黃俊亮

（江西銅業(yè)集團德興銅礦，江西 上饒 334224）

機械礦用挖掘機是太重自主研制的大型露天礦山采裝設(shè)備，已生產(chǎn)各類挖掘機1300 余臺，市場占有率95%以上，標準斗容從4 立方米延伸至75 立方米，可適用于各種大型露天煤礦、鐵礦及有色金屬礦山的剝離和采裝作業(yè)，產(chǎn)品已經(jīng)出口到俄羅斯、南非、智利、印度、秘魯、伊朗、利比里亞等20 余個國家。太重自主研制的挖掘機規(guī)格參數(shù)領(lǐng)先、技術(shù)性能先進、生產(chǎn)能力高效，整機性能領(lǐng)先國外同類產(chǎn)品，代表了挖掘機領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)前沿水平。

1 提升機構(gòu)介紹

電鏟主要由四大工作機構(gòu)組成，分別為提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走機構(gòu)。上述四大機構(gòu)是電鏟在工作中的主要動作部分，每個機構(gòu)的可靠性和工作效率直接決定了整機的運行水平。在每個挖貨循環(huán)中，電鏟都要完成“物料切入角確定-提升挖掘-回轉(zhuǎn)卸貨-下放鏟斗重新確定切入角”這樣一個循環(huán)過程。可知，在每個循環(huán)中，提升挖掘是設(shè)備負載最大、震動最大的過程，該過程直接影響設(shè)備最大運行能力和裝載滿斗率。為此，提升機構(gòu)的電氣設(shè)計和調(diào)試成了整機運行的重中之重。電鏟提升機構(gòu)由2 臺電機共同驅(qū)動1 個提升減速箱，減速箱帶動提升卷筒，卷筒上的鋼絲繩驅(qū)動鏟斗。2 臺電機和減速箱通過聯(lián)軸器直接剛性連接，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 所示。

2 控制方式的理論比較

對于上述剛性連接的2 臺電機共同驅(qū)動同一負載，屬于多軸同步控制系統(tǒng)，指在大多數(shù)多軸傳動系統(tǒng)應(yīng)用中，使各軸之間保持一定的同步運行關(guān)系。多軸系統(tǒng)是指強耦合、非線性系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有多個輸入和輸出，函數(shù)關(guān)系表達為。描述該系統(tǒng)的主要性能指標有：速度同步特性、位置（或角度）同步以及絕對值誤差值在系統(tǒng)應(yīng)用范圍內(nèi)。

這種場合往往對速度精度、轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng)、負荷自動分配等有比較嚴格的要求，一般V/F 控制的變頻器又難以滿足要求。如何采用矢量控制變頻器來實現(xiàn)2 臺變頻器分別拖動2 臺電機或者1 臺變頻器拖動2 臺電機來實現(xiàn)高精度、大轉(zhuǎn)矩調(diào)速是提升機構(gòu)的技術(shù)難點，即針對該應(yīng)用的主從控制和一拖二控制，二者的特點比較如下。

圖1 提升機構(gòu)

2.1 主從控制

電氣拓撲結(jié)構(gòu)為兩臺變頻器（矢量控制）分別驅(qū)動兩臺相同的電機，兩臺電機通過機械連接驅(qū)動同一負載。該控制方式必須保證兩臺電機的轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩相同，而且在動態(tài)響應(yīng)過程中，能實現(xiàn)動態(tài)負荷的自動分配，以達到平衡狀態(tài)。

基于上述思路，有兩種常見的做法：一個基本的方法是速度跟蹤控制，一臺為主，一臺為輔，主機接收上位機發(fā)出的速度給定，從機的速度調(diào)整指令來自主機。實現(xiàn)該功能需要在原有硬件基礎(chǔ)上加裝模塊，現(xiàn)場調(diào)試的難度較大，容易出現(xiàn)動態(tài)過程的負荷分配不平衡等問題，而且長時間運行中，變頻器的故障率較高。該方法對于電機與負載采用軟連接的場合失效。而且當(dāng)負載變化比較復(fù)雜時，由于頻繁的動態(tài)響應(yīng)過程，導(dǎo)致從機始終無法和主機達到理想的同步狀態(tài)，這也使得該方法的應(yīng)用受到很大的局限，僅在長時穩(wěn)態(tài)的工況下，該方法能獲得較理想的控制效果。另外一種方法就是一臺采用速度控制作主機，另一臺采用轉(zhuǎn)矩控制作從機。主機從上位機接收速度給定指令，并將速度環(huán)的輸出，即轉(zhuǎn)矩環(huán)的給定直接發(fā)送至從機的轉(zhuǎn)矩給定，這樣，實現(xiàn)了主從輸出轉(zhuǎn)矩的基本一致。同時，從機的速度傳感器隨時監(jiān)控從機的實際轉(zhuǎn)速，避免機械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)短軸時從機的“飛車”現(xiàn)象。該方法可以避開速度嚴格同步的難題，確保電機的實際轉(zhuǎn)矩一致，不會因單一追求速度同步而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩內(nèi)耗現(xiàn)象。

