ABB變頻器在電鏟中的應用

1 工藝要求

　　電力挖掘機（電鏟）用于裝載礦巖，目前我國各工礦企業所使用的電鏟，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，經常出現過大的沖擊載荷，甚至堵轉。因此，電鏟對電氣傳動系統有較高的要求：電氣傳動系統的機械特性曲線的包絡面積大，有足夠的有用功率;有良好的調速性能，能四象限運行，能快速地進行加、減速和反轉，動態響應速度快;系統制動性能好，并能回收能量;系統運行可靠，維修方便等。由于電鏟對電氣傳動系統的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應用的電氣傳動系統主要還是直流傳動系統。其電控系統采用的是由交流電動機—直流發電機—直流電動機組成主傳動控制系統。這種系統能耗高、站地面積大、噪聲大、并且缺乏對電機有效地保護，電氣系統老化很快、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，使用挖掘機經常有燒毀電機的現象，增加了維修量、增大了維修費用、降低了作業率。因此，電力挖掘機（電鏟）的全數字化技術的應用一直是國內很多工礦企業所企盼的技術。該挖掘機全數字電控系統中就采用了交流變頻技術，是全交流化的電鏟電氣系統;根據挖掘機的機械特性等和現場實際條件，進行了設計，完全滿足設備現代化和高效生產可靠性要求，將其簡稱為交流變頻調速電鏟。

2 控制方案

　　本控制系統中電機正常運行時，各個電機能迅速實現正、反向運行，能平滑地調速，保持較硬的機械特性，以便獲得較大的起、制動力矩，縮短過渡過程，提高生產率，升速及減速快慢即斜率根據現場進行調節，及在生產過程中，能借助于變動負荷來調節電機的工作，實現自動控制。

　　為滿足這些要求，我們采取了下面的控制方案：

　　采用PLC控制技術進行邏輯控制，對變頻器和各個電機進行整體控制，由變頻器分別拖動提升電機、推壓電機、回轉行走電機等，即1對1控制方式;變頻器與PLC系統之間采用Profibus-DP進行通訊;其中PLC西門子S7-300，變頻器選用ABB ACS800。

　　本交流變頻調速電鏟內部的基本結構是，高壓交流電由電纜經集電環引入電鏟, 由主變壓器將電壓變換,再經過變頻器，供電給提升電動機、回轉電動機、推壓電動機、開斗電動機等。結構如圖1所示。

3 ACS800變頻器拖動交流電機通用控制特性簡介

　　ACS800變頻器采用DTC（直接轉矩控制）電機控制技術，提供了先進的標準功能。

　　3.1 識別運行

　　DTC控制的優良性能取決于準確的電機模型，這個模型是在電機識別的運行中建立的。在傳動起動的過程中，ACS800驅動電機運行大約是一分鐘，控制電路監視電機的反應，建立并優化電機的數學模型。如果沒有選擇識別運行，當第一次給出起動命令，將自動執行一個快速電機識別程序。第一次起動時，電機在零速運行幾秒鐘，以便建立電機模型。這個識別運行克滿足大多數應用場合的要求。

　　3.2 零速滿轉矩

　　由ABB變頻器驅動的電機在零速時能夠獲得其額定轉矩，而不需要編碼器或測速機的反饋信號。另外，在參數 26.03 IR COMPENSATION中調整零速時供給電機的額外相對電壓值，范圍是0...30%Une，IR補償可以增加起動轉矩。當IR補償起作用時，傳動單元會在低速或零速運轉的電機增加電壓。

　　3.3 直流抱閘

　　通過直流抱閘保持功能可以將電機轉子鎖定在零速。當速度給定和電機速度均降到預設的直流保持速度以下時，傳動單元使電機停止并將直流注入電機。

　　3.4 加速/減速斜坡

　　ACS800提供加速/減速時間。可以調節加速/減速時間（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地傳動或緩慢加/減速的現場，S-曲線形非常適用于傳送易碎的物品的傳送機或其它需要平穩地改變速度的場合。

4 技術要點

　　4.1直接轉矩控制方式（DTC）

　　變頻器有U/f 恒定控制、轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩（DTC）等多種控制，不同的控制系統其性能不盡相同，適應的負載也有區別。因本系統需要在動態過程中具有較快的轉矩響應，且具有較大的啟動轉矩，最好在低速時能具有最

