0 引言

近年來(lái)，大型露天礦山中的裝運(yùn)設(shè)備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現(xiàn)在大型電氣設(shè)備———電鏟車(chē)上。

電鏟車(chē)上的電氣設(shè)備主要由提升、推壓、行走和回轉(zhuǎn)等部分組成，控制系統(tǒng)一般采用技術(shù)十分成熟的直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。然而，由于直流調(diào)速系統(tǒng)維修費(fèi)用較高，且直流牽引電機(jī)在功率、速度和空間尺寸方面受到限制，基本上沒(méi)有更大的潛力可挖。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，基于矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)以其寬廣的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可四象限運(yùn)行的性能位居交流傳動(dòng)技術(shù)之首，其調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，將交流調(diào)速系統(tǒng)引入到電鏟車(chē)上，使其采用籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)成為可能，從而使電控系統(tǒng)具有了速度更高、功率更大、可靠性更強(qiáng)、效率更高和維護(hù)費(fèi)用更低的優(yōu)點(diǎn)。

1 電鏟車(chē)電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

將交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于電鏟車(chē)的電控系統(tǒng)中，須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1)采用無(wú)速度傳感器的控制策略。由于電鏟車(chē)工作在露天環(huán)境中，灰塵污染嚴(yán)重，易覆蓋和堵塞測(cè)速編碼器，影響其正常工作。另外，電鏟車(chē)工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)烈的自身震動(dòng)，而強(qiáng)烈震動(dòng)將很有可能導(dǎo)致編碼器的損害。

2)低頻時(shí)能保證電機(jī)的滿轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時(shí)滿負(fù)載工況下發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象。

3)滿負(fù)載時(shí)在空中制動(dòng)停車(chē)或再提升時(shí)，在不允許采用機(jī)械制動(dòng)抱閘的情況下，提升和推壓機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)下滑或溜車(chē)的現(xiàn)象。在電鏟車(chē)工作過(guò)程中，每完成一次鏟料—提升—回轉(zhuǎn)—下放—卸料的過(guò)程，提升和推壓機(jī)構(gòu)就需要在空中制動(dòng)停車(chē)一次。若采用機(jī)械抱閘的制動(dòng)方法來(lái)保證提升和推壓結(jié)構(gòu)的零速懸停，雖然可保障兩機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)下滑或溜車(chē)的現(xiàn)象，然而頻繁的抱閘動(dòng)作一方面會(huì)嚴(yán)重縮短抱閘的使用周期，另一方面抱閘的打開(kāi)和閉合所需的延時(shí)極大地限制了電鏟車(chē)的工作效率，同時(shí)抱閘與變頻器加減速時(shí)間的配合不當(dāng)還會(huì)引起溜車(chē)或變頻器堵轉(zhuǎn)跳閘的現(xiàn)象。

4)對(duì)再生制動(dòng)能量的處理必須迅速可靠。

5)電鏟車(chē)行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于采用同一套控制系統(tǒng)，二者的切換必須快速可靠。

在上述的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，尤以無(wú)傳感器技術(shù)和零速滿轉(zhuǎn)矩技術(shù)最為重要，它對(duì)于保證電鏟車(chē)安全可靠的工作起著舉足輕重的作用。

2 技術(shù)方案

根據(jù)目前比較成熟的高性能的交流調(diào)速技術(shù)，有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)兩種方案可供選擇，這兩種技術(shù)方案都可以較好地解決電鏟車(chē)的技術(shù)難，然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由于所采用的基于定子磁場(chǎng)定向的控制方法，故不需要在電機(jī)軸端安裝測(cè)速編碼器來(lái)反饋轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，而且仍能實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)靜態(tài)速度和力矩控制。另外，直接轉(zhuǎn)矩控制是對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，故對(duì)負(fù)載的變化響應(yīng)迅速，可實(shí)現(xiàn)快速的過(guò)程控制，同時(shí)又具有較高的過(guò)載能力和200豫的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?；谥苯愚D(zhuǎn)矩控制技術(shù)能夠完全滿足電鏟車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)要求，故在這里采用以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為核心的交流調(diào)速裝置。

