ABB變頻器在電鏟中的應(yīng)用

1 工藝要求

　　電力挖掘機(jī)（電鏟）用于裝載礦巖，目前我國各工礦企業(yè)所使用的電鏟，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)過大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有較高的要求：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線的包絡(luò)面積大，有足夠的有用功率;有良好的調(diào)速性能，能四象限運(yùn)行，能快速地進(jìn)行加、減速和反轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;系統(tǒng)制動(dòng)性能好，并能回收能量;系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便等。由于電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應(yīng)用的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要還是直流傳動(dòng)系統(tǒng)。其電控系統(tǒng)采用的是由交流電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)組成主傳動(dòng)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能耗高、站地面積大、噪聲大、并且缺乏對(duì)電機(jī)有效地保護(hù)，電氣系統(tǒng)老化很快、可靠性低、故障率高，很多礦山在夏天高溫和爆破不充分的礦場，使用挖掘機(jī)經(jīng)常有燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，增加了維修量、增大了維修費(fèi)用、降低了作業(yè)率。因此，電力挖掘機(jī)（電鏟）的全數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用一直是國內(nèi)很多工礦企業(yè)所企盼的技術(shù)。該挖掘機(jī)全數(shù)字電控系統(tǒng)中就采用了交流變頻技術(shù)，是全交流化的電鏟電氣系統(tǒng);根據(jù)挖掘機(jī)的機(jī)械特性等和現(xiàn)場實(shí)際條件，進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完全滿足設(shè)備現(xiàn)代化和高效生產(chǎn)可靠性要求，將其簡稱為交流變頻調(diào)速電鏟。

2 控制方案

　　本控制系統(tǒng)中電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，各個(gè)電機(jī)能迅速實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)行，能平滑地調(diào)速，保持較硬的機(jī)械特性，以便獲得較大的起、制動(dòng)力矩，縮短過渡過程，提高生產(chǎn)率，升速及減速快慢即斜率根據(jù)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)節(jié)，及在生產(chǎn)過程中，能借助于變動(dòng)負(fù)荷來調(diào)節(jié)電機(jī)的工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

　　為滿足這些要求，我們采取了下面的控制方案：

　　采用PLC控制技術(shù)進(jìn)行邏輯控制，對(duì)變頻器和各個(gè)電機(jī)進(jìn)行整體控制，由變頻器分別拖動(dòng)提升電機(jī)、推壓電機(jī)、回轉(zhuǎn)行走電機(jī)等，即1對(duì)1控制方式;變頻器與PLC系統(tǒng)之間采用Profibus-DP進(jìn)行通訊;其中PLC西門子S7-300，變頻器選用ABB ACS800。

　　本交流變頻調(diào)速電鏟內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)是，高壓交流電由電纜經(jīng)集電環(huán)引入電鏟, 由主變壓器將電壓變換,再經(jīng)過變頻器，供電給提升電動(dòng)機(jī)、回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、推壓電動(dòng)機(jī)、開斗電動(dòng)機(jī)等。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 ACS800變頻器拖動(dòng)交流電機(jī)通用控制特性簡介

　　ACS800變頻器采用DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）電機(jī)控制技術(shù)，提供了先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)功能。

　　3.1 識(shí)別運(yùn)行

　　DTC控制的優(yōu)良性能取決于準(zhǔn)確的電機(jī)模型，這個(gè)模型是在電機(jī)識(shí)別的運(yùn)行中建立的。在傳動(dòng)起動(dòng)的過程中，ACS800驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行大約是一分鐘，控制電路監(jiān)視電機(jī)的反應(yīng)，建立并優(yōu)化電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。如果沒有選擇識(shí)別運(yùn)行，當(dāng)?shù)谝淮谓o出起動(dòng)命令，將自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)快速電機(jī)識(shí)別程序。第一次起動(dòng)時(shí)，電機(jī)在零速運(yùn)行幾秒鐘，以便建立電機(jī)模型。這個(gè)識(shí)別運(yùn)行克滿足大多數(shù)應(yīng)用場合的要求。

　　3.2 零速滿轉(zhuǎn)矩

　　由ABB變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)在零速時(shí)能夠獲得其額定轉(zhuǎn)矩，而不需要編碼器或測速機(jī)的反饋信號(hào)。另外，在參數(shù) 26.03 IR COMPENSATION中調(diào)整零速時(shí)供給電機(jī)的額外相對(duì)電壓值，范圍是0...30%Une，IR補(bǔ)償可以增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)IR補(bǔ)償起作用時(shí)，傳動(dòng)單元會(huì)在低速或零速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)增加電壓。

