ABB变频器在电铲中的应用

1 工艺要求

　　电力挖掘机（电铲）用于装载矿岩，目前我国各工矿企业所使用的电铲，其工作条件非常恶劣，特别是在爆破不好的情况下挖根底作业，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，电铲对电气传动系统有较高的要求：电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率;有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快;系统制动性能好，并能回收能量;系统运行可靠，维修方便等。由于电铲对电气传动系统的这些特殊要求，所以，我国电铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统。其电控系统采用的是由交流电动机—直流发电机—直流电动机组成主传动控制系统。这种系统能耗高、站地面积大、噪声大、并且缺乏对电机有效地保护，电气系统老化很快、可靠性低、故障率高，很多矿山在夏天高温和爆破不充分的矿场，使用挖掘机经常有烧毁电机的现象，增加了维修量、增大了维修费用、降低了作业率。因此，电力挖掘机（电铲）的全数字化技术的应用一直是国内很多工矿企业所企盼的技术。该挖掘机全数字电控系统中就采用了交流变频技术，是全交流化的电铲电气系统;根据挖掘机的机械特性等和现场实际条件，进行了设计，完全满足设备现代化和高效生产可靠性要求，将其简称为交流变频调速电铲。

2 控制方案

　　本控制系统中电机正常运行时，各个电机能迅速实现正、反向运行，能平滑地调速，保持较硬的机械特性，以便获得较大的起、制动力矩，缩短过渡过程，提高生产率，升速及减速快慢即斜率根据现场进行调节，及在生产过程中，能借助于变动负荷来调节电机的工作，实现自动控制。

　　为满足这些要求，我们采取了下面的控制方案：

　　采用PLC控制技术进行逻辑控制，对变频器和各个电机进行整体控制，由变频器分别拖动提升电机、推压电机、回转行走电机等，即1对1控制方式;变频器与PLC系统之间采用Profibus-DP进行通讯;其中PLC西门子S7-300，变频器选用ABB ACS800。

　　本交流变频调速电铲内部的基本结构是，高压交流电由电缆经集电环引入电铲, 由主变压器将电压变换,再经过变频器，供电给提升电动机、回转电动机、推压电动机、开斗电动机等。结构如图1所示。

3 ACS800变频器拖动交流电机通用控制特性简介

　　ACS800变频器采用DTC（直接转矩控制）电机控制技术，提供了先进的标准功能。

　　3.1 识别运行

　　DTC控制的优良性能取决于准确的电机模型，这个模型是在电机识别的运行中建立的。在传动起动的过程中，ACS800驱动电机运行大约是一分钟，控制电路监视电机的反应，建立并优化电机的数学模型。如果没有选择识别运行，当第一次给出起动命令，将自动执行一个快速电机识别程序。第一次起动时，电机在零速运行几秒钟，以便建立电机模型。这个识别运行克满足大多数应用场合的要求。

　　3.2 零速满转矩

　　由ABB变频器驱动的电机在零速时能够获得其额定转矩，而不需要编码器或测速机的反馈信号。另外，在参数 26.03 IR COMPENSATION中调整零速时供给电机的额外相对电压值，范围是0...30%Une，IR补偿可以增加起动转矩。当IR补偿起作用时，传动单元会在低速或零速运转的电机增加电压。

　　3.3 直流抱闸

　　通过直流抱闸保持功能可以将电机转子锁定在零速。当速度给定和电机速度均降到预设的直流保持速度以下时，传动单元使电机停止并将直流注入电机。

　　3.4 加速/减速斜坡

　　ACS800提供加速/减速时间。可以调节加速/减速时间（0～1000s）和斜坡形状。可选择的斜坡形状是线性和S-曲线形。线性适用于需要平稳地传动或缓慢加/减速的现场，S-曲线形非常适用于传送易碎的物品的传送机或其它需要平稳地改变速度的场合。

4 技术要点

　　4.1直接转矩控制方式（DTC）

　　变频器有U/f 恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩（DTC）等多种控制，不同的控制系统其性能不尽相同，适应的负载也有区别。因本系统需要在动态过程中具有较快的转矩响应，且具有较大的启动转矩，最好在低速时能具有最

　　大的转矩输出,选用直接转矩控制系统最为恰当。ACS800变频器可以应用在有较高的过载能力要求的场所，其传动核心：直接转矩控制（DTC），具有高精度的动、静态指标和大的启动转矩;速度的静态精度可以到0.01%，动态精度可以到0.1%;在零速时可以输出1.5～2倍的额定转矩;方便灵活的编程功能和多级速度设定功能;具有电磁制动、直流注入方式的能耗制动和专用的机械制动器的控制功能。还可以设定不同的启动转矩和速度曲线，并可通过数字量输入来设定多级速度，有利于平稳起动、制动和准确停车，可以很好地满足电铲挖掘机其机构的特殊要求。

