變頻調(diào)速技術(shù)在4 m3電鏟上的應(yīng)用

徐銀飛

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2016.27.033

摘 要：該文簡(jiǎn)要論述了4 m3電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的類型，對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)的原理、4 m3電鏟交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了探討，并分析了交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的速度轉(zhuǎn)矩特性。變頻調(diào)速控制技術(shù)近年來發(fā)展迅速，是未來電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，在電鏟傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

關(guān)鍵詞：電鏟 變頻調(diào)速技術(shù) 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TD65 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）09（c）-0033-02

目前，在我國(guó)的礦山中，4 m3電鏟的保有量比較多，國(guó)產(chǎn)設(shè)備太重WK-4系列以及撫挖重工WD-400系列是我國(guó)中小型礦山中應(yīng)用最多的4 m3電鏟。4 m3電鏟型號(hào)的改進(jìn)與其機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的發(fā)展變化是密不可分的，尤其是電氣系統(tǒng)的改進(jìn)在其發(fā)展演變中扮演了極為重要的角色。

1 4 m3電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的類型

現(xiàn)階段礦用電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要有直流傳動(dòng)系統(tǒng)與交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)兩大類。直流傳動(dòng)系統(tǒng)在目前的礦山應(yīng)用中還處于主流地位，交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)屬于新型傳動(dòng)系統(tǒng)，但發(fā)展較為迅速，是未來礦用電鏟電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)與方向。

直流傳動(dòng)系統(tǒng)可分為機(jī)組直流傳統(tǒng)系統(tǒng)與可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)。早期的機(jī)組直流傳動(dòng)系統(tǒng)采用了直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，調(diào)速由模擬電路、繼電器和晶閘管來實(shí)現(xiàn)，提升、推壓、回轉(zhuǎn)及行走均為直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，供電系統(tǒng)為直流發(fā)電機(jī)機(jī)組?？煽毓柚绷髡{(diào)速系統(tǒng)相比于前者技術(shù)較為先進(jìn)，效率也有所提升，采用的是晶閘管變流器-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，控制電路早期為繼電器有觸點(diǎn)、后繼升級(jí)為PLC控制。無論是機(jī)組直流傳動(dòng)系統(tǒng)還是可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)，都存在著維修工作量大、效率較低等直流電機(jī)的固有缺陷，無法從根本上解決實(shí)踐應(yīng)用中存在的問題。

交流變頻傳動(dòng)系統(tǒng)近年來發(fā)展迅速，相較于直流調(diào)速系統(tǒng)，具有節(jié)電、可靠性高、調(diào)速性能好、生產(chǎn)效率高、維護(hù)量小、功率因素高等優(yōu)點(diǎn)。變頻調(diào)速控制方式較多采用交—直—交控制系統(tǒng)，通過控制回路頻率的調(diào)整，控制可控硅的導(dǎo)通，直接調(diào)整交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?？刂葡到y(tǒng)采用PLC控制技術(shù)進(jìn)行邏輯控制，系統(tǒng)包括 PLC控制器、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和專用變頻器。

2 變頻調(diào)速技術(shù)的原理

變頻控制技術(shù)目前已被廣泛地應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域，電力電子器件經(jīng)歷了從晶閘管（SCR）、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）到絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管（HVIGBT）的發(fā)展過程?？刂萍夹g(shù)也由VVVF變頻，發(fā)展到了矢量控制變頻以及直接轉(zhuǎn)矩控制變頻。

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理為三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式，即：n=n1（1-s）=60f（1-s）/p。由轉(zhuǎn)速公式可知，異步電機(jī)的調(diào)速可以通過改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率以及頻率來實(shí)現(xiàn)。但改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率存在著轉(zhuǎn)差損耗大、效率低的問題，對(duì)電機(jī)特性具有一定的局限性。而變頻調(diào)速是通過改變定子電源頻率來改變同步頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。在調(diào)速的整個(gè)過程中，從高速到低速可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而具有高效、調(diào)速范圍寬（10%～100%）及精度高等性能，節(jié)電效果20%～30%。實(shí)際上，變頻調(diào)速的全稱應(yīng)為可變頻率可變電壓調(diào)速，也就是說，在改變頻率的同時(shí)還需要改變電壓才能獲得良好的變頻特性，頻率與電壓協(xié)調(diào)控制是變頻調(diào)速的基本要求。

3 4 m3電鏟交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的特點(diǎn)

4 m3電鏟交流調(diào)速控制系統(tǒng)的信號(hào)信息交換采用Profibus總線傳輸協(xié)議，PLC控制器為核心控制器，目前主要采用西門子S7-300型。提升、推壓、回轉(zhuǎn)、行走分別采用1臺(tái)250 kW、1臺(tái)90 kW、3臺(tái)75 kW以及1臺(tái)90 kW的交流鼠籠式電動(dòng)機(jī)；變頻控制器采用ABB生產(chǎn)的ACS800型專用變頻器。