　　3.3 直流抱閘

　　通過直流抱閘保持功能可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在零速。當(dāng)速度給定和電機(jī)速度均降到預(yù)設(shè)的直流保持速度以下時(shí)，傳動(dòng)單元使電機(jī)停止并將直流注入電機(jī)。

　　3.4 加速/減速斜坡

　　ACS800提供加速/減速時(shí)間。可以調(diào)節(jié)加速/減速時(shí)間（0～1000s）和斜坡形狀。可選擇的斜坡形狀是線性和S-曲線形。線性適用于需要平穩(wěn)地傳動(dòng)或緩慢加/減速的現(xiàn)場，S-曲線形非常適用于傳送易碎的物品的傳送機(jī)或其它需要平穩(wěn)地改變速度的場合。

4 技術(shù)要點(diǎn)

　　4.1直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC）

　　變頻器有U/f 恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩（DTC）等多種控制，不同的控制系統(tǒng)其性能不盡相同，適應(yīng)的負(fù)載也有區(qū)別。因本系統(tǒng)需要在動(dòng)態(tài)過程中具有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，且具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最好在低速時(shí)能具有最

　　大的轉(zhuǎn)矩輸出,選用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最為恰當(dāng)。ACS800變頻器可以應(yīng)用在有較高的過載能力要求的場所，其傳動(dòng)核心：直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），具有高精度的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)和大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;速度的靜態(tài)精度可以到0.01%，動(dòng)態(tài)精度可以到0.1%;在零速時(shí)可以輸出1.5～2倍的額定轉(zhuǎn)矩;方便靈活的編程功能和多級(jí)速度設(shè)定功能;具有電磁制動(dòng)、直流注入方式的能耗制動(dòng)和專用的機(jī)械制動(dòng)器的控制功能。還可以設(shè)定不同的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和速度曲線，并可通過數(shù)字量輸入來設(shè)定多級(jí)速度，有利于平穩(wěn)起動(dòng)、制動(dòng)和準(zhǔn)確停車，可以很好地滿足電鏟挖掘機(jī)其機(jī)構(gòu)的特殊要求。

　　4.2 控制與通訊

　　Acs800變頻器的DI1～DI6為數(shù)字輸入，DI1控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，DI2控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。

　　以推壓電機(jī)為例：低壓進(jìn)線柜里的斷路器QF和接觸器KM是變頻器工作的先決條件，當(dāng)其合閘后，相應(yīng)的變頻器開始上電，當(dāng)變頻器沒有故障時(shí)就緒信號(hào)I5.1送給PLC;變頻器有故障時(shí)，故障信號(hào)I5.3 送給PLC;當(dāng)變頻器就緒沒有故障時(shí), 等待從PLC 發(fā)來的運(yùn)行信號(hào)。當(dāng)運(yùn)行信號(hào)Q 2.2 送進(jìn)ACS800 DI1端子時(shí)，變頻器開始控制電機(jī)正向運(yùn)行;當(dāng)運(yùn)行信號(hào)Q 2.3 送進(jìn)ACS800 DI2端子，變頻器開始控制電機(jī)反向運(yùn)行;當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行變頻器有輸出時(shí)，X21的AO1端口輸出電機(jī)的實(shí)際速度，X21的AO2端口輸出對(duì)應(yīng)的電流（4～20mA）。控制關(guān)系如圖2所示。

　　ABB ACS800變頻器可以使用PROFIBUS-DP協(xié)議進(jìn)行通訊。PROFIBUS - DP現(xiàn)場總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò), 專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和分散I/ O 設(shè)備之間通信而設(shè)計(jì)的，抗干擾性強(qiáng)，大幅降低安裝、運(yùn)行和維護(hù)的成本本電鏟控制系統(tǒng)中，PLC作為PROFIBUS-DP總線的主站，電鏟的回轉(zhuǎn)行走變頻器、提升變頻器、推壓變頻器作為設(shè)備從站。PLC主站一方面負(fù)責(zé)讀取各個(gè)變頻器的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，然后把這些數(shù)據(jù)送入其內(nèi)部處理器進(jìn)行處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的數(shù)據(jù)、位置和狀態(tài)進(jìn)行判斷和運(yùn)算。另一方面，PLC主站將從內(nèi)部處理器獲得的變頻器運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)通過PROFIBUS-DP總線發(fā)送給回轉(zhuǎn)行走變頻器，從而驅(qū)動(dòng)變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。

