張宏明，仝彩霞

（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

EX2500電動液壓挖掘機(jī)是露天煤礦開采的主要設(shè)備之一，該設(shè)備主要由提升、推壓、行走和回轉(zhuǎn)等部分組成，其動力系統(tǒng)采用860kW／6.6kV 電機(jī)驅(qū)動，電氣系統(tǒng)采用電動液壓系統(tǒng)。該液壓鏟作業(yè)時不管挖掘力多大，電機(jī)轉(zhuǎn)速是基本恒定的，當(dāng)負(fù)載輕或者等車時會造成很大的電能浪費(fèi)，使得該鏟的電費(fèi)使用成本很高。應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)對其進(jìn)行改造，對于提高設(shè)備的效率，節(jié)約電能都是至關(guān)重要的。

1 變頻器在挖掘機(jī)中的應(yīng)用

電動挖掘機(jī)主要用于露天礦裝載礦巖，由于北方工礦企業(yè)所使用的挖掘機(jī)工作條件較為惡劣，特別是在冬季及挖根底作業(yè)時，經(jīng)常出現(xiàn)過大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，要求挖掘機(jī)電氣傳動系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線的包絡(luò)面積大，具有足夠的有用功率和良好的調(diào)速性能，能快速地進(jìn)行加減速，動態(tài)響應(yīng)速度快；系統(tǒng)制動性能好，并能回收能量；系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便。目前礦用挖掘機(jī)應(yīng)用的電氣傳動系統(tǒng)主要有3種：電動液壓傳動系統(tǒng)（如EX2500）、直流傳動系統(tǒng)（如WK20）和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)（如WK35）。電動液壓傳動系統(tǒng)具有耗能高的缺點(diǎn)；而直流傳動系統(tǒng)卻存在著系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修工作量大、效率較低、噪聲大，電氣系統(tǒng)容易老化、可靠性差、故障率高等缺點(diǎn)；交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有系統(tǒng)運(yùn)行可靠、耗能低等優(yōu)點(diǎn)。

現(xiàn)對EX2500型電動液壓挖掘機(jī)加裝變頻器進(jìn)行節(jié)能改造。采用西門子羅賓康完美無諧波變頻器，由電網(wǎng)高壓6kV 直接接入高壓變頻器，高壓二極管串聯(lián)整流作為三相整流功率控制單元。經(jīng)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(fā)不同的腳以輸出不同的電壓和頻率，從而驅(qū)動860kW電動機(jī)在不同工況下根據(jù)負(fù)荷大小變頻調(diào)速作業(yè)。

2 系統(tǒng)加裝高速變頻調(diào)速裝置后的節(jié)能分析

變頻調(diào)速系統(tǒng)可針對電動機(jī)負(fù)荷大小實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，EX2500型電動液壓挖掘機(jī)的能耗都與機(jī)組的轉(zhuǎn)速有關(guān)，電機(jī)是根據(jù)挖掘過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷條件進(jìn)行選擇的。而實(shí)際生產(chǎn)所需的挖掘力是小于最大挖掘力的，并有空載和等車現(xiàn)象。如果所采用的電動機(jī)不能調(diào)速，就會造成很大的能量損耗；如果采用電動機(jī)調(diào)速運(yùn)行，那么，在滿足使用條件的前提下，當(dāng)需要的挖掘力減小時，只須將電動機(jī)的轉(zhuǎn)速相應(yīng)降低，所消耗在電機(jī)上的電能明顯減少，從而節(jié)約了電能。

交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速N（r／min）為：

N＝60f／p。

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

P＝M×N／9 549。

其中：M 為電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

由此可見，電機(jī)輸出功率與負(fù)載、轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)負(fù)載減小時，可減小頻率，從而降低轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。EX2500和WK35等常態(tài)作業(yè)對比見表1，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)挖掘機(jī)WK35能耗為0.44kW·h·m－3，具有節(jié)約電能、調(diào)速性能好、可靠性高、維護(hù)量小、生產(chǎn)效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。電動液壓系統(tǒng)的EX2500能耗為1.17kW·h·m－3，耗電較高，因此，對EX2500進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)節(jié)能改造，采用直接轉(zhuǎn)矩控制交流變頻調(diào)速電氣系統(tǒng)驅(qū)動860kW 電機(jī)，考慮到原液壓系統(tǒng)（液壓泵、液壓缸和閥路系統(tǒng)）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(jié)約用電0.48度。

表1 EX2500和WK35常態(tài)作業(yè)對比

圖1為EX2500變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。它是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上并聯(lián)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(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。

圖1 EX2500變頻調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)方案

交流變頻比較先進(jìn)的控制方法有矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)更具有優(yōu)越性，它采用基于定子磁場定向的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩的直接控制，其特點(diǎn)是對負(fù)載的變化響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)快速的過程控制，過載能力強(qiáng)，啟動轉(zhuǎn)矩大。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的這些特點(diǎn)能夠滿足電鏟作業(yè)的要求，電機(jī)可以根據(jù)挖掘機(jī)的挖掘力自動調(diào)節(jié)速度。電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速來滿足挖掘機(jī)的各工況要求，實(shí)現(xiàn)EX2500電動液壓鏟節(jié)能技術(shù)改造。

圖2為直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)由控制檢測單元、PLC、磁鏈比較器、磁鏈調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)器等組成?？刂茩z測單元檢測電流和電壓矢量來辨識定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與磁鏈和轉(zhuǎn)矩的給定值進(jìn)行比較，將比較后得到的差值輸入兩個比較器，然后根據(jù)滯環(huán)比較器的輸出，根據(jù)磁鏈的位置從開關(guān)表中選擇合適的電壓矢量，進(jìn)而來控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)實(shí)質(zhì)是在變頻器的內(nèi)部建立了一個交流異步電動機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)檢測的電流、電壓和開關(guān)狀態(tài)計算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通的參考值，為了實(shí)時得到最佳參考值，變頻器的每一次開關(guān)狀態(tài)都要單獨(dú)計算確定，然后將這些參數(shù)值直接用于控制輸出單元的開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而得到最佳的開關(guān)組合，并對其負(fù)載變化作出快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，同時要把轉(zhuǎn)矩響應(yīng)限制在一拍之內(nèi)，這也就實(shí)現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的直接控制。

4 結(jié)論

采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為核心的高壓交流變頻器的電氣系統(tǒng)對EX2500電動液壓挖掘機(jī)進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造。改造后具有過載能力強(qiáng)，動態(tài)響應(yīng)迅速，啟動轉(zhuǎn)矩大，可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍，保證了挖掘機(jī)的安全可靠工作。改造后可節(jié)電30%以上，節(jié)電效果顯著。

［1］ 何波.基于PLC 的礦井局部通風(fēng)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.煤炭技術(shù)，2011（10）：48－49.

［2］ 夏燕蘭.交流變頻調(diào)速中的矢量控制［J］.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2003（9）：21－23.

［3］ 張永惠.高壓變頻器的選擇［J］.變頻器世界，2005（10）：100－105.

［4］ 周揚(yáng)忠，胡育文.交流電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］ 劉昆，高放，何方威，等.露天礦WK＿4型電鏟電氣傳動系統(tǒng)改造［J］.礦業(yè)工程，2006，4（6）：42－44.