　　4.2 控制与通讯

　　Acs800变频器的DI1～DI6为数字输入，DI1控制电机正转，DI2控制电机反转。

　　以推压电机为例：低压进线柜里的断路器QF和接触器KM是变频器工作的先决条件，当其合闸后，相应的变频器开始上电，当变频器没有故障时就绪信号I5.1送给PLC;变频器有故障时，故障信号I5.3 送给PLC;当变频器就绪没有故障时, 等待从PLC 发来的运行信号。当运行信号Q 2.2 送进ACS800 DI1端子时，变频器开始控制电机正向运行;当运行信号Q 2.3 送进ACS800 DI2端子，变频器开始控制电机反向运行;当电机正常运行变频器有输出时，X21的AO1端口输出电机的实际速度，X21的AO2端口输出对应的电流（4～20mA）。控制关系如图2所示。

　　ABB ACS800变频器可以使用PROFIBUS-DP协议进行通讯。PROFIBUS - DP现场总线是一种全数字化的、串行、双向传输、多分支结构的通信网络, 专为自动控制系统和分散I/ O 设备之间通信而设计的，抗干扰性强，大幅降低安装、运行和维护的成本本电铲控制系统中，PLC作为PROFIBUS-DP总线的主站，电铲的回转行走变频器、提升变频器、推压变频器作为设备从站。PLC主站一方面负责读取各个变频器的数据和状态，然后把这些数据送入其内部处理器进行处理和运算，从而实现对变频器的数据、位置和状态进行判断和运算。另一方面，PLC主站将从内部处理器获得的变频器运动控制数据通过PROFIBUS-DP总线发送给回转行走变频器，从而驱动变频器运行，实现设备的驱动控制。

　　ACS800变频器是通过适配器模块NPBA连接到外部控制系统，主机与传动装置必须经过配置，以便数据通过模块交换。在S7-300的“硬件组态”功能中可配置Profibus-DP的网络组态，需安装ABB相应适配器模块的程序补丁后，在设备目录中出现ABB ACS传动系列产品列表，将S7-300组态为网络主站，ABB变频器作为从站。ACS800的RDCO通讯板与NPBA适配器之间的通道CH0，是遵守DDCS协议速度为10M/s的光纤连接。

　　4.3 制动方式及制动单元配置

　　因对象是位能负载，当电机处于发电状态，为保证变频器直流母排电压的正常，多余的能量必须释放掉。为此，我们采取了外接斩波器和制动电阻方式来实行能量消耗。

　　因电铲的内部工作需要多个电机同时运作，例如提升机、推压机、回转行走控制电机等，各个电机一般需要分别拥有制动单元;在本应用中则只采用一组制动单元多个电机共享的方式，能极大的提高系统制动的快速响应。结构如图3所示。

　　ABB变频器制动斩波器和电阻的配置：

　　某些传动单元含有一个内置的制动斩波器作为标准配置对于外制动斩波器作为可选件，电阻器为附加元件。

　　1）计算在制动过程中，电机产生的最大制动功率P_max
　　2）根据ABB相关资料配套选择制动斩波器/制动电阻器（在选择传动单元时，也要考虑其它因素）。必须满足下面的条件：

　　其中，P_br由不同制动的工作周期来选定。

　　3）制动电阻的计算：
　　

　　U_DC表示制动过程中，电阻两端的电压。

　　根据E_R（电机在一定时间产生的能量一定不能超过电阻器的热损耗容量）、P_br、R来选择相应制动单元类型。

　　4.4 抗干扰措施

　　由于变频器起开关作用的线路都是由非线性元件组成，这样在开断电路的过程中势必会产生高次谐波，从而使电源波形产生畸变，干扰其他电气设备。在变频器前侧安装电抗器，可抑制电源侧过电压，降低电流畸变，避免使电源受到严重干扰。电机电缆采用屏蔽电缆，与其他控制电缆走线时尽量分开，以避免线路干扰。可靠接地也是抑制干扰的重要措施，最好将动力接地线与控制接地线分开，这样就能切断通过公用地线传播干扰这一途径。另外，由于电机线路较远，为了抑制电机启动时产生的过电压，减少电机泄漏电流，减轻电机噪音，应在电机与变频器间安装电抗器。

5 结束语

　　已经投运的电铲全数字控制系统，动态响应快，运行稳定，能够满足电铲工作要求，定位极其准确。在实际正常生产运行过程中, 变频器节电效果非常显著，同时平均事故时间降到工作时间的0.1%以下，大幅度提高了产品质量和产量，有着很好的示范、推广应用价值。