WK-12C電鏟電氣調試

何俊強，尉建龍

（太原重工股份有限公司技術中心礦山所，山西 太原 030024）

引言

WK-12C型電動挖掘機屬于礦用機械式正鏟式挖掘機。適用于年產量1 000×104t級以上的露天礦山使用?？膳c100～154 t級礦用汽車或100 t級的鐵路自翻車配套使用。WK-12C型挖掘機主要用來剝離和采掘露天礦山的巖石及礦石，也可以用于水電建設工程中的土石方挖掘作業。

大型礦用挖掘機調速系統從最初的發電機—電動機系統到可控硅控制系統，再到現在的變頻電控系統，其發展歷程代表了電氣調速系統的發展方向。現在WK系列礦用挖掘機性能卓越，生產能力已遠遠超出其設計生產能力，達到了國際同類產品的先進水平。其核心變頻系統更是代表了當今礦用挖掘機的最高水平。

1 WK系列挖掘機電氣系統簡介

國內外大型礦用挖掘機的主要生產廠家有美國P&H公司、B-E公司和太原重工股份有限公司（以下簡稱太重）。其礦用挖掘機電氣系統經歷了三個階段：發電機—電動機直流調速系統；可控硅直流調壓調速系統；交流變頻調速系統。

1.1 發電機—電動機（G—M）直流調速系統

G—M系統主要是20世紀60年代產品，系統原理圖見圖1。其主要特點：電氣系統結構簡單，便于工程設計維護人員掌握；由于其采用交流電動機進行兩級的能量轉換，其能量轉換率低，耗電量大；直流電動機調速性能優越，適合電鏟這種多調速系統；由于采用了直流電動機，其電刷等關鍵部位損壞率高造成了整機的故障率高，而且其應用于20世紀60年代，技術落后，正逐步被各行業淘汰。

圖1 G—M系統原理圖

1.2 可控硅直流調壓調速系統

可控硅直流調壓調速系統是20世紀80年代的產品，其電控系統一直沿用至今。它的基本原理是采用可控硅元件來實現整流從而代替笨重的發電機，其電控系統原理圖見下頁圖2。電控系統具有的特點：相對于G—M系統節電；由于其采用可控器件來實現整流，電網功率因數很低，因此需要大容量的動態無功功率補償裝置用來改善電網功率因數低的問題，并且動態無功補償裝置需要專門的設計；直流電動機故障率高；可控硅直流調速系統雖然仍應用于現代電控系統中，但其自身的弱點已有逐步被取代的趨勢。

圖2 可控硅系統原理圖

1.3 交流變頻調速系統

交流變頻調速系統出現于21世紀初，其電控系統伴隨著變頻器的研發成功而得到了迅猛的發展。交流變頻調速系統具有的特點：系統采用可控元器件實現能量變換，效率高、節電；電網的功率因素可高達1，對電網無諧波污染，可應用于大型系統；交流電動機故障率低，甚至于免維護，設備出動率高；技術先進，代表當今調速系統發展趨勢；其使用成本在整個設備壽命周期低于其他先前的系統。

圖3 WK-12C系列挖掘機電控系統原理圖

WK-12C挖掘機電氣系統采用西門子交流變頻調速系統；接入電源采用三相，50 Hz，6 000 V；6 000 V電源通過主變壓器輸出690 V交流電壓，給整流單元供電。電氣系統為“上位人機界面+PLC現場總線+變頻傳動”組成的三級控制系統，見圖3。上位人機界面實時監控整機的運行狀態及故障信息，實現運行狀態模擬顯示與故障自診斷。PLC通過PROFIBUS DP現場總線與整流單元、各機構逆變器、司機室控制等連接，實現分布式控制。整流單元通過公用直流母線與各機構逆變器相連，實現對各機構的精確控制。系統具有：對電網無擾動；允許電壓波動范圍寬(±15%，在1 min之內)；功率因數可調或進行無功補償；自適應挖掘控制軟件；友好的人機界面，優化的挖掘特性曲線，高效率、低能耗等特點。

2 電氣調試關鍵點分析

電氣調試指從最初的查線到送電，再到最后正常運行的過程。電氣調試的主要階段：查線送電；輔助機構送電調試；控制系統送電調試；變頻器調試；整機系統的運行聯調[1,2]。

2.1 查線送電

查線送電是整個調試階段的基礎部分，正確的接線保證了調試的順利進行，并且只有對整機的電氣系統有足夠的了解才能夠正確的查線。送電需要細心認真，尤其是高壓線路，需要多次檢查無誤才能送電。

