直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在挖掘機(jī)行業(yè)上的應(yīng)用

1、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在挖掘機(jī)行業(yè)上的應(yīng)用1、引言近年來，大型露天礦山中的裝運(yùn)設(shè)備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現(xiàn)在大 型電氣設(shè)備-挖掘機(jī)上。挖掘機(jī)上的電氣設(shè)備主要由提升、推壓、行走和 回轉(zhuǎn)等部分組成，控制系統(tǒng)采用技術(shù)十分成熟的直流驅(qū)動系統(tǒng)。然而， 由于直流調(diào)速系統(tǒng)維修費(fèi)用較高，且直流牽引電機(jī)在功率、速度和空間 尺寸方面受到限制，基本上沒有更大的潛力可挖。隨著交流變頻調(diào)速技 術(shù)的日趨成熟，基于矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)以其 寬廣的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度、快速的動態(tài)響應(yīng)以及可四象限 運(yùn)行的性能位居交流傳動技術(shù)之首，其調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系 統(tǒng)相媲美。因此，將交流調(diào)速系統(tǒng)引入到挖掘機(jī)

2、行業(yè)上，使其采用籠型 感應(yīng)電動機(jī)成為可能，從而使電控系統(tǒng)具有了速度更高、功率更大、可 靠性更強(qiáng)、效率更高和維護(hù)費(fèi)用更低的優(yōu)點。2、挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)將交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于挖掘機(jī)的電控系統(tǒng)中，主要著手解決以下幾方面 的關(guān)鍵技術(shù)：采用無速度傳感器的控制策略由于挖掘機(jī)工作在露天環(huán)境中，灰塵污染嚴(yán)重，易覆蓋和堵塞測速編碼 器，影響其正常工作。另外，挖掘機(jī)工作過程中會產(chǎn)生很強(qiáng)烈的自身震 動，而強(qiáng)烈震動將很有可能導(dǎo)致編碼器的損害。低頻時能保證電機(jī)的滿轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時滿負(fù)載工況下發(fā)生帶 不動負(fù)載的現(xiàn)象。滿負(fù)載時在空中制動停車或再提升時，在不允許采用機(jī)械制動抱閘的 情況下，提升和推壓機(jī)構(gòu)不會出現(xiàn)下滑或溜車的

3、現(xiàn)象。在挖掘機(jī)工作過程中，每完成一次鏟料一提升一回轉(zhuǎn)一下放一卸料的過 程，提升和推壓機(jī)構(gòu)就需要在空中制動停車一次。若采用機(jī)械抱閘的制 動方法來保證提升和推壓結(jié)構(gòu)的零速懸停，雖然可保障兩機(jī)構(gòu)不會出現(xiàn) 下滑或溜車的現(xiàn)象，然而頻繁的抱閘動作一方面會嚴(yán)重縮短抱閘的使用 周期，另一方面抱閘的打開和閉合所需的延時時間會極大地限制挖掘機(jī) 的工作效率，同時抱閘與變頻器加減速時間的配合不當(dāng)還會引起溜車或 變頻器堵轉(zhuǎn)跳閘的現(xiàn)象。對再生制動能量的處理必須迅速可靠。系統(tǒng)具有高的過載能力以及快速的堵轉(zhuǎn)、過流等保護(hù)功能。挖掘機(jī)行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于采用同一套控制系統(tǒng)，二者的切換必 須快速可靠。在上述的幾項關(guān)鍵技術(shù)中，尤以

4、無傳感器技術(shù)和零速滿轉(zhuǎn)矩技術(shù)最為重 要，它對于保證挖掘機(jī)安全可靠的工作起著舉足輕重的作用。3、技術(shù)方案根據(jù)目前比較成熟的高性能的交流調(diào)速技術(shù)，有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn) 矩控制技術(shù)兩種方案可以選擇，這兩種技術(shù)方案都可以較好地解決挖掘 機(jī)的技術(shù)難題，然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由于所采用的基于定子磁場定向 的控制方法，故不需要在電機(jī)軸端安裝測速編碼器來反饋轉(zhuǎn)子位置信號， 而且仍能實現(xiàn)高精度的動靜態(tài)速度和力矩控制。另外，直接轉(zhuǎn)矩控制是 對轉(zhuǎn)矩的直接控制，故對負(fù)載的變化相應(yīng)迅速，可實現(xiàn)快速的過程控制， 同時又具有過高的過載能力和200%的起動轉(zhuǎn)矩。基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù) 的特點能夠完全滿足挖掘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)要求，故

