大型挖掘機電力傳動系統(tǒng)研究與工程實踐

姬凱 徐明 錢麗 高躍, 陳嘉福,

（1.中船重工集團公司712研究所，武漢 430064；2.艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點實驗室，武漢 430064）

大型礦用挖掘機（簡稱電鏟）是大型礦山采礦場主要裝卸設(shè)備，其工作環(huán)境惡劣，振動和粉塵大，系統(tǒng)可靠性要求高[1]。電鏟動力來源于電網(wǎng)，通過電力傳動完成行走、提升、回轉(zhuǎn)和推壓協(xié)調(diào)作業(yè)，2300XP型電鏟供電容量大于 1.5 MVA，其中提升機構(gòu)所需傳動功率最大，單臺傳動裝置直流工作電流達1800 A，傳動系統(tǒng)是電鏟的核心設(shè)備[2]。

1 電力傳動系統(tǒng)組成

電力傳動系統(tǒng)如圖1，電鏟取電AC6000 V電網(wǎng)，經(jīng)集電環(huán)送至斷路器；主、輔變壓器分別作為系統(tǒng)的高壓和低壓輔助電源；四套變流裝置切換后給七臺電機供電；兩臺行走電機經(jīng)減速箱后，分別驅(qū)動兩側(cè)履帶，實現(xiàn)行走功能；推壓電機經(jīng)減速箱再通過齒輪和齒條驅(qū)動斗桿，實現(xiàn)推壓動作；兩臺提升電機并聯(lián)通過減速箱驅(qū)動鋼纜卷筒完成鏟斗提升和下放作業(yè)；兩臺回轉(zhuǎn)電機分別立式安裝，經(jīng)減速箱共同驅(qū)動轉(zhuǎn)盤齒輪，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能；另外，LC濾波器抑制變流器網(wǎng)側(cè)諧波，晶閘管投切電容裝置(TSC)補償無功功率[3]。

2 晶閘管無環(huán)流四象限調(diào)速系統(tǒng)

晶閘管邏輯無環(huán)流四象限調(diào)速系統(tǒng)作為直流它勵電機的電樞電源（勵磁另由可控整流電源控制），是電鏟電傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵。

無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)采用兩組晶閘管反并聯(lián)（如圖2所示）解決電機正反轉(zhuǎn)運行和回饋制動問題，四象限化分為：一象限正組整流，正向電動；二象限反組逆變，正向制動回饋；三象限反組整流，反向電動；四象限正組逆變，反向制動回饋。若兩組整流橋同時工作則產(chǎn)生不流經(jīng)負(fù)載的環(huán)流，用邏輯算法使一組橋工作時，封鎖另一組橋觸發(fā)脈沖，使之阻斷，確保兩組橋不同時工作，構(gòu)成邏輯無環(huán)流控制可逆系統(tǒng)，根本上切斷了環(huán)流的通路，不用再設(shè)置環(huán)流電抗器[4]。

圖1 系統(tǒng)組成

圖2 晶閘管邏輯無環(huán)流系統(tǒng)拓?fù)?/p>

無環(huán)流邏輯如表1所示，控制器按照系統(tǒng)工作狀態(tài)指揮正/反組橋自動切換，其輸出信號控制正/反組橋觸發(fā)脈沖封鎖或開放，輸入信號采用轉(zhuǎn)矩給定作極性鑒別，同時檢測是否滿足零電流條件，切換時經(jīng)死區(qū)延時，從發(fā)出切換指令到封鎖原組橋的時間為封鎖延時，因為電流實際波形是脈動的，從本橋整流到推β逆變，脈動電流可能會瞬時為零，若封鎖脈沖則逆變顛覆。封鎖延時大約需要半個到一個脈波時間2～3 ms，從封鎖本橋到開放它橋為開放延時，這為本橋晶閘管恢復(fù)阻斷的時間，一般大于一個脈波時間5～7 ms[4]。最后輸出信號之間必須有連鎖的保護，杜絕兩組脈沖同時開放。邏輯控制切換程序流程如圖 3，切換時的仿真波形如圖4。

