何俊強(qiáng)，尉建龍

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心礦山所，山西 太原 030024）

引言

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

大型礦用挖掘機(jī)調(diào)速系統(tǒng)從最初的發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)到可控硅控制系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的變頻電控系統(tǒng)，其發(fā)展歷程代表了電氣調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向。現(xiàn)在WK系列礦用挖掘機(jī)性能卓越，生產(chǎn)能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。其核心變頻系統(tǒng)更是代表了當(dāng)今礦用挖掘機(jī)的最高水平。

1 WK系列挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)外大型礦用挖掘機(jī)的主要生產(chǎn)廠家有美國(guó)P&H公司、B-E公司和太原重工股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱太重）。其礦用挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)經(jīng)歷了三個(gè)階段：發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)；可控硅直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)；交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1.1 發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)（G—M）直流調(diào)速系統(tǒng)

G—M系統(tǒng)主要是20世紀(jì)60年代產(chǎn)品，系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。其主要特點(diǎn)：電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于工程設(shè)計(jì)維護(hù)人員掌握；由于其采用交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行兩級(jí)的能量轉(zhuǎn)換，其能量轉(zhuǎn)換率低，耗電量大；直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能優(yōu)越，適合電鏟這種多調(diào)速系統(tǒng)；由于采用了直流電動(dòng)機(jī)，其電刷等關(guān)鍵部位損壞率高造成了整機(jī)的故障率高，而且其應(yīng)用于20世紀(jì)60年代，技術(shù)落后，正逐步被各行業(yè)淘汰。

圖1 G—M系統(tǒng)原理圖

1.2 可控硅直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

可控硅直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代的產(chǎn)品，其電控系統(tǒng)一直沿用至今。它的基本原理是采用可控硅元件來(lái)實(shí)現(xiàn)整流從而代替笨重的發(fā)電機(jī)，其電控系統(tǒng)原理圖見(jiàn)下頁(yè)圖2。電控系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：相對(duì)于G—M系統(tǒng)節(jié)電；由于其采用可控器件來(lái)實(shí)現(xiàn)整流，電網(wǎng)功率因數(shù)很低，因此需要大容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償裝置用來(lái)改善電網(wǎng)功率因數(shù)低的問(wèn)題，并且動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置需要專門的設(shè)計(jì)；直流電動(dòng)機(jī)故障率高；可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)雖然仍應(yīng)用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)中，但其自身的弱點(diǎn)已有逐步被取代的趨勢(shì)。

圖2 可控硅系統(tǒng)原理圖

1.3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)于21世紀(jì)初，其電控系統(tǒng)伴隨著變頻器的研發(fā)成功而得到了迅猛的發(fā)展。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有的特點(diǎn)：系統(tǒng)采用可控元器件實(shí)現(xiàn)能量變換，效率高、節(jié)電；電網(wǎng)的功率因素可高達(dá)1，對(duì)電網(wǎng)無(wú)諧波污染，可應(yīng)用于大型系統(tǒng)；交流電動(dòng)機(jī)故障率低，甚至于免維護(hù)，設(shè)備出動(dòng)率高；技術(shù)先進(jìn)，代表當(dāng)今調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)；其使用成本在整個(gè)設(shè)備壽命周期低于其他先前的系統(tǒng)。

圖3 WK-12C系列挖掘機(jī)電控系統(tǒng)原理圖

WK-12C挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)采用西門子交流變頻調(diào)速系統(tǒng)；接入電源采用三相，50 Hz，6 000 V；6 000 V電源通過(guò)主變壓器輸出690 V交流電壓，給整流單元供電。電氣系統(tǒng)為“上位人機(jī)界面+PLC現(xiàn)場(chǎng)總線+變頻傳動(dòng)”組成的三級(jí)控制系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。上位人機(jī)界面實(shí)時(shí)監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷。PLC通過(guò)PROFIBUS DP現(xiàn)場(chǎng)總線與整流單元、各機(jī)構(gòu)逆變器、司機(jī)室控制等連接，實(shí)現(xiàn)分布式控制。整流單元通過(guò)公用直流母線與各機(jī)構(gòu)逆變器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)各機(jī)構(gòu)的精確控制。系統(tǒng)具有：對(duì)電網(wǎng)無(wú)擾動(dòng)；允許電壓波動(dòng)范圍寬(±15%，在1 min之內(nèi))；功率因數(shù)可調(diào)或進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；自適應(yīng)挖掘控制軟件；友好的人機(jī)界面，優(yōu)化的挖掘特性曲線，高效率、低能耗等特點(diǎn)。

