礦業是國民經濟的重要組成部分，露天采礦占整個礦山開采業的比重很大。礦用電動挖掘機（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、電站建設中用來挖掘土石方的主要采掘設備。它的性能好壞，直接影響到礦山的生產能力和水平，而它的提升、推壓、回轉及行走機構的電氣傳動性能對挖掘機總體性能有著至關重要的影響。電鏟常處于惡劣的工作條件，如露天礦山及水利工地，環境溫差大（我國冬季北方達-40℃，夏季南方達40℃）、灰塵多、駕駛室振動大、操作動作頻繁，挖掘時負荷變化大及駕駛室內噪聲大等因素，這就對電控系統提出了許多特殊要求。

挖掘機要提高生產率，就要求在1.5～1.6Ie額定電流時（I 表示電流，e 是額定的首拼。Ie是額定電流的意思），電動機具有較硬的機械特性；當負荷超過1.6Ie（截止點）時，拖動電機轉速迅速下降，直至停轉（堵轉點為2.5Ie），以保護機械、電機不受損壞。起動、制動快，正反轉及調速平滑，動態特性好；回轉時，駕駛室回轉性大，應保證均勻過渡；主令控制器在零位時，應避免電機爬行（蠕動），重物懸空時有良好的“握持特性”；電氣設備在溫差大、震動大的惡劣工況下，應工作可靠；操作輕便、靈活，減輕電鏟駕駛員勞動強度。具有必要的連鎖和保護，如回轉時不能行走、油泵及通風機未工作時不能啟動各類電機；相序錯誤時，控制系統不能投入運行等。

 

國外電鏟及其電控系統的發展動向

 

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

20世紀70—80年代，單斗電鏟向大型化發展，結構不斷創新，電控系統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，控制系統采用直流調速和故障檢測裝置， 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，控制系統采用交流電機變頻調速，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。原蘇聯烏拉爾重機廠于1987年推出7KT-15型電鏟。

20世紀90年代，一些先進國家的電鏟控制系統向智能化發展，使得電鏟的可靠性提高、作業周期大為縮短、裝載效率大幅度提高。P&H公司于1990年推出了斗容量達43m3的4100型電鏟及54m3的5700XP型電鏟。4100型電鏟的動力驅動系統采用可變速式DC直流驅動，行走采用雙電機驅動，爬坡能力強；2001年推出的4100BOSS型電鏟，斗容量為47.5m3，采用計算機控制，裝有直流數字驅動和電子輔助裝置，并有完善的自動控制和故障檢測診斷系統。 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和無熔斷器的驅動裝置，提高了電鏟的可靠性和作業效率，1997年推出了斗容量為43m3的351型電鏟；1999年推出了電控系統采用新型交流IGBT/AFE技術的電鏟，IGBT應用了簡單、可靠的門式驅動器，不需要緩沖器和di/it電抗器，能夠安全關閉過載電流；AFE有效地克服了電壓波動和高次諧波的產生，該驅動方式能將多余電量（正弦曲線電流和低諧波電流）反饋到電網等優點。該公司與西門子公司共同研制的SIBAS系統，在準確稱重、動臂自動軟著陸、設備信息實時交換及遠程訪問等功能方面實現了全數字技術控制和檢測，大大提高了設備整體效益，多年的成功實踐，采用IGBT/AFE交流驅動和SIBAS系統，已被廣大礦山用戶所采納。

進人新世紀以來，隨著科技不斷進步，電鏟在礦山具有更高的產能及可靠性、舒適性，其控制系統也愈加先進，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，它防堵轉能力高，具有快速的行走切換、動臂自動軟著陸和 Payload TM稱重等功能。

 

國內電鏟及控制系統的發展動向

 

解放初期，國內僅有十幾家礦山和機械制造廠，還沒有能力自主生產電鏟，在礦山使用的挖掘機多為侵華日軍投降時留下的小型設備。

20世紀50年代，我國國民經濟開始實施五年計劃，在前蘇聯專家幫助下，我國建起了兩個挖掘機主機制造廠（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，驅動裝置為r-л發動機組，它結構笨重、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，太重也試制成功了4m3的D-4型電鏟，電控系統（W-4）由三繞組發動機和繼電器、接觸器組成，發電機的串激勵磁繞組磁通量與他激、并激勵磁繞組磁通量相反，當負載電流增大到堵轉值時，串激繞組使發電機的端電壓降到保持堵轉電流所需的電壓值，該產品發電機體積龐大，挖掘特性軟、握持特性差，機構沖擊大，維修困難。

20世紀60年代，由太重、湘潭電機、上海電機于1966年完成了WK-4型電鏟，控制系統采用磁放大器勵磁，發電機僅有他激勵磁繞組，靠內橋攤挽式磁放大器實現可逆運轉，相對于D-4型電鏟而言，改善了挖掘特性；回轉機構由原來發電機的二對電刷分別供給二臺電動機的方式，改為二臺電動機串接，改善了發電機換向；主令控制器電阻由4級改為10級，使得機構調速性能也有改善，起制動電流沖擊小、平穩；但該系統消耗銅材和硅鋼片，磁元件影響動態性能和反應速度、效率低、設備笨重。