2.2 一拖二控制

變頻器使用矢量控制實現(xiàn)一拖二的前提條件是所拖動的兩臺電機參數(shù)具有較高的一致性，這對電機廠家的制造過程提出了較高的要求。根據(jù)電機穩(wěn)態(tài)模型，R1、L1、R2、L2、Lm 等參數(shù)在兩臺電機并聯(lián)后折算為單臺電機的1/2，而空載激磁電流IO折算為單臺電機的2 倍。

由電機轉(zhuǎn)差的計算公式可知，電機轉(zhuǎn)差正比于電機轉(zhuǎn)矩電流Ir*，反比于電機勵磁電流Im*。在電機以額定頻率運行時，電機勵磁電流近似等于電機空載勵磁電流IO；轉(zhuǎn)子時間常數(shù)和電機轉(zhuǎn)差成反比，R2、L2并連后均折算為單臺電機的1/2，因此轉(zhuǎn)子時間常數(shù)不變；而電機轉(zhuǎn)矩電流Ir*與電機空載勵磁電流IO均增加一倍，因此，轉(zhuǎn)差計算公式不變。基于上述理論基礎(chǔ)，可以將傳感器裝在速度兩臺中的任意一臺電機上，從而實現(xiàn)一拖二功能。

該方案的優(yōu)點顯而易見：假設(shè)在某個時刻，單臺電機的負載突然增大，整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩電流會隨之突增，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)差率變大，即反饋通道和輸入通道的差值變大，進而導(dǎo)致變頻器自動提高輸出頻率。這樣，不僅負載突增的電機會提高輸出轉(zhuǎn)矩，另一臺電機的轉(zhuǎn)速也隨之上升，從而實現(xiàn)了突增轉(zhuǎn)矩的動態(tài)分配過程。該過程同樣適用于制動負載。對于準閉環(huán)控制的變頻器，轉(zhuǎn)差的計算同有矢量控制。因此，無論是準閉環(huán)還是閉環(huán)控制，電機并聯(lián)模型對電機轉(zhuǎn)速的計算或估算沒有任何影響，

3 實際應(yīng)用的選擇

西門子S120 變頻器是新一代模塊化變頻器，將之前獨立完成某一部分功能的電路板集成為一體，電氣連接和通訊采用統(tǒng)一的標準化接口。使得用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用靈活配置傳動系統(tǒng)，提供量身定制的高性能高可靠性產(chǎn)品。另外，豐富的選件使S120 變頻調(diào)速柜能適應(yīng)工廠應(yīng)用的各種場合，方便地集成在原有系統(tǒng)中；高功率密度的設(shè)計和優(yōu)化的器件布置減小了設(shè)備體積，從而節(jié)約設(shè)備空間。相比上一代產(chǎn)品，S120 變頻柜可以在硬件組態(tài)時，通過DriveCLiQ 電纜的布置，方便地實現(xiàn)兩個同功率柜體的并聯(lián)功能，而無須增加任何額外的硬件。在WK-35 電鏟上，硬件拓撲如圖2。

圖2 一拖二使用的硬件拓撲

將2 臺逆變柜通過Starter 軟件并聯(lián)為一個逆變柜使用，兩個逆變柜被同一個控制單元CU320 所控制，所有的信息交換都發(fā)生在CU320 處理器內(nèi)部。避免了以往的硬件結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)運行需要加裝主從控制板，主從控制板之間采用光纖通信，運行一段時間后，光纖接頭容易松動、進灰，光纖老化等缺陷。由于一拖二控制模型中，兩臺電機的參數(shù)折算為一臺電機，因此，只需對一臺電機加裝速度傳感器即可。電機辨識及后續(xù)運行過程中，對環(huán)流控制參數(shù)的比例和積分時間進行微調(diào)，將環(huán)流控制在額定電流的1%以內(nèi)。

4 運行效果

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備使用情況長時間跟蹤反饋，確認在電鏟的實際運行中，西門子S120 的一拖二控制完全滿足設(shè)備的使用要求，速度控制精度高，電機同步性能好，故障率低，拓撲結(jié)構(gòu)簡潔明了，便于平時的維護與維修，很好地解決了兩臺電機在剛性連接的條件下拖動同一負載的應(yīng)用問題。

5 結(jié)語

（1）WK35 型電鏟提升系統(tǒng)采用主從、2 臺電機拖動同一負載的轉(zhuǎn)矩控制，能很好地適應(yīng)電鏟提升工況的復(fù)雜要求。

（2）S120 變頻柜在硬件組態(tài)時，通過DriveCLiQ 電纜的布置，方便地實現(xiàn)兩個同功率柜體的并聯(lián)功能，并與西門子最新PLC1500 系統(tǒng)完美地組成了以太網(wǎng)，實現(xiàn)各種功能控制。

（3）通過Starter 軟件將2 臺逆變柜并聯(lián)為一個逆變柜使用，兩個逆變柜被同一個控制單元CU320 所控制，所有的信息交換都發(fā)生在CU320 處理器內(nèi)部。避免了過多地光纖等通訊裝置，減少了通訊丟失等故障的發(fā)生。