表1 無環(huán)流邏輯

控制系統(tǒng)仍采用典型的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩雙閉環(huán)實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，考慮磁通恒定時，轉(zhuǎn)矩線性正比于電樞電流，而補償電樞電流在電樞阻抗上的壓降后，機端電壓等于反電勢，正比于轉(zhuǎn)速，形成電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)，節(jié)省了價格不菲的速度傳感器，雙閉環(huán)控制的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)的最佳整定法和振蕩指標(biāo)法在工程應(yīng)用中早趨成熟[5]，不贅述。

圖3 邏輯控制切換程序流程

圖4 無環(huán)流切換過程的電樞電壓、電流、轉(zhuǎn)速

4 采礦工藝的控制及其實現(xiàn)

4.1 提升

4.1.1負(fù)荷分配

提升電機兩臺并聯(lián)，剛性連接，共一套機械傳動裝置驅(qū)動負(fù)載，兩電機速度相等，負(fù)荷分配不均會造成一臺電機過載，甚至可能另一臺電機工作在發(fā)電模式，負(fù)荷分配方案如下：

（1）轉(zhuǎn)矩主從控制：以一臺調(diào)速器為主，包括速度、轉(zhuǎn)矩控制，另一臺為輔，只有轉(zhuǎn)矩控制，其轉(zhuǎn)矩給定值由主調(diào)速器產(chǎn)生，共一個速度環(huán)，分別采用兩個轉(zhuǎn)矩環(huán)，轉(zhuǎn)矩給定平分，如圖5所示，負(fù)載特性如圖 8(a)。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的快速、同步性，兩調(diào)速器之間采用光纖通信（SIMOLINK協(xié)議）[6]。

圖5 轉(zhuǎn)矩主從控制

（2）速度、轉(zhuǎn)矩環(huán)均獨立，共一個速度給定，且速度給定隨著轉(zhuǎn)矩增大適當(dāng)減小呈下垂（drop）特性，即速度環(huán)軟化，如圖6所示，根據(jù)其負(fù)載特性的硬度自動分配轉(zhuǎn)矩，犧牲了速度靜差。負(fù)載特性如圖8(b)。

圖6 速度環(huán)軟化

（3）一臺速度環(huán)軟化呈 drop特性，用另一臺的轉(zhuǎn)矩作補償，另一臺速度環(huán)不軟化，設(shè)為平直的硬特性，工作中，軟特性的一臺根據(jù)補償量平移，特性硬的一臺根據(jù)實際負(fù)載情況給定轉(zhuǎn)矩，如圖7所示，兩臺負(fù)載自動分配，速度環(huán)無靜差。負(fù)載特性如圖8(c)。

圖7 速度環(huán)軟化補償

圖8 負(fù)載特性

本文采用一種新穎的共脈沖方案，兩套整流橋共用一套觸發(fā)脈沖，與電機交替串聯(lián)，交流電壓幅值相位相同，實踐取得良好效果，其優(yōu)點在于：①硬件拓?fù)浔ＷC了兩臺電機電流相同、轉(zhuǎn)矩平分； ②控制簡單可靠，調(diào)試方便； ③減少了控制器數(shù)量，一個驅(qū)動多組；缺陷在于無法實現(xiàn)系統(tǒng)冗余。

4.1.2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)的改進和優(yōu)化

提升工況靜動態(tài)性能要求高，容量最大，拓?fù)渥顝?fù)雜，普通雙閉環(huán)調(diào)節(jié)難以滿足要求，需改進和優(yōu)化。

（1）轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能的不足是轉(zhuǎn)速超調(diào)，且抗擾性受到限制，轉(zhuǎn)速超調(diào)引起鋼纜抖動振蕩，不滿足提升工藝要求，在轉(zhuǎn)速環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的基礎(chǔ)上疊加轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋如圖 9，只要轉(zhuǎn)速有超調(diào)和動態(tài)速降的趨勢，微分負(fù)反饋就開始調(diào)節(jié)，與速度反饋一起與給定相抵，提前退飽和（退飽和時間的提前量即微分時間常數(shù)），抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)，降低動態(tài)速降，提高抗擾性能，比普通雙閉環(huán)系統(tǒng)更快達到平衡，值得一提的是微分負(fù)反饋必需濾波，否則引入新的干擾[5]。

圖9 轉(zhuǎn)速微分負(fù)反饋

（2）電流變化率內(nèi)環(huán)