由圖1的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主回路示意圖可以看到，4 m3電鏟交流變頻控制系統(tǒng)提供了1臺(tái)整流變壓器與1臺(tái)輔助變壓器。高壓電源AC6000V經(jīng)高壓隔離開關(guān)、高壓熔斷器進(jìn)入TM2輔助變壓器，輸出380 V/220 V/170 V電壓為電鏟各輔助電機(jī)及其他用電設(shè)備提供電源；經(jīng)由高壓真空接觸器輸入到整流變壓器TM1，輸出AC690V電壓為提升、推壓、回轉(zhuǎn)/行走系統(tǒng)提供動(dòng)力電源。提升、推壓、回轉(zhuǎn)/行走系統(tǒng)采用了3臺(tái)ACS800專用變頻控制器作為調(diào)速主控制器，由于電鏟在行走時(shí)不能使用回轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置，因此，回轉(zhuǎn)與行走系統(tǒng)共用一臺(tái)變頻控制器，通過切換裝置實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)與行走不同狀態(tài)下的變頻控制。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)與直流傳動(dòng)的電鏟控制系統(tǒng)相較，具有節(jié)約電能、可靠性高、維護(hù)工作量小、功率因數(shù)及生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，是電鏟電氣傳統(tǒng)系統(tǒng)在未來的發(fā)展趨勢(shì)。

4 交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的速度轉(zhuǎn)矩特性分析

從圖2可以看出，交流變頻控制系統(tǒng)的速度與轉(zhuǎn)矩特性分為AB、BC、CD三段，分別為啟動(dòng)段、調(diào)速段與正常運(yùn)行段。在啟動(dòng)段，系統(tǒng)提供的是基于恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速輸出；調(diào)速段提供的是恒功率的調(diào)速輸出，而在正常運(yùn)行段，則是基于自然機(jī)械特性的速度輸出。交流變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的這種速度、轉(zhuǎn)矩特性與傳統(tǒng)直流傳動(dòng)方式的下垂特性相比存在著明顯的差別。

電鏟屬于負(fù)荷變化很大的機(jī)械裝置，而且通常工作環(huán)境也比較惡劣，從生產(chǎn)工藝的要求出發(fā)，電鏟的拖動(dòng)系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)方面的要求：一是在正常工作范圍內(nèi)設(shè)備需要保證具有較高的生產(chǎn)效率，即當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速下降要??；二是當(dāng)設(shè)備超負(fù)荷達(dá)到最大限值時(shí)，轉(zhuǎn)速能夠快速下降并自動(dòng)限制堵轉(zhuǎn)電流，避免機(jī)電設(shè)備因系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而受損，而當(dāng)負(fù)載減小時(shí)，又能快速反應(yīng)自動(dòng)加速開始重新作業(yè)；三是電鏟的提升、推壓、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于經(jīng)常的起制動(dòng)與正反轉(zhuǎn)，需要具備快速靈敏的反應(yīng)過程能力；四是由于電鏟嚴(yán)苛的作業(yè)環(huán)境，其電氣傳動(dòng)系統(tǒng)需要能夠承受得起劇烈的振動(dòng)，不因此而損壞或形成隱患。

相較于傳統(tǒng)的直流傳動(dòng)系統(tǒng)，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可以在低速及堵轉(zhuǎn)的條件下獲得最大的轉(zhuǎn)矩，提高了電鏟重載起動(dòng)的能力，有效縮短了電鏟的起動(dòng)時(shí)間，提高了生產(chǎn)率。而且從圖1可以看出，變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的速度與轉(zhuǎn)矩曲線面積明顯大于傳統(tǒng)直流傳動(dòng)系統(tǒng)，這也意味著在相同容量下變頻調(diào)速控制系統(tǒng)可以使電鏟獲得更大的有用力矩與鏟斗瞬時(shí)功率，可以有效提高電鏟的挖掘速度。

5 結(jié)語

由于電鏟作業(yè)對(duì)于電氣傳統(tǒng)系統(tǒng)的嚴(yán)苛要求，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)成為了電鏟電氣傳統(tǒng)系統(tǒng)改進(jìn)的趨勢(shì)。目前，太重以及撫挖重工都在4 m3電鏟上推出了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的改進(jìn)型號(hào)，其性能相較于直流傳動(dòng)系統(tǒng)均有較大提升，但對(duì)于多數(shù)礦山現(xiàn)在所保有的4 m3電鏟，由于在改造成本、技術(shù)等方面的原因，目前應(yīng)用范圍還不是很大，還需要進(jìn)一步地推廣與研發(fā)。

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