2 電氣調(diào)試關(guān)鍵點(diǎn)分析

電氣調(diào)試指從最初的查線到送電，再到最后正常運(yùn)行的過(guò)程。電氣調(diào)試的主要階段：查線送電；輔助機(jī)構(gòu)送電調(diào)試；控制系統(tǒng)送電調(diào)試；變頻器調(diào)試；整機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行聯(lián)調(diào)[1,2]。

2.1 查線送電

查線送電是整個(gè)調(diào)試階段的基礎(chǔ)部分，正確的接線保證了調(diào)試的順利進(jìn)行，并且只有對(duì)整機(jī)的電氣系統(tǒng)有足夠的了解才能夠正確的查線。送電需要細(xì)心認(rèn)真，尤其是高壓線路，需要多次檢查無(wú)誤才能送電。

2.2 輔助機(jī)構(gòu)送電調(diào)試

輔助機(jī)構(gòu)包括甘油潤(rùn)滑控制系統(tǒng)，通風(fēng)控制系統(tǒng)，稀油潤(rùn)滑控制系統(tǒng)。此部分主要檢查各電機(jī)（包括電氣線路，運(yùn)轉(zhuǎn)方向）是否正常運(yùn)行。

2.3 控制系統(tǒng)送電調(diào)試

控制系統(tǒng)指PLC系統(tǒng)，此部分調(diào)試是系統(tǒng)調(diào)試的核心之一。PLC系統(tǒng)為整機(jī)電控系統(tǒng)的核心，其控制整機(jī)的電氣運(yùn)行。PLC主要控制系統(tǒng)的運(yùn)行、保護(hù)、監(jiān)測(cè)。PLC調(diào)試部分包括修改下載程序；設(shè)定PLC，變頻器，觸摸屏三級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間的通信；核對(duì)PLC的I/O點(diǎn)；調(diào)試潤(rùn)滑系統(tǒng)。此部分關(guān)鍵點(diǎn)在于PLC組態(tài)、程序的設(shè)置、系統(tǒng)各級(jí)機(jī)構(gòu)之間通信的建立。通信系統(tǒng)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)正常工作才能確保各級(jí)系統(tǒng)能夠很好的傳遞數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通信采用的是工業(yè)常用的Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其涉及到兩級(jí)控制系統(tǒng)：變頻器和遠(yuǎn)程I/O。其設(shè)置相對(duì)較復(fù)雜，必須仔細(xì)一步一步設(shè)置，并確保硬件系統(tǒng)的正確配置才能完成。

2.4 變頻器調(diào)試

變頻器調(diào)試為調(diào)試的關(guān)鍵點(diǎn)之一。變頻器調(diào)試主要完成的功能是控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)起停、調(diào)速等功能。變頻器調(diào)試主要包括電機(jī)辨識(shí)，遠(yuǎn)端控制聯(lián)動(dòng)。電機(jī)辨識(shí)指通過(guò)計(jì)算電機(jī)的額定銘牌參數(shù)，并通過(guò)變頻裝置對(duì)交流電機(jī)通以給定的電壓、電流得到交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型中所需要的各等效電機(jī)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能控制。WK-12C電動(dòng)挖掘機(jī)的核心變頻系統(tǒng)采用西門子傳動(dòng)或ABB傳動(dòng)系統(tǒng)。無(wú)論是基于矢量控制理論的西門子變頻系統(tǒng)，還是基于直接轉(zhuǎn)矩控制理論的ABB傳動(dòng)系統(tǒng)，其高性能控制完全依賴于其中所使用到電機(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性。如果電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致調(diào)速性能指標(biāo)下降甚至導(dǎo)致變頻器故障。因此，電機(jī)辨識(shí)這一步對(duì)于系統(tǒng)良好的運(yùn)行非常重要[3]。

