大型挖掘機電力傳動系統研究與工程實踐

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備，其工作環境惡劣，振動和粉塵大，系統可靠性要求高[1]。電鏟動力來源于電網，通過電力傳動完成行走、提升、回轉和推壓協調作業，2300XP型電鏟供電容量大于 1.5 MVA，其中提升機構所需傳動功率最大，單臺傳動裝置直流工作電流達1800 A，傳動系統是電鏟的核心設備[2]。

1 電力傳動系統組成

電力傳動系統如圖1，電鏟取電AC6000 V電網，經集電環送至斷路器；主、輔變壓器分別作為系統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；兩臺行走電機經減速箱后，分別驅動兩側履帶，實現行走功能；推壓電機經減速箱再通過齒輪和齒條驅動斗桿，實現推壓動作；兩臺提升電機并聯通過減速箱驅動鋼纜卷筒完成鏟斗提升和下放作業；兩臺回轉電機分別立式安裝，經減速箱共同驅動轉盤齒輪，實現回轉功能；另外，LC濾波器抑制變流器網側諧波，晶閘管投切電容裝置(TSC)補償無功功率[3]。

2 晶閘管無環流四象限調速系統

晶閘管邏輯無環流四象限調速系統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），是電鏟電傳動系統的關鍵。

無環流可逆調速系統采用兩組晶閘管反并聯（如圖2所示）解決電機正反轉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生不流經負載的環流，用邏輯算法使一組橋工作時，封鎖另一組橋觸發脈沖，使之阻斷，確保兩組橋不同時工作，構成邏輯無環流控制可逆系統，根本上切斷了環流的通路，不用再設置環流電抗器[4]。

圖1 系統組成

圖2 晶閘管邏輯無環流系統拓撲

無環流邏輯如表1所示，控制器按照系統工作狀態指揮正/反組橋自動切換，其輸出信號控制正/反組橋觸發脈沖封鎖或開放，輸入信號采用轉矩給定作極性鑒別，同時檢測是否滿足零電流條件，切換時經死區延時，從發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 無環流邏輯

控制系統仍采用典型的轉速，轉矩雙閉環實現無級平滑調速，考慮磁通恒定時，轉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，正比于轉速，形成電壓外環，電流內環系統，節省了價格不菲的速度傳感器，雙閉環控制的PI調節器參數的最佳整定法和振蕩指標法在工程應用中早趨成熟[5]，不贅述。

圖3 邏輯控制切換程序流程

圖4 無環流切換過程的電樞電壓、電流、轉速

4 采礦工藝的控制及其實現

4.1 提升

4.1.1負荷分配

提升電機兩臺并聯，剛性連接，共一套機械傳動裝置驅動負載，兩電機速度相等，負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電模式，負荷分配方案如下：

（1）轉矩主從控制：以一臺調速器為主，包括速度、轉矩控制，另一臺為輔，只有轉矩控制，其轉矩給定值由主調速器產生，共一個速度環，分別采用兩個轉矩環，轉矩給定平分，如圖5所示，負載特性如圖 8(a)。為保證系統數據交換的快速、同步性，兩調速器之間采用光纖通信（SIMOLINK協議）[6]。

圖5 轉矩主從控制

（2）速度、轉矩環均獨立，共一個速度給定，且速度給定隨著轉矩增大適當減小呈下垂（drop）特性，即速度環軟化，如圖6所示，根據其負載特性的硬度自動分配轉矩，犧牲了速度靜差。負載特性如圖8(b)。

圖6 速度環軟化

（3）一臺速度環軟化呈 drop特性，用另一臺的轉矩作補償，另一臺速度環不軟化，設為平直的硬特性，工作中，軟特性的一臺根據補償量平移，特性硬的一臺根據實際負載情況給定轉矩，如圖7所示，兩臺負載自動分配，速度環無靜差。負載特性如圖8(c)。

圖7 速度環軟化補償

圖8 負載特性

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脈沖，與電機交替串聯，交流電壓幅值相位相同，實踐取得良好效果，其優點在于：①硬件拓撲保證了兩臺電機電流相同、轉矩平分； ②控制簡單可靠，調試方便； ③減少了控制器數量，一個驅動多組；缺陷在于無法實現系統冗余。

4.1.2雙閉環調節的改進和優化

提升工況靜動態性能要求高，容量最大，拓撲最復雜，普通雙閉環調節難以滿足要求，需改進和優化。

（1）轉速微分負反饋

雙閉環調速系統動態性能的不足是轉速超調，且抗擾性受到限制，轉速超調引起鋼纜抖動振蕩，不滿足提升工藝要求，在轉速環轉速負反饋的基礎上疊加轉速微分負反饋如圖 9，只要轉速有超調和動態速降的趨勢，微分負反饋就開始調節，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），抑制轉速超調，降低動態速降，提高抗擾性能，比普通雙閉環系統更快達到平衡，值得一提的是微分負反饋必需濾波，否則引入新的干擾[5]。

