨著改革開放和國民經(jīng)濟(jì)從計(jì)劃經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向市場經(jīng)濟(jì)變革的浪潮，國內(nèi)民營企業(yè)和中外合資企業(yè)如雨后筍般茁壯成長，充分展示了它們無窮的力量。國有大型企業(yè)利用其雄厚的資源和行業(yè)能量、民營企業(yè)具有靈活的經(jīng)營機(jī)制和高效管理理念，為我國礦山機(jī)械制造業(yè)向大型化、自動化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，同時(shí)將國外先進(jìn)技術(shù)引入我國，加速了國產(chǎn)化進(jìn)程。1985年，湘電集團(tuán)（原湘潭電機(jī)廠）與美國P&H公司合作，在引進(jìn)P&H公司2300XP型和2800XP型電鏟的基礎(chǔ)上，試制成功了新型大電鏟，其斗容量分別為16.8～34.5m3、23～45m3，電控系統(tǒng)采用微電子技術(shù)和機(jī)電一體化模式。衡陽重工集團(tuán)與美國BE公司合作制成195-B型和280-B型電鏟，斗容量分別為7～13m3和8～17m3 。

進(jìn)入新世紀(jì)以來，太重集團(tuán)又于2005年自主研發(fā)出斗容量為20m3的WK-20電鏟，電控系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速設(shè)備，達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，緊接著2007年9月為中電投霍煤集團(tuán)生產(chǎn)2臺斗容量為27m3的 WK-27型電鏟；為神華準(zhǔn)格爾能源公司生產(chǎn)2臺斗容量為35m3的WK-35型電鏟；2008年為平朔露天煤礦制成2臺 55m3的 WK-55型電鏟，2009年 11月正式交付礦山使用。WK-35及WK-55型電鏟，電控系統(tǒng)采用上位機(jī)管理監(jiān)控、PLC現(xiàn)場總成分布式控制和AFE整流回饋?zhàn)冾l調(diào)速三級控制系統(tǒng)，功率因數(shù)可調(diào)，并能進(jìn)行無功補(bǔ)償，采用自適應(yīng)挖掘提升控制軟件；可實(shí)現(xiàn)故障自診斷和運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示、自動物料稱重和電耗計(jì)算等功能，便于礦山生產(chǎn)數(shù)字化管理和優(yōu)化調(diào)度。

與此同時(shí)，伴隨著我國改革開放的春風(fēng)，全國諸多中小型民營企業(yè)借助國有企業(yè)的技術(shù)資料與人力資源，從20世紀(jì)80年代起，不斷研制開發(fā)電鏟主機(jī)和配套電控設(shè)備，斗容量由小到大，電控系統(tǒng)由原有的技術(shù)發(fā)展到科技含量較高的產(chǎn)品，裝備了各地露天礦山，做出了不可估量的貢獻(xiàn)。湖南科通電氣設(shè)備制造有限公司就是一個(gè)典型代表，他們遵循科學(xué)發(fā)展觀的理念，隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，在湘潭電機(jī)廠（湘電集團(tuán)）原有生產(chǎn)的W-4、WK-4/3、WK-4A、WK-4M 、WD400和WK-10A、10B等成套電控設(shè)備基礎(chǔ)上，不斷改進(jìn)，借助湘機(jī)廠的人力資源研發(fā)了許多新產(chǎn)品。如20世紀(jì)初研制了與主機(jī)WK-4M、WK-4、WK-4B、WD400和WK-10A、10B配套的WK（E）-4F及WK（E）-10B型電子調(diào)節(jié)電控設(shè)備，控制系統(tǒng)采用電子調(diào)節(jié)觸發(fā)板和晶閘管功率模塊組成的“單相直流驅(qū)動器”，替代磁性觸發(fā)器的晶閘管勵磁系統(tǒng)，克服了原有產(chǎn)品的諸多缺點(diǎn)，發(fā)電機(jī)仍為雙勵磁繞組，為礦山老設(shè)備改造提供了方便，非常實(shí)用，已在全國許多礦山推廣。隨后研制了與4m3、10m3電鏟配套的WS1-4及WS1-10B型全數(shù)字直流調(diào)速電控設(shè)備，電控系統(tǒng)特別采用了美國CT公司生產(chǎn)的MentorⅡ型四象限全數(shù)字直流電機(jī)驅(qū)動器和PLC可編程序控制器為核心的可逆調(diào)速系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)的由高壓異步機(jī)拖動3臺直流發(fā)電機(jī)組的供電調(diào)速系統(tǒng)，該系統(tǒng)丟掉了龐大的機(jī)組群，降低了噪聲，改善了對環(huán)境的污染，提高了生產(chǎn)效率。

但是，隨著電鏟斗容量的增長，高次諧波電流、電壓的出現(xiàn)，對電網(wǎng)品質(zhì)有污染，功率因數(shù)亦不理想，需要補(bǔ)償。為此，隨著交流變頻技術(shù)的發(fā)展，該公司隨后又研制成功了斗容量為4m3電鏟的WK（D）-4P變頻調(diào)速挖掘機(jī)電控設(shè)備，核心技術(shù)選用ABB公司生產(chǎn)的采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式的ACS800變頻器，利用它的高速數(shù)字信號處理與先進(jìn)的電機(jī)軟件模型相結(jié)合，功率因數(shù)明顯改善，降低了拖動電機(jī)的維修費(fèi)用，故障率低，設(shè)備壽命長，具有完美的挖土機(jī)特性，電機(jī)啟動時(shí)（低速）也能獲得1.5倍的額定轉(zhuǎn)矩，從而大大地縮短了起動時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，具有自診斷功能和故意報(bào)警顯示裝置。新產(chǎn)品于2007年6月通過省級鑒定，榮獲2007年國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目。在此基礎(chǔ)上，該公司于2008年7月又研制成功了與12m3（10m3）電鏟配套的WK（D）-12P多傳動帶回饋的交流變頻調(diào)速電控設(shè)備，電控系統(tǒng)除了上述優(yōu)點(diǎn)外，提升拖動電機(jī)在重物下降發(fā)電制動運(yùn)行時(shí)，可將能量反饋電網(wǎng)或輸送給并聯(lián)運(yùn)行負(fù)載，從而更加顯示了節(jié)能效果，同時(shí)，可以供給多臺拖動變頻電機(jī)工作。新產(chǎn)品于2009年2月通過省級鑒定，并榮獲市科技進(jìn)步獎，現(xiàn)已正式移交礦山運(yùn)行，效果良好。目前，全國類似科通公司這樣的中小型民營企業(yè)為數(shù)不少，它們正在為實(shí)現(xiàn)國內(nèi)外露天礦山采礦設(shè)備的電氣自動化、數(shù)字化并趕超世界先進(jìn)水平，不斷創(chuàng)新，勇往直前！