正確的完成電機(jī)辨識(shí)后，便可切換到遠(yuǎn)端，利用司機(jī)室主令控制變頻器的啟停、調(diào)速。此部分需要與PLC控制相結(jié)合。合適的修改程序并聯(lián)調(diào)變頻器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)司機(jī)室端子控制變頻器的啟停。完成這一步即可實(shí)現(xiàn)電鏟各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

2.5 整機(jī)聯(lián)調(diào)

整機(jī)聯(lián)調(diào)指在系統(tǒng)各部分都調(diào)試完成后，整機(jī)聯(lián)動(dòng)試車。此階段調(diào)試需要足夠的經(jīng)驗(yàn)來(lái)確保各電氣機(jī)構(gòu)能夠很好的運(yùn)行。需要調(diào)試各電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)確保4大機(jī)構(gòu)能夠很好的配合工作。同時(shí)，要確保各輔助機(jī)構(gòu)，如油氣路、通風(fēng)機(jī)構(gòu)等正常工作。整機(jī)聯(lián)調(diào)還包括各種意外的保護(hù)能夠在出現(xiàn)情況后發(fā)揮作用。各種故障點(diǎn)出現(xiàn)后能夠報(bào)警停機(jī)，并能夠提示維護(hù)人員快速的排除故障點(diǎn)，恢復(fù)生產(chǎn)。

3 調(diào)試常見(jiàn)故障及經(jīng)驗(yàn)

電鏟調(diào)試過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，既有共性的，也有各自的問(wèn)題?，F(xiàn)將常見(jiàn)的共性問(wèn)題作簡(jiǎn)要的分析。

1）電氣調(diào)試中常見(jiàn)的問(wèn)題有組態(tài)錯(cuò)誤。此部分需要正確的配置系統(tǒng)硬件、DP地址，并且需要正確的接線，設(shè)置DP從站地址。容易忽略的問(wèn)題是硬件配置錯(cuò)誤、從站DP地址設(shè)置錯(cuò)誤造成系統(tǒng)配置失敗。

2）電氣調(diào)試過(guò)程中，變頻器調(diào)試容易出現(xiàn)問(wèn)題。整流啟停、逆變器的參數(shù)切換等都需要正確的配置，以防參數(shù)切換錯(cuò)誤造成變頻器故障。參數(shù)的設(shè)置包括額定參數(shù)，電流、電壓限幅值等需要按照設(shè)計(jì)配置，以符合最初設(shè)計(jì)要求。電機(jī)的加減速時(shí)間，速度限幅值對(duì)系統(tǒng)和操作有直接的影響，因此需要參考設(shè)計(jì)要求并反復(fù)的調(diào)試來(lái)確定。

3）系統(tǒng)在辨識(shí)后可能需要手動(dòng)調(diào)節(jié)P、I值以確保達(dá)到合理的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。調(diào)節(jié)P、I值需要經(jīng)典控制理論知識(shí)，更需要現(xiàn)場(chǎng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。P值主要影響動(dòng)態(tài)性能，I值主要影響穩(wěn)態(tài)差值。需要根據(jù)實(shí)際情況合理的調(diào)節(jié)。

4）整機(jī)聯(lián)調(diào)需要測(cè)試各機(jī)構(gòu)正常工作。系統(tǒng)能否在聯(lián)動(dòng)的情形下各機(jī)構(gòu)正常工作不起沖突。尤其對(duì)于電控系統(tǒng)的一些保護(hù)措施，甚至需要人為的“制造”出一些故障，看系統(tǒng)能否做出合理的保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

主要探討了WK-12C電鏟電氣調(diào)試的過(guò)程及一些需要注意的問(wèn)題。首先，介紹了電鏟電控系統(tǒng)的發(fā)展及各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)。然后，詳細(xì)的闡述了電氣調(diào)試過(guò)程及各個(gè)階段關(guān)鍵點(diǎn)。最后，針對(duì)調(diào)試過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題介紹了常見(jiàn)的故障處理辦法及一些經(jīng)驗(yàn)。

[1] 劉錦波,張承慧.電機(jī)與拖動(dòng)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社.2001.

[2] 宋書中.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[3] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].第3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.