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(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，電鏟對電氣傳動系統(tǒng)有較高的要求：電氣傳動系統(tǒng)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(diào)速性能，能四象限運行，能快速地進行加、減速和反轉(zhuǎn)，動態(tài)響應速度快;系統(tǒng)制動性能好，并能回收能量;系統(tǒng)運行可靠，維修方便等。由于電鏟對電氣傳動系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，我國電鏟目前應用的電氣傳動系統(tǒng)主要還是直流傳動系統(tǒng)。其電控系統(tǒng)采用的是由交流電動機—直流發(fā)電機—直流電動機組成主傳動控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能耗高、站地面積大、噪聲大、并且缺乏對電機有效地保護，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，使用挖掘機經(jīng)常有燒毀電機的現(xiàn)象，增加了維修量、增大了維修費用、降低了作業(yè)率。因此，電力挖掘機（電鏟）的全數(shù)字化技術(shù)的應用一直是國內(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)挖掘機的機械特性等和現(xiàn)場實際條件，進行了設計，完全滿足設備現(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)中電機正常運行時，各個電機能迅速實現(xiàn)正、反向運行，能平滑地調(diào)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(chǎn)率，升速及減速快慢即斜率根據(jù)現(xiàn)場進行調(diào)節(jié)，及在生產(chǎn)過程中，能借助于變動負荷來調(diào)節(jié)電機的工作，實現(xiàn)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(shù)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(zhuǎn)行走電機等，即1對1控制方式;變頻器與PLC系統(tǒng)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(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，供電給提升電動機、回轉(zhuǎn)電動機、推壓電動機、開斗電動機等。結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩控制）電機控制技術(shù)，提供了先進的標準功能。

　　3.1 識別運行

　　DTC控制的優(yōu)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(qū)動電機運行大約是一分鐘，控制電路監(jiān)視電機的反應，建立并優(yōu)化電機的數(shù)學模型。如果沒有選擇識別運行，當?shù)谝淮谓o出起動命令，將自動執(zhí)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(shù)應用場合的要求。

　　3.2 零速滿轉(zhuǎn)矩

　　由ABB變頻器驅(qū)動的電機在零速時能夠獲得其額定轉(zhuǎn)矩，而不需要編碼器或測速機的反饋信號。另外，在參數(shù) 26.03 IR COMPENSATION中調(diào)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(zhuǎn)矩。當IR補償起作用時，傳動單元會在低速或零速運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?？梢哉{(diào)節(jié)加速/減速時間（0～1000s）和斜坡形狀?？蛇x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或其它需要平穩(wěn)地改變速度的場合。

4 技術(shù)要點

　　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，適應的負載也有區(qū)別。因本系統(tǒng)需要在動態(tài)過程中具有較快的轉(zhuǎn)矩響應，且具有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，最好在低速時能具有最

　　大的轉(zhuǎn)矩輸出,選用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最為恰當。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(zhuǎn)矩控制（DTC），具有高精度的動、靜態(tài)指標和大的啟動轉(zhuǎn)矩;速度的靜態(tài)精度可以到0.01%，動態(tài)精度可以到0.1%;在零速時可以輸出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(zhuǎn)矩和速度曲線，并可通過數(shù)字量輸入來設定多級速度，有利于平穩(wěn)起動、制動和準確停車，可以很好地滿足電鏟挖掘機其機構(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控制電機正轉(zhuǎn)，DI2控制電機反轉(zhuǎn)。

　　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(fā)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）。控制關系如圖2所示。

　　ABB ACS800變頻器可以使用PROFIBUS-DP協(xié)議進行通訊。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, 專為自動控制系統(tǒng)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(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、推壓變頻器作為設備從站。PLC主站一方面負責讀取各個變頻器的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，然后把這些數(shù)據(jù)送入其內(nèi)部處理器進行處理和運算，從而實現(xiàn)對變頻器的數(shù)據(jù)、位置和狀態(tài)進行判斷和運算。另一方面，PLC主站將從內(nèi)部處理器獲得的變頻器運動控制數(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)動變頻器運行，實現(xiàn)設備的驅(qū)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(tǒng)，主機與傳動裝置必須經(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)絡組態(tài)，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(xiàn)ABB ACS傳動系列產(chǎn)品列表，將S7-300組態(tài)為網(wǎng)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(xié)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?qū)ο笫俏荒茇撦d，當電機處于發(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電阻方式來實行能量消耗。

　　因電鏟的內(nèi)部工作需要多個電機同時運作，例如提升機、推壓機、回轉(zhuǎn)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(tǒng)制動的快速響應。結(jié)構(gòu)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(nèi)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(chǎn)生的最大制動功率P_max
　　2）根據(jù)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(jù)E_R（電機在一定時間產(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(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?？煽拷拥匾彩且种聘蓴_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(chǎn)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(jié)束語

　　已經(jīng)投運的電鏟全數(shù)字控制系統(tǒng)，動態(tài)響應快，運行穩(wěn)定，能夠滿足電鏟工作要求，定位極其準確。在實際正常生產(chǎn)運行過程中, 變頻器節(jié)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(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，有著很好的示范、推廣應用價值。