　　大的轉矩輸出,選用直接轉矩控制系統最為恰當。ACS800變頻器可以應用在有較高的過載能力要求的場所，其傳動核心：直接轉矩控制（DTC），具有高精度的動、靜態指標和大的啟動轉矩;速度的靜態精度可以到0.01%，動態精度可以到0.1%;在零速時可以輸出1.5～2倍的額定轉矩;方便靈活的編程功能和多級速度設定功能;具有電磁制動、直流注入方式的能耗制動和專用的機械制動器的控制功能。還可以設定不同的啟動轉矩和速度曲線，并可通過數字量輸入來設定多級速度，有利于平穩起動、制動和準確停車，可以很好地滿足電鏟挖掘機其機構的特殊要求。

　　4.2 控制與通訊

　　Acs800變頻器的DI1～DI6為數字輸入，DI1控制電機正轉，DI2控制電機反轉。

　　以推壓電機為例：低壓進線柜里的斷路器QF和接觸器KM是變頻器工作的先決條件，當其合閘后，相應的變頻器開始上電，當變頻器沒有故障時就緒信號I5.1送給PLC;變頻器有故障時，故障信號I5.3 送給PLC;當變頻器就緒沒有故障時, 等待從PLC 發來的運行信號。當運行信號Q 2.2 送進ACS800 DI1端子時，變頻器開始控制電機正向運行;當運行信號Q 2.3 送進ACS800 DI2端子，變頻器開始控制電機反向運行;當電機正常運行變頻器有輸出時，X21的AO1端口輸出電機的實際速度，X21的AO2端口輸出對應的電流（4～20mA）?？刂脐P系如圖2所示。

　　ABB ACS800變頻器可以使用PROFIBUS-DP協議進行通訊。PROFIBUS - DP現場總線是一種全數字化的、串行、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡, 專為自動控制系統和分散I/ O 設備之間通信而設計的，抗干擾性強，大幅降低安裝、運行和維護的成本本電鏟控制系統中，PLC作為PROFIBUS-DP總線的主站，電鏟的回轉行走變頻器、提升變頻器、推壓變頻器作為設備從站。PLC主站一方面負責讀取各個變頻器的數據和狀態，然后把這些數據送入其內部處理器進行處理和運算，從而實現對變頻器的數據、位置和狀態進行判斷和運算。另一方面，PLC主站將從內部處理器獲得的變頻器運動控制數據通過PROFIBUS-DP總線發送給回轉行走變頻器，從而驅動變頻器運行，實現設備的驅動控制。

　　ACS800變頻器是通過適配器模塊NPBA連接到外部控制系統，主機與傳動裝置必須經過配置，以便數據通過模塊交換。在S7-300的“硬件組態”功能中可配置Profibus-DP的網絡組態，需安裝ABB相應適配器模塊的程序補丁后，在設備目錄中出現ABB ACS傳動系列產品列表，將S7-300組態為網絡主站，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協議速度為10M/s的光纖連接。

　　4.3 制動方式及制動單元配置

　　因對象是位能負載，當電機處于發電狀態，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電阻方式來實行能量消耗。

　　因電鏟的內部工作需要多個電機同時運作，例如提升機、推壓機、回轉行走控制電機等，各個電機一般需要分別擁有制動單元;在本應用中則只采用一組制動單元多個電機共享的方式，能極大的提高系統制動的快速響應。結構如圖3所示。

　　ABB變頻器制動斬波器和電阻的配置：

　　某些傳動單元含有一個內置的制動斬波器作為標準配置對于外制動斬波器作為可選件，電阻器為附加元件。

　　1）計算在制動過程中，電機產生的最大制動功率P_max
　　2）根據ABB相關資料配套選擇制動斬波器/制動電阻器（在選擇傳動單元時，也要考慮其它因素）。必須滿足下面的條件：

　　其中，P_br由不同制動的工作周期來選定。

　　3）制動電阻的計算：
　　

　　U_DC表示制動過程中，電阻兩端的電壓。

　　根據E_R（電機在一定時間產生的能量一定不能超過電阻器的熱損耗容量）、P_br、R來選擇相應制動單元類型。

　　4.4 抗干擾措施

　　由于變頻器起開關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產生高次諧波，從而使電源波形產生畸變，干擾其他電氣設備。在變頻器前側安裝電抗器，可抑制電源側過電壓，降低電流畸變，避免使電源受到嚴重干擾。電機電纜采用屏蔽電纜，與其他控制電纜走線時盡量分開，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，由于電機線路較遠，為了抑制電機啟動時產生的過電壓，減少電機泄漏電流，減輕電機噪音，應在電機與變頻器間安裝電抗器。

5 結束語

　　已經投運的電鏟全數字控制系統，動態響應快，運行穩定，能夠滿足電鏟工作要求，定位極其準確。在實際正常生產運行過程中, 變頻器節電效果非常顯著，同時平均事故時間降到工作時間的0.1%以下，大幅度提高了產品質量和產量，有著很好的示范、推廣應用價值。