　　ACS800變頻器是通過適配器模塊NPBA連接到外部控制系統(tǒng)，主機(jī)與傳動(dòng)裝置必須經(jīng)過配置，以便數(shù)據(jù)通過模塊交換。在S7-300的“硬件組態(tài)”功能中可配置Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，需安裝ABB相應(yīng)適配器模塊的程序補(bǔ)丁后，在設(shè)備目錄中出現(xiàn)ABB ACS傳動(dòng)系列產(chǎn)品列表，將S7-300組態(tài)為網(wǎng)絡(luò)主站，ABB變頻器作為從站。ACS800的RDCO通訊板與NPBA適配器之間的通道CH0，是遵守DDCS協(xié)議速度為10M/s的光纖連接。

　　4.3 制動(dòng)方式及制動(dòng)單元配置

　　因?qū)ο笫俏荒茇?fù)載，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，為保證變頻器直流母排電壓的正常，多余的能量必須釋放掉。為此，我們采取了外接斬波器和制動(dòng)電阻方式來實(shí)行能量消耗。

　　因電鏟的內(nèi)部工作需要多個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)作，例如提升機(jī)、推壓機(jī)、回轉(zhuǎn)行走控制電機(jī)等，各個(gè)電機(jī)一般需要分別擁有制動(dòng)單元;在本應(yīng)用中則只采用一組制動(dòng)單元多個(gè)電機(jī)共享的方式，能極大的提高系統(tǒng)制動(dòng)的快速響應(yīng)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　ABB變頻器制動(dòng)斬波器和電阻的配置：

　　某些傳動(dòng)單元含有一個(gè)內(nèi)置的制動(dòng)斬波器作為標(biāo)準(zhǔn)配置對(duì)于外制動(dòng)斬波器作為可選件，電阻器為附加元件。

　　1）計(jì)算在制動(dòng)過程中，電機(jī)產(chǎn)生的最大制動(dòng)功率P_max
　　2）根據(jù)ABB相關(guān)資料配套選擇制動(dòng)斬波器/制動(dòng)電阻器（在選擇傳動(dòng)單元時(shí)，也要考慮其它因素）。必須滿足下面的條件：

　　其中，P_br由不同制動(dòng)的工作周期來選定。

　　3）制動(dòng)電阻的計(jì)算：
　　

　　U_DC表示制動(dòng)過程中，電阻兩端的電壓。

　　根據(jù)E_R（電機(jī)在一定時(shí)間產(chǎn)生的能量一定不能超過電阻器的熱損耗容量）、P_br、R來選擇相應(yīng)制動(dòng)單元類型。

　　4.4 抗干擾措施

　　由于變頻器起開關(guān)作用的線路都是由非線性元件組成，這樣在開斷電路的過程中勢必會(huì)產(chǎn)生高次諧波，從而使電源波形產(chǎn)生畸變，干擾其他電氣設(shè)備。在變頻器前側(cè)安裝電抗器，可抑制電源側(cè)過電壓，降低電流畸變，避免使電源受到嚴(yán)重干擾。電機(jī)電纜采用屏蔽電纜，與其他控制電纜走線時(shí)盡量分開，以避免線路干擾。可靠接地也是抑制干擾的重要措施，最好將動(dòng)力接地線與控制接地線分開，這樣就能切斷通過公用地線傳播干擾這一途徑。另外，由于電機(jī)線路較遠(yuǎn)，為了抑制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的過電壓，減少電機(jī)泄漏電流，減輕電機(jī)噪音，應(yīng)在電機(jī)與變頻器間安裝電抗器。

5 結(jié)束語

　　已經(jīng)投運(yùn)的電鏟全數(shù)字控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足電鏟工作要求，定位極其準(zhǔn)確。在實(shí)際正常生產(chǎn)運(yùn)行過程中, 變頻器節(jié)電效果非常顯著，同時(shí)平均事故時(shí)間降到工作時(shí)間的0.1%以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，有著很好的示范、推廣應(yīng)用價(jià)值。