雙閉環(huán)調(diào)速為了提高系統(tǒng)快速性，希望電流變化率較大，較高的電流變化率使直流電機產(chǎn)生很高的換向電動勢，使換向器上出現(xiàn)不能容許的火花，且過高的轉(zhuǎn)矩變化率引起傳動機械很強的沖擊，加快磨損，為此在電流環(huán)內(nèi)設(shè)置電流變化率環(huán)，通過電流變化率環(huán)的調(diào)節(jié)，使電流變化率，保持允許的最大值不致過高，構(gòu)成轉(zhuǎn)速、電流、電流變化率三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（圖10）[5]，ASR的輸出ACR的給定，其限幅值控制最大電流；ACR的輸出作為電流變化率調(diào)節(jié)器ADR的給定，其輸出限幅值控制最大的電流變化率，ADR的輸出控制觸發(fā)電路，其最大輸出限幅值決定觸發(fā)脈沖的最小控制角αmin，ADR的負(fù)反饋信號來自電流的微分加濾波。

圖10 電流變化率內(nèi)環(huán)

4.1.3弱磁控制

鏟斗下放，制動轉(zhuǎn)矩小，通過適當(dāng)弱磁，在相同電動勢給定時，提高了速度，增加作業(yè)效率；在相同速度下，增大了電流，保證了電流連續(xù)性，提高機械特性硬度，且緩和了相控整流深控時的諧波污染。

4.1.4預(yù)緊力控制

鏟斗放置在地上時，鋼纜不受力而松弛，會脫離卷筒，且啟動時劇烈伸縮，帶來沖擊抖動。為此系統(tǒng)設(shè)置鋼纜預(yù)緊力控制，轉(zhuǎn)矩給定加偏置和S曲線斜坡，啟動過程舒緩穩(wěn)定，避免了振蕩和沖擊。

4.2 挖掘

4.2.1挖土機特性

對于挖掘機這種挖掘阻力不確定的負(fù)載工況控制系統(tǒng)，采用挖土機特性，如圖11(a），利用電流截止負(fù)反饋實現(xiàn)對電機限電流保護：當(dāng)負(fù)載阻力超過截止點后，隨著負(fù)載阻力的進一步增加，電動機的轉(zhuǎn)速將隨之下降，實現(xiàn)對電動機的保護。實際系統(tǒng)采用圖11(b）曲線，具有效率高、易控制等優(yōu)點，挖掘過程中，系統(tǒng)在額定轉(zhuǎn)速以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，當(dāng)鏟斗出了物料后，系統(tǒng)進入恒功率調(diào)速，速度自動停留在與負(fù)載大小相對應(yīng)的工作點上。

圖11 挖土機特性

4.2.2提升與推壓協(xié)調(diào)優(yōu)化挖掘性能

以提升轉(zhuǎn)矩為基礎(chǔ)，建立提升轉(zhuǎn)矩與推壓轉(zhuǎn)矩之間的控制模型，實現(xiàn)提升轉(zhuǎn)矩與推壓轉(zhuǎn)矩最佳配合，對產(chǎn)品的性能、工作效率和機械壽命尤為重要。在提升轉(zhuǎn)矩小于50%時，推壓轉(zhuǎn)矩限幅為額定值的60%，提升轉(zhuǎn)矩大于50%時，推壓轉(zhuǎn)矩限幅隨著提升轉(zhuǎn)矩的加大而加大，即在挖掘過程中，推壓轉(zhuǎn)矩的限幅值是提升轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，這樣既保證了鏟斗在挖掘根部物料時防止起重臂頂起，又可保證在挖掘物料時推壓機構(gòu)具有足夠的力矩，提高滿斗率。

4.2.3減振

考慮到減速器齒隙的影響，防止齒隙造成的啟動和反向機械沖擊，在轉(zhuǎn)矩環(huán)給定前加入較大斜坡和圓弧，并設(shè)定S形速度啟停曲線，控制加速段速度逐漸增加，避免沖擊，減速階段則速度在最后階段越來越小，有利于迅速準(zhǔn)確停車，滿足動態(tài)穩(wěn)定和可靠性要求，防止加/減速度過大導(dǎo)致的沖擊振動、應(yīng)力突變、機架變形等一系列問題，為進一步減小振動，推壓機構(gòu)在零速時，將控制方式由速度控制轉(zhuǎn)換為大力矩，從而減小了由于推壓力而引起的震動。