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

交流異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock 教授首次提出，后經(jīng)過(guò)ABB 公司10多年的逐步完善以及產(chǎn)品化，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成為當(dāng)今交流傳動(dòng)的最先進(jìn)的控制方法之一。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在變頻器內(nèi)部建立了一個(gè)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)的直流母線電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流計(jì)算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的，這意味著可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載變化做出快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩響應(yīng)限制在一拍以內(nèi)，且無(wú)超調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制。控制原理圖如圖1 所示。

2.2 無(wú)測(cè)速傳感器及零速滿轉(zhuǎn)矩

矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在有測(cè)速傳感器條件下的控制精度相差無(wú)幾，大約為額定轉(zhuǎn)速的依0.01豫。然而，矢量控制技術(shù)的調(diào)速精度尤其是在零速附近對(duì)測(cè)速傳感器的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)傳感器失效時(shí)，其控制精度大為降低，只有額定轉(zhuǎn)速的依1%~3豫，很難保證電機(jī)零速時(shí)輸出滿轉(zhuǎn)矩的特性，從而出現(xiàn)提升和推壓機(jī)構(gòu)在零速時(shí)有下滑或溜車(chē)的現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可采用加轉(zhuǎn)速偏置的方法，雖在一定程度上可解決這一問(wèn)題，然而偏置量的過(guò)大或過(guò)小都會(huì)引起兩個(gè)機(jī)構(gòu)的緩慢上升或下滑。

采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)則不會(huì)存在上述問(wèn)題。一方面由于其采用基于定子磁場(chǎng)定向的電機(jī)模型，不需要測(cè)速傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，對(duì)測(cè)速傳感器的依賴性不強(qiáng)，即使沒(méi)有傳感器仍可以有很高的調(diào)速精度，可達(dá)額定轉(zhuǎn)速的依0.1%~0.5豫，故在零速附近仍可以維持滿轉(zhuǎn)矩的輸出，保證提升和推壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零速懸停。另一方面，根據(jù)無(wú)速度傳感器的控制原理，定子磁鏈由電壓模型計(jì)算得出，轉(zhuǎn)子磁鏈追r為

由式(5)可知電機(jī)轉(zhuǎn)速精度與定子磁鏈的準(zhǔn)確性關(guān)系密切。由電壓模型得到的定子磁鏈在低速時(shí)受到定子電阻壓降的影響，估算的磁鏈值準(zhǔn)確性下降，因此得到的轉(zhuǎn)速精度也隨之下降。為此，在無(wú)速度傳感器的條件下，為了保證全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速的估算精度，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的10豫，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的30豫時(shí)，ABB 變頻器ACS800 系列采用了FS-method(Flux Stabilizer)的控制策略，即高于額定轉(zhuǎn)速的10豫時(shí)采用基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算值，低于額定轉(zhuǎn)速的10豫時(shí)采用基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算值，克服了低速下由電壓模型估算的轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確的缺陷，從而保證了電動(dòng)機(jī)不僅在電動(dòng)狀態(tài)而且在發(fā)電狀態(tài)都具有零速滿轉(zhuǎn)矩的特性，最大轉(zhuǎn)矩輸出可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200豫。[!--empirenews.page--]

由于ACS800 系列變頻器具有無(wú)傳感器高控制精度和零速滿轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，可保證電鏟車(chē)的提升和推壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)空中的零速懸停而不必采用機(jī)械抱閘裝置，從而提高了電鏟車(chē)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。

2.3 再生能量的處理

對(duì)于電鏟車(chē)提升和推壓機(jī)構(gòu)工作中的再生能量的處理，可采取兩種解決方案：一種是整流橋采用由二極管組成的三相不控橋，外接制動(dòng)斬波器的方案，將再生能量通過(guò)制動(dòng)電阻以熱能的形式耗散掉，可采用的變頻器型號(hào)為ACS800-04/07;另一種是整流橋采用由IGBT組成的三相可控橋，再生能量通過(guò)可控整流橋回饋到電網(wǎng)中去，可采用的變頻器型號(hào)為ACS800-17。

