WK-35機(jī)械挖掘機(jī)剝離作業(yè)電能消耗分析★

岳海峰

（太原重工技術(shù)中心， 山西 太原 030024）

1 技術(shù)背景

WK-35電動(dòng)正鏟式挖掘機(jī)是太原重工集團(tuán)WK系列電動(dòng)挖掘機(jī)中的中等級別產(chǎn)品，自從2007年推出市場以來已經(jīng)出廠60多臺(tái)，產(chǎn)品遍及國內(nèi)外眾多煤礦、金屬礦山。在神華準(zhǔn)能集團(tuán)、江西銅業(yè)集團(tuán)、南非埃索、俄羅斯極地黃金集團(tuán)等大型礦業(yè)集團(tuán)礦區(qū)，WK35挖掘機(jī)以優(yōu)異的性能，舒適的操作性，產(chǎn)量高故障率低贏得了用戶的一致認(rèn)可。2018年3月俄羅斯極地黃金耶魯達(dá)礦WK-35挖掘機(jī)月產(chǎn)量突破100 萬 m3[1]。

WK-35挖掘機(jī)有提升、推壓、回轉(zhuǎn)、走行四大主機(jī)構(gòu)，完成采掘裝車任務(wù)，挖掘機(jī)提升機(jī)構(gòu)屬于垂直負(fù)載，提升負(fù)載處于電動(dòng)耗能狀態(tài)，在控制負(fù)載下放時(shí)電機(jī)發(fā)電。推壓機(jī)構(gòu)是水平負(fù)載與垂直負(fù)載的合成運(yùn)動(dòng)，在工作過程電動(dòng)與發(fā)電狀態(tài)互換?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于采用的是轉(zhuǎn)矩控制，從挖掘位置回轉(zhuǎn)至卸料位置（70°～90°），從卸料位置回轉(zhuǎn)至挖掘位置（70°～90°）兩個(gè)過程都是先加速后減速狀態(tài)，即先電動(dòng)后發(fā)電狀態(tài)。行走機(jī)構(gòu)在下坡和減速時(shí)電機(jī)發(fā)電，上坡以及加速時(shí)電動(dòng)[2]。

2 電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

外部6 kV電源經(jīng)高壓集電環(huán)傳輸至高壓開關(guān)柜，然后配電至兩臺(tái)分別為6/0.38 kV、6/0.69 kV降壓變壓器。380 V變壓器用于輔助供電；690 V變壓器用于變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)見圖1，采用當(dāng)今先進(jìn)的SINAMIC S120系列裝機(jī)裝柜變頻器組，組成交-直-交公共直流母線系統(tǒng)，逆變器可以四象限運(yùn)行，各機(jī)構(gòu)逆變器并接在共用DC直流母線上，發(fā)電狀態(tài)機(jī)構(gòu)再生的電能通過共用母線可以被其他機(jī)構(gòu)利用，并將多余的能量回饋電網(wǎng)，功率因素高，綠色環(huán)保。

圖1 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

挖掘機(jī)運(yùn)行時(shí)隨著工作狀態(tài)的頻繁變化，能量的利用與再生以及回饋到電網(wǎng)變得很復(fù)雜，能量在系統(tǒng)中的交換、流向時(shí)刻在變化。本文中數(shù)據(jù)的收集以及采取的硬軟件措施是在Polyus Gold金屬礦剝離運(yùn)行的一臺(tái)WK-35挖掘機(jī)上進(jìn)行的，該挖掘機(jī)平均每天作業(yè)20 h，雙向裝車，利用率高。

3 實(shí)施方案

首先在6 kV高壓進(jìn)線回路安裝變比6/0.1 kV（精度為0.5）的電壓互感器2件，變比300/5 A（精度0.5）電流互感器3件，西門子PAC3100電能表1只，接線下頁見圖2，采用西門子Profinet協(xié)議與S7-1500PLC通訊[1]。確認(rèn)電壓互感器同名端、電流互感器同名端接線無誤，采用鑒相器確定正序計(jì)量，逆相序時(shí)及時(shí)糾正。在Portal軟件中組態(tài)電能表并設(shè)置好通訊數(shù)據(jù)集，詳細(xì)步驟在此略過。電能表的驗(yàn)證可以通過挖掘機(jī)純點(diǎn)阻性負(fù)載30 kW加熱器核對，接通30 kW加熱器電能表有功增加30 kW，基本可以判斷電能表接線正確。

圖2 PAC3100端子接線圖

在S120交-直-交變頻系統(tǒng)中，記錄提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走各個(gè)逆變器使能電能參數(shù)r039，r039[01]是累加接收的電能，r039[02]是回饋的電能，對4個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行清零后統(tǒng)計(jì)。通過PLC與逆變器控制器CU320-2PN非周期性通訊，借助SFC58、SFC59[2]功能塊編程采樣實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)表見表1和表2。

表1 運(yùn)行前4天數(shù)據(jù)

表2 運(yùn)行9個(gè)月數(shù)據(jù)

4 數(shù)據(jù)分析

上述兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)的比較非常接近，該WK-35設(shè)備一直從事礦區(qū)表層巖石爆破后的玻璃作業(yè)，各機(jī)構(gòu)電機(jī)累計(jì)接收與回饋比很接近（分別為37.2%和35.8%）。電能表累計(jì)接收與回饋比率有差別是由于礦區(qū)1—9月溫度變化輔助功率（主要是加熱設(shè)備消耗）不同導(dǎo)致。通過上述數(shù)據(jù)的分析可知WK-35能耗的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）挖掘機(jī)周期性循環(huán)裝車，平均循環(huán)時(shí)間32 s，從挖掘-回轉(zhuǎn)-卸料-返回的整個(gè)過程中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回饋比率最大約69%，其次是提升、推壓，比率約30%左右，整個(gè)挖掘機(jī)系統(tǒng)長期工作下回饋電網(wǎng)的能量比率約15%。也就意味著15%的電能回到用戶電網(wǎng)被其他設(shè)備利用，節(jié)能效果明顯。

2）將提升、推壓、回轉(zhuǎn)、走行裝置的回饋電能量加和，與電度表的回饋電網(wǎng)數(shù)據(jù)差值是挖掘機(jī)在某一個(gè)或者多個(gè)機(jī)構(gòu)制動(dòng)或者下放負(fù)荷，產(chǎn)生的回饋能量用于需要消耗電能的機(jī)構(gòu)。由于采用共用直流母線，完美實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行的逆變器能量交換，這部分能量占到了外部供電能量總和的12.7%，也就意味著12.7%的電能靠挖掘機(jī)再生。

通過PLC的程序計(jì)算可以實(shí)時(shí)顯示挖掘機(jī)的能量流動(dòng)情況。經(jīng)過9個(gè)月的運(yùn)行，累計(jì)剝離松散度1.8物料743萬m3。平均能耗0.37kWh/m3，0.2kWh/t

5 結(jié)論

本文通過對WK-35機(jī)械挖掘機(jī)在Polyus Gold礦區(qū)剝離作業(yè)環(huán)境下，電氣系統(tǒng)電能數(shù)據(jù)的計(jì)量分析得出結(jié)論，挖掘機(jī)的變頻可回饋系統(tǒng)適用于大型礦山的電網(wǎng)系統(tǒng)且節(jié)能約15%，由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在同樣的工況條件下，每完成9 kWh的有用功，只需從電網(wǎng)補(bǔ)充8 kWh電能，自身通過能量轉(zhuǎn)化提供1 kWh電能。