20世紀70年代，1971年由太重、湘機電機和大冶鐵礦組成“三結合”小組，試制成WK-4M型電鏟，控制系統采用磁性觸發器通過晶閘管控制發電機二組勵磁繞組的方式，實現機構傳動電機的可逆調速運轉，上機結構分機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，杭州重機也研制了WK-2型電鏟，它采用正反向兩組晶閘管整流供直流發電機（單繞組）勵磁，控制系統的移相電路、脈沖列調制形成電路、直流放大器均由集成塊組成。

20世紀70年代后期、80年代初，國民經濟發展迅猛，露天礦山的生產規模不斷擴大。為滿足礦山生產需要，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型電鏟的主要結構及技術參數接近美國BE公司的B280型電鏟，此產品的研制成功，為我國礦用挖掘機向大型化發展奠定了基礎。

20世紀80年代，隨著改革開放和國民經濟從計劃經濟轉向市場經濟變革的浪潮，國內民營企業和中外合資企業如雨后筍般茁壯成長，充分展示了它們無窮的力量。國有大型企業利用其雄厚的資源和行業能量、民營企業具有靈活的經營機制和高效管理理念，為我國礦山機械制造業向大型化、自動化發展創造了有利條件，同時將國外先進技術引入我國，加速了國產化進程。1985年，湘電集團（原湘潭電機廠）與美國P&H公司合作，在引進P&H公司2300XP型和2800XP型電鏟的基礎上，試制成功了新型大電鏟，其斗容量分別為16.8～34.5m3、23～45m3，電控系統采用微電子技術和機電一體化模式。衡陽重工集團與美國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 。

進入新世紀以來，太重集團又于2005年自主研發出斗容量為20m3的WK-20電鏟，電控系統采用交流變頻調速設備，達到了國際同類產品的先進水平，緊接著2007年9月為中電投霍煤集團生產2臺斗容量為27m3的 WK-27型電鏟；為神華準格爾能源公司生產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，電控系統采用上位機管理監控、PLC現場總成分布式控制和AFE整流回饋變頻調速三級控制系統，功率因數可調，并能進行無功補償，采用自適應挖掘提升控制軟件；可實現故障自診斷和運行狀態實時顯示、自動物料稱重和電耗計算等功能，便于礦山生產數字化管理和優化調度。

與此同時，伴隨著我國改革開放的春風，全國諸多中小型民營企業借助國有企業的技術資料與人力資源，從20世紀80年代起，不斷研制開發電鏟主機和配套電控設備，斗容量由小到大，電控系統由原有的技術發展到科技含量較高的產品，裝備了各地露天礦山，做出了不可估量的貢獻。湖南科通電氣設備制造有限公司就是一個典型代表，他們遵循科學發展觀的理念，隨著電子技術的迅猛發展，在湘潭電機廠（湘電集團）原有生產的W-4、WK-4/3、WK-4A、WK-4M 、WD400和WK-10A、10B等成套電控設備基礎上，不斷改進，借助湘機廠的人力資源研發了許多新產品。如20世紀初研制了與主機WK-4M、WK-4、WK-4B、WD400和WK-10A、10B配套的WK（E）-4F及WK（E）-10B型電子調節電控設備，控制系統采用電子調節觸發板和晶閘管功率模塊組成的“單相直流驅動器”，替代磁性觸發器的晶閘管勵磁系統，克服了原有產品的諸多缺點，發電機仍為雙勵磁繞組，為礦山老設備改造提供了方便，非常實用，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型全數字直流調速電控設備，電控系統特別采用了美國CT公司生產的MentorⅡ型四象限全數字直流電機驅動器和PLC可編程序控制器為核心的可逆調速系統，替代傳統的由高壓異步機拖動3臺直流發電機組的供電調速系統，該系統丟掉了龐大的機組群，降低了噪聲，改善了對環境的污染，提高了生產效率。

但是，隨著電鏟斗容量的增長，高次諧波電流、電壓的出現，對電網品質有污染，功率因數亦不理想，需要補償。為此，隨著交流變頻技術的發展，該公司隨后又研制成功了斗容量為4m3電鏟的WK（D）-4P變頻調速挖掘機電控設備，核心技術選用ABB公司生產的采用直接轉矩控制方式的ACS800變頻器，利用它的高速數字信號處理與先進的電機軟件模型相結合，功率因數明顯改善，降低了拖動電機的維修費用，故障率低，設備壽命長，具有完美的挖土機特性，電機啟動時（低速）也能獲得1.5倍的額定轉矩，從而大大地縮短了起動時間，提高了生產效率，具有自診斷功能和故意報警顯示裝置。新產品于2007年6月通過省級鑒定，榮獲2007年國家火炬計劃項目。在此基礎上，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速電控設備，電控系統除了上述優點外，提升拖動電機在重物下降發電制動運行時，可將能量反饋電網或輸送給并聯運行負載，從而更加顯示了節能效果，同時，可以供給多臺拖動變頻電機工作。新產品于2009年2月通過省級鑒定，并榮獲市科技進步獎，現已正式移交礦山運行，效果良好。目前，全國類似科通公司這樣的中小型民營企業為數不少，它們正在為實現國內外露天礦山采礦設備的電氣自動化、數字化并趕超世界先進水平，不斷創新，勇往直前！