另外，電鏟車(chē)的行走和回轉(zhuǎn)是分別運(yùn)行的，但為節(jié)省投資，行走和回轉(zhuǎn)采用同一個(gè)變頻調(diào)速裝置。為此可采用ACS800 標(biāo)準(zhǔn)軟件的兩個(gè)用戶宏切換的功能，即分別將行走和回轉(zhuǎn)的電機(jī)參數(shù)以及軟件參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)在用戶宏1 和用戶宏2 中，通過(guò)設(shè)定的數(shù)字輸入口的上升和下降沿即可實(shí)現(xiàn)行走和回轉(zhuǎn)兩套控制參數(shù)的切換，達(dá)到一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電機(jī)的目的。

3 實(shí)驗(yàn)分析

將ACS800 系列變頻器應(yīng)用于4 m3電鏟車(chē)的電控系統(tǒng)中，并在某水泥廠進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示。

其中，提升電機(jī)參數(shù)：

功率200 kW;

額定頻率37.5 Hz;

額定電流370 A;

額定轉(zhuǎn)速732 r/min;

變頻器型號(hào)為ACS800-04-0440-3，輸出視在功

率為440 kV·A。

推壓電機(jī)參數(shù)：

功率75 kW;

額定頻率38.9 Hz;

額定電流132 A;

額定轉(zhuǎn)速1 150 r/min;

變頻器型號(hào)為ACS800-04-0260-3，輸出視在功率為260 kV·A。

3.1 提升機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

提升系統(tǒng)零速懸停時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖3 所示(波形由ABB 專(zhuān)用調(diào)試和監(jiān)控軟件DriveWindow測(cè)得)。圖3 中，1 為轉(zhuǎn)速估算值;2 為轉(zhuǎn)速測(cè)量值;3為電機(jī)轉(zhuǎn)矩;4 為給定轉(zhuǎn)速值。由圖3 可見(jiàn)，由于采用了FS-Method，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值(曲線4所示)由400 r/min 下降為0 r/min 時(shí)，由變頻器根據(jù)電機(jī)內(nèi)部數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速(曲線1 所示)也迅速下降為0 r/min，且該轉(zhuǎn)速基本與由測(cè)速編碼器得到的轉(zhuǎn)速測(cè)量值(曲線2)一致，并與轉(zhuǎn)速給定值(曲線4)完全吻合。由于轉(zhuǎn)速在零速時(shí)估算的準(zhǔn)確性，變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩(曲線3 所示)可始終保持為恒定值，與負(fù)載相平衡，故可實(shí)現(xiàn)電鏟車(chē)提升結(jié)構(gòu)的零速懸停。由此說(shuō)明，采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可在無(wú)測(cè)速傳感器的條件下完全保證提升機(jī)構(gòu)的真正零速懸停。

3.2 推壓機(jī)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果分析

推壓系統(tǒng)零速懸停時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖4 所示(波形由ABB 專(zhuān)用調(diào)試和監(jiān)控軟件DriveWindow測(cè)得)。圖4 中，1 為轉(zhuǎn)速估算值;2為電流測(cè)量值;3 為電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩;4 為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩;5 為轉(zhuǎn)速給定值。由圖4可見(jiàn)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值(曲線5所示)由500 r/min 下降為0 r/min 時(shí)，由變頻器根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)速估算值(曲線1)也迅速跟蹤轉(zhuǎn)速給定值下降為零，并與給定值曲線相重合。由于轉(zhuǎn)速估算的準(zhǔn)確性，故變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值(曲線3)和轉(zhuǎn)矩實(shí)際值(曲線4)保持為恒定值，與實(shí)際負(fù)載相平衡，實(shí)現(xiàn)了推壓機(jī)構(gòu)零速懸停。由此說(shuō)明，采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可在無(wú)測(cè)速傳感器的條件下完全保證推壓機(jī)構(gòu)的真正零速懸停。

4 結(jié)語(yǔ)

在電鏟車(chē)上采用以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為核心的變頻器ACS800 系列可完全滿足在無(wú)速度傳感器條件下的轉(zhuǎn)速控制精度和轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的200豫的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而且不必采用機(jī)械抱閘裝置就可實(shí)現(xiàn)提升和推壓機(jī)構(gòu)的零速懸停，保證了電鏟車(chē)工作的可靠性和高的生產(chǎn)效率。