直接轉矩控制變頻調速在挖掘機中的應用研究?

張宏明，仝彩霞

（錫林郭勒職業學院，內蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

EX2500電動液壓挖掘機是露天煤礦開采的主要設備之一，該設備主要由提升、推壓、行走和回轉等部分組成，其動力系統采用860kW／6.6kV 電機驅動，電氣系統采用電動液壓系統。該液壓鏟作業時不管挖掘力多大，電機轉速是基本恒定的，當負載輕或者等車時會造成很大的電能浪費，使得該鏟的電費使用成本很高。應用變頻調速技術對其進行改造，對于提高設備的效率，節約電能都是至關重要的。

1 變頻器在挖掘機中的應用

電動挖掘機主要用于露天礦裝載礦巖，由于北方工礦企業所使用的挖掘機工作條件較為惡劣，特別是在冬季及挖根底作業時，經常出現過大的沖擊載荷，甚至堵轉。因此，要求挖掘機電氣傳動系統的機械特性曲線的包絡面積大，具有足夠的有用功率和良好的調速性能，能快速地進行加減速，動態響應速度快；系統制動性能好，并能回收能量；系統運行可靠，維修方便。目前礦用挖掘機應用的電氣傳動系統主要有3種：電動液壓傳動系統（如EX2500）、直流傳動系統（如WK20）和交流變頻調速系統（如WK35）。電動液壓傳動系統具有耗能高的缺點；而直流傳動系統卻存在著系統的結構復雜、維修工作量大、效率較低、噪聲大，電氣系統容易老化、可靠性差、故障率高等缺點；交流變頻調速系統具有系統運行可靠、耗能低等優點。

現對EX2500型電動液壓挖掘機加裝變頻器進行節能改造。采用西門子羅賓康完美無諧波變頻器，由電網高壓6kV 直接接入高壓變頻器，高壓二極管串聯整流作為三相整流功率控制單元。經過專用抗共模電抗器和特制的電力電容濾波后，直接控制IGBT 觸發不同的腳以輸出不同的電壓和頻率，從而驅動860kW電動機在不同工況下根據負荷大小變頻調速作業。

2 系統加裝高速變頻調速裝置后的節能分析

變頻調速系統可針對電動機負荷大小實現無級調速，EX2500型電動液壓挖掘機的能耗都與機組的轉速有關，電機是根據挖掘過程中可能出現的最大負荷條件進行選擇的。而實際生產所需的挖掘力是小于最大挖掘力的，并有空載和等車現象。如果所采用的電動機不能調速，就會造成很大的能量損耗；如果采用電動機調速運行，那么，在滿足使用條件的前提下，當需要的挖掘力減小時，只須將電動機的轉速相應降低，所消耗在電機上的電能明顯減少，從而節約了電能。

交流異步電動機的轉速N（r／min）為：

N＝60f／p。

其中：f 為定子供電頻率，Hz；p 為電動機極對數。改變電機的電源頻率f 就可以改變電機的轉速N。電動機輸出功率P（kW）為：

P＝M×N／9 549。

其中：M 為電機轉矩。

由此可見，電機輸出功率與負載、轉速成正比，當負載減小時，可減小頻率，從而降低轉速，以實現節能。EX2500和WK35等常態作業對比見表1，交流變頻調速系統挖掘機WK35能耗為0.44kW·h·m－3，具有節約電能、調速性能好、可靠性高、維護量小、生產效率高、功率因數高等優點。電動液壓系統的EX2500能耗為1.17kW·h·m－3，耗電較高，因此，對EX2500進行變頻調速技術節能改造，采用直接轉矩控制交流變頻調速電氣系統驅動860kW 電機，考慮到原液壓系統（液壓泵、液壓缸和閥路系統）的綜合效率為0.73，按近同斗容的WK－10B 耗能計算，改造后能耗可以降到0.69kW·h·m－3以下，每立方米可節約用電0.48度。

表1 EX2500和WK35常態作業對比

圖1為EX2500變頻調速系統結構框圖。它是在原系統的基礎上并聯了變頻裝置，可隨時切換工頻工作方式和變頻工作方式。變頻工作方式由行走速度、挖掘力、挖掘深度等作為控制信號，通過PLC 實現變頻調速控制。

圖1 EX2500變頻調速控制系統結構框圖

3 直接轉矩控制技術方案

交流變頻比較先進的控制方法有矢量控制和直接轉矩控制，直接轉矩控制技術更具有優越性，它采用基于定子磁場定向的控制方法，實現了對轉矩的直接控制，其特點是對負載的變化響應速度快，可實現快速的過程控制，過載能力強，啟動轉矩大。直接轉矩控制技術的這些特點能夠滿足電鏟作業的要求，電機可以根據挖掘機的挖掘力自動調節速度。電機將出力大小信號傳給PLC，PLC 的邏輯信號輸出給變頻器，變頻器通過控制電機轉速來滿足挖掘機的各工況要求，實現EX2500電動液壓鏟節能技術改造。

圖2為直接轉矩控制系統結構框圖。系統由控制檢測單元、PLC、磁鏈比較器、磁鏈調節器、轉速調節器、轉矩調節器等組成。控制檢測單元檢測電流和電壓矢量來辨識定子磁鏈和轉矩，并與磁鏈和轉矩的給定值進行比較，將比較后得到的差值輸入兩個比較器，然后根據滯環比較器的輸出，根據磁鏈的位置從開關表中選擇合適的電壓矢量，進而來控制電機轉矩。

圖2 直接轉矩控制系統結構框圖

直接轉矩控制技術實質是在變頻器的內部建立了一個交流異步電動機的軟件數學模型，根據檢測的電流、電壓和開關狀態計算出一組精確的電機轉矩和定子磁通的參考值，為了實時得到最佳參考值，變頻器的每一次開關狀態都要單獨計算確定，然后將這些參數值直接用于控制輸出單元的開關狀態，進而得到最佳的開關組合，并對其負載變化作出快速的轉矩響應，同時要把轉矩響應限制在一拍之內，這也就實現了對電動機轉矩和轉速的直接控制。

4 結論

采用直接轉矩控制技術為核心的高壓交流變頻器的電氣系統對EX2500電動液壓挖掘機進行節能技術改造。改造后具有過載能力強，動態響應迅速，啟動轉矩大，可達到額定轉矩的2倍，保證了挖掘機的安全可靠工作。改造后可節電30%以上，節電效果顯著。

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