4.3 回轉(zhuǎn)

4.3.1轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制模式切換

回轉(zhuǎn)機構(gòu)是典型的大慣量負(fù)載，為減小啟停機械沖擊，延長機械壽命，使系統(tǒng)制動快速平穩(wěn)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)低速啟停采用轉(zhuǎn)矩控制方式，主令給定為轉(zhuǎn)矩，高速為轉(zhuǎn)速控制方式，轉(zhuǎn)矩限幅，符合駕駛員操作習(xí)慣。

4.3.2側(cè)向受力保護

回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限制：提升和推壓轉(zhuǎn)矩同時大于75%時，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩限幅在5%，防止在挖掘期間出現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)，確保斗桿和起重臂不受過大的側(cè)向力。

4.4 行走、回轉(zhuǎn)均采取與推壓相同的減振措施。

5 保護裝置

電鏟工作環(huán)境惡劣，沖擊負(fù)荷大，電磁干擾嚴(yán)重，配備了完善的保護，如電機欠壓、過壓、超速、過流過載、過熱、失磁及晶閘管定位故障分析判斷等。為提高冗余可靠性，單獨研制了分流和壓差保護裝置。壓差保護用于防止負(fù)荷分配不均導(dǎo)致電機等設(shè)備損壞。分流保護針對傳動系統(tǒng)發(fā)生電機換向故障、晶閘管觸發(fā)故障、換流故障、短路、負(fù)荷分配不均、回饋制動時突然斷電等引起過流時，立即觸發(fā)相應(yīng)晶閘管分流使整流器被施加反壓強制關(guān)斷，同時將電機儲能分流到制動電阻上以熱能消耗，如圖12所示，避免了電機嚴(yán)重環(huán)火、甚至燒毀電機和整流橋事故發(fā)生，在機械抱閘設(shè)置前，電阻能耗制動幾乎使電機速度降為零，使抱閘的摩檫片磨損減小到最小程度。

圖12 分流保護

6 監(jiān)控

監(jiān)控系統(tǒng)由PLC和人機界面組成，另裝現(xiàn)場控制遠程站，完成邏輯控制與數(shù)據(jù)處理。PLC是系統(tǒng)核心，其功能包括運行狀態(tài)采集、邏輯控制、給定指令（調(diào)速/TSC）、故障診斷（鑒定分析）、電能計量及與觸摸屏的通信。人機界面利用工控機和西門子HMI監(jiān)控軟件WinCC6.0作為操作界面，通過以太網(wǎng)與系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，在給定的同時實時顯示運行狀態(tài)，并存儲歷史狀態(tài)和報警記錄。為故障的定位、排查提供方便。系統(tǒng)通信采用PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線協(xié)議，各變流器、TSC、司機室/機棚遠程站分別掛接在總線上，構(gòu)成分布式控制網(wǎng)絡(luò)，體現(xiàn)了全鏟一體化的先進自控理念[6]。

7 運行情況及小結(jié)

用上述技術(shù)對2300XP型電鏟模擬系統(tǒng)進行數(shù)字化升級改造成功，在江銅集團德興銅礦投運，新鏟傳動系統(tǒng)具有良好性能，完全適應(yīng)挖掘機外載荷量變化頻繁、振動和沖擊載荷大、環(huán)境溫差大等特點，可靠性、生產(chǎn)效率、功率因數(shù)等方面大有提高，完全滿足礦用挖掘機進行剝離、開采和裝卸等作業(yè)，性能達到國外新型電鏟水平；并且，較高的性價比、低維護成本和雄厚的技術(shù)支持，為業(yè)主提供了保障。

[1]J. Rodríguez, L. Morán, J. Pontt,J. Espinoza, R. Díaz,E. Silva. Operating Experience of Shovel Drives for Mining Applications[J]. IEEE Trans. on Industry Applications, 2002, 38(7).

[2]齊凱, 韓維. 國大型礦用挖掘機—電鏟概述[J]. 一重技術(shù)2008(1).

[3]吉孟瀾. 挖掘機控制系統(tǒng)特點及發(fā)展方向[J]. 重工科技, 2001(1).

[4]陳堅. 電力電子學(xué)－電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社,2004.

[5]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2005.

[6]西門子電氣傳動公司SIMOREG DC Master 6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速裝置使用說明書. 2006.