2.2 輔助機構送電調試

輔助機構包括甘油潤滑控制系統，通風控制系統，稀油潤滑控制系統。此部分主要檢查各電機（包括電氣線路，運轉方向）是否正常運行。

2.3 控制系統送電調試

控制系統指PLC系統，此部分調試是系統調試的核心之一。PLC系統為整機電控系統的核心，其控制整機的電氣運行。PLC主要控制系統的運行、保護、監測。PLC調試部分包括修改下載程序；設定PLC，變頻器，觸摸屏三級網絡之間的通信；核對PLC的I/O點；調試潤滑系統。此部分關鍵點在于PLC組態、程序的設置、系統各級機構之間通信的建立。通信系統為整個網絡的神經系統，通信系統正常工作才能確保各級系統能夠很好的傳遞數據。系統通信采用的是工業常用的Profibus-DP通信網絡。此網絡結構簡單，但是其涉及到兩級控制系統：變頻器和遠程I/O。其設置相對較復雜，必須仔細一步一步設置，并確保硬件系統的正確配置才能完成。

2.4 變頻器調試

變頻器調試為調試的關鍵點之一。變頻器調試主要完成的功能是控制電機實現起停、調速等功能。變頻器調試主要包括電機辨識，遠端控制聯動。電機辨識指通過計算電機的額定銘牌參數，并通過變頻裝置對交流電機通以給定的電壓、電流得到交流電機數學模型中所需要的各等效電機參數，從而實現電機的高性能控制。WK-12C電動挖掘機的核心變頻系統采用西門子傳動或ABB傳動系統。無論是基于矢量控制理論的西門子變頻系統，還是基于直接轉矩控制理論的ABB傳動系統，其高性能控制完全依賴于其中所使用到電機參數的準確性。如果電機參數不準確，將導致調速性能指標下降甚至導致變頻器故障。因此，電機辨識這一步對于系統良好的運行非常重要[3]。

正確的完成電機辨識后，便可切換到遠端，利用司機室主令控制變頻器的啟停、調速。此部分需要與PLC控制相結合。合適的修改程序并聯調變頻器系統，實現司機室端子控制變頻器的啟停。完成這一步即可實現電鏟各執行機構的動作。

2.5 整機聯調

整機聯調指在系統各部分都調試完成后，整機聯動試車。此階段調試需要足夠的經驗來確保各電氣機構能夠很好的運行。需要調試各電機執行機構確保4大機構能夠很好的配合工作。同時，要確保各輔助機構，如油氣路、通風機構等正常工作。整機聯調還包括各種意外的保護能夠在出現情況后發揮作用。各種故障點出現后能夠報警停機，并能夠提示維護人員快速的排除故障點，恢復生產。

3 調試常見故障及經驗

電鏟調試過程中會出現各種各樣的問題，既有共性的，也有各自的問題?，F將常見的共性問題作簡要的分析。

1）電氣調試中常見的問題有組態錯誤。此部分需要正確的配置系統硬件、DP地址，并且需要正確的接線，設置DP從站地址。容易忽略的問題是硬件配置錯誤、從站DP地址設置錯誤造成系統配置失敗。

2）電氣調試過程中，變頻器調試容易出現問題。整流啟停、逆變器的參數切換等都需要正確的配置，以防參數切換錯誤造成變頻器故障。參數的設置包括額定參數，電流、電壓限幅值等需要按照設計配置，以符合最初設計要求。電機的加減速時間，速度限幅值對系統和操作有直接的影響，因此需要參考設計要求并反復的調試來確定。

3）系統在辨識后可能需要手動調節P、I值以確保達到合理的動穩態性能。調節P、I值需要經典控制理論知識，更需要現場豐富的經驗。P值主要影響動態性能，I值主要影響穩態差值。需要根據實際情況合理的調節。

4）整機聯調需要測試各機構正常工作。系統能否在聯動的情形下各機構正常工作不起沖突。尤其對于電控系統的一些保護措施，甚至需要人為的“制造”出一些故障，看系統能否做出合理的保護。

4 結語

主要探討了WK-12C電鏟電氣調試的過程及一些需要注意的問題。首先，介紹了電鏟電控系統的發展及各種系統的優缺點，重點介紹了交流變頻調速系統的特點。然后，詳細的闡述了電氣調試過程及各個階段關鍵點。最后，針對調試過程中常見的問題介紹了常見的故障處理辦法及一些經驗。

[1] 劉錦波,張承慧.電機與拖動[M]. 北京:清華大學出版社.2001.

[2] 宋書中.交流調速系統[M].北京:機械工業出版社,2001.

[3] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術[M].第3版.北京:機械工業出版社,1994.