圖9 轉速微分負反饋

（2）電流變化率內環

雙閉環調速為了提高系統快速性，希望電流變化率較大，較高的電流變化率使直流電機產生很高的換向電動勢，使換向器上出現不能容許的火花，且過高的轉矩變化率引起傳動機械很強的沖擊，加快磨損，為此在電流環內設置電流變化率環，通過電流變化率環的調節，使電流變化率，保持允許的最大值不致過高，構成轉速、電流、電流變化率三環調速系統（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節器ADR的給定，其輸出限幅值控制最大的電流變化率，ADR的輸出控制觸發電路，其最大輸出限幅值決定觸發脈沖的最小控制角αmin，ADR的負反饋信號來自電流的微分加濾波。

圖10 電流變化率內環

4.1.3弱磁控制

鏟斗下放，制動轉矩小，通過適當弱磁，在相同電動勢給定時，提高了速度，增加作業效率；在相同速度下，增大了電流，保證了電流連續性，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。為此系統設置鋼纜預緊力控制，轉矩給定加偏置和S曲線斜坡，啟動過程舒緩穩定，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載工況控制系統，采用挖土機特性，如圖11(a），利用電流截止負反饋實現對電機限電流保護：當負載阻力超過截止點后，隨著負載阻力的進一步增加，電動機的轉速將隨之下降，實現對電動機的保護。實際系統采用圖11(b）曲線，具有效率高、易控制等優點，挖掘過程中，系統在額定轉速以下恒轉矩調速，當鏟斗出了物料后，系統進入恒功率調速，速度自動停留在與負載大小相對應的工作點上。

圖11 挖土機特性

4.2.2提升與推壓協調優化挖掘性能

以提升轉矩為基礎，建立提升轉矩與推壓轉矩之間的控制模型，實現提升轉矩與推壓轉矩最佳配合，對產品的性能、工作效率和機械壽命尤為重要。在提升轉矩小于50%時，推壓轉矩限幅為額定值的60%，提升轉矩大于50%時，推壓轉矩限幅隨著提升轉矩的加大而加大，即在挖掘過程中，推壓轉矩的限幅值是提升轉矩的函數，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，在轉矩環給定前加入較大斜坡和圓弧，并設定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，有利于迅速準確停車，滿足動態穩定和可靠性要求，防止加/減速度過大導致的沖擊振動、應力突變、機架變形等一系列問題，為進一步減小振動，推壓機構在零速時，將控制方式由速度控制轉換為大力矩，從而減小了由于推壓力而引起的震動。

4.3 回轉

4.3.1轉矩轉速控制模式切換

回轉機構是典型的大慣量負載，為減小啟停機械沖擊，延長機械壽命，使系統制動快速平穩，回轉機構低速啟停采用轉矩控制方式，主令給定為轉矩，高速為轉速控制方式，轉矩限幅，符合駕駛員操作習慣。

4.3.2側向受力保護

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

4.4 行走、回轉均采取與推壓相同的減振措施。

5 保護裝置

電鏟工作環境惡劣，沖擊負荷大，電磁干擾嚴重，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荷分配不均導致電機等設備損壞。分流保護針對傳動系統發生電機換向故障、晶閘管觸發故障、換流故障、短路、負荷分配不均、回饋制動時突然斷電等引起過流時，立即觸發相應晶閘管分流使整流器被施加反壓強制關斷，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，避免了電機嚴重環火、甚至燒毀電機和整流橋事故發生，在機械抱閘設置前，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 監控

監控系統由PLC和人機界面組成，另裝現場控制遠程站，完成邏輯控制與數據處理。PLC是系統核心，其功能包括運行狀態采集、邏輯控制、給定指令（調速/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監控軟件WinCC6.0作為操作界面，通過以太網與系統進行數據交換，在給定的同時實時顯示運行狀態，并存儲歷史狀態和報警記錄。為故障的定位、排查提供方便。系統通信采用PROFIBUS-DP現場總線協議，各變流器、TSC、司機室/機棚遠程站分別掛接在總線上，構成分布式控制網絡，體現了全鏟一體化的先進自控理念[6]。

7 運行情況及小結

用上述技術對2300XP型電鏟模擬系統進行數字化升級改造成功，在江銅集團德興銅礦投運，新鏟傳動系統具有良好性能，完全適應挖掘機外載荷量變化頻繁、振動和沖擊載荷大、環境溫差大等特點，可靠性、生產效率、功率因數等方面大有提高，完全滿足礦用挖掘機進行剝離、開采和裝卸等作業，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支持，為業主提供了保障。

[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2008(1).

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

[4]陳堅. 電力電子學－電力電子變換和控制技術[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[M]. 北京：機械工業出版社, 2005.

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