5、在這里采用以直接轉(zhuǎn)矩 控制技術(shù)為核心的交流調(diào)速裝置。3.1直接轉(zhuǎn)矩控制原理交流異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論是由德國魯爾大學(xué)Depenbrock教授 首次提出，后經(jīng)過ABB公司10多年的逐步完善以及產(chǎn)品化，直接轉(zhuǎn)矩控 制技術(shù)已成為當(dāng)今交流傳動的最先進(jìn)的控制方法之一。直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在變頻器內(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)實測的直流母線電壓、開關(guān)狀態(tài)和電流計算出一組精確的 電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元 的開關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的，這意味著可以 產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負(fù)載變化作出快速地轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩相應(yīng) 限制在一拍以內(nèi)，且

6、無超調(diào)，真正實現(xiàn)了對電動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實時控 制。3.2無測速傳感器及零速滿轉(zhuǎn)矩矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在有測速傳感器的條件下控制精度相 差無幾，大約為額定轉(zhuǎn)速的土 0.01%。然而，矢量控制技術(shù)的調(diào)速精度尤 其是在零速附近對測速傳感器的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)傳感器失效時，其控制 精度大為降低，只有額定轉(zhuǎn)速的1-3%，很難保證電機(jī)零速時輸出滿轉(zhuǎn) 矩的特性，從而出現(xiàn)提升和推壓機(jī)構(gòu)在零速時下滑或溜車的現(xiàn)象。為了 避免這一現(xiàn)象，實際應(yīng)用中可采用加轉(zhuǎn)速偏置的方法可在一定程度上解 決這一問題，然而偏置量的過大或過小會引起兩個機(jī)構(gòu)的緩慢上升或下 滑。采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)則不會存在上面的問題。一方面由于其采用

7、基于 定子磁場定向的電機(jī)模型，不需要測速傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，對測速 傳感器的依賴性不強(qiáng)，即使沒有傳感器仍可以有很高的調(diào)速精度，可達(dá) 額定轉(zhuǎn)速的土 0.1-0.5%，故在零速附近仍可以維持滿轉(zhuǎn)矩的輸出，保證 提升和推壓機(jī)構(gòu)實現(xiàn)零速懸停。另一方面，根據(jù)無速度傳感器的控制原 理，定子磁鏈由電壓模型計算得出轉(zhuǎn)子磁鏈和靜止坐標(biāo)系a軸的夾角為對式(2)求導(dǎo)得到轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度的計算公式為電機(jī)轉(zhuǎn)子的角速度為轉(zhuǎn)子磁鏈角速度與轉(zhuǎn)差角速度之差；3 =3 e-3 s1(5)式中：甲r-轉(zhuǎn)子磁通；甲s-定子磁通；Lr-轉(zhuǎn)子電感；Ls-定子電感；Lm- 定轉(zhuǎn)子互感；is-定子電流；甲ra、甲rP -轉(zhuǎn)

8、子磁通在靜止坐標(biāo)系a軸 和6軸的分量；Tem-電磁轉(zhuǎn)矩；Rr-轉(zhuǎn)子電阻；pn-極對數(shù)。由等式(5)得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速精度與定子磁鏈的準(zhǔn)確性關(guān)系密切。由電壓模 型得到的定子磁鏈在低速時受到定子電阻壓降的影響，估算的磁鏈值準(zhǔn) 確性下降，因此得到的轉(zhuǎn)速精度也隨之下降。為此，為了保證全速范圍 內(nèi)轉(zhuǎn)速的估算精度，在無速度傳感器的條件下，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn) 速的10%,負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的30%時，ABB變頻器ACS800系列采 用了 FS-method(FluxStabilizer)的控制側(cè)略，即高于額定轉(zhuǎn)速的10% 時采用基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算值，低于額定轉(zhuǎn)速的10%時采用基于電 流模型的轉(zhuǎn)速估算值，

9、克服了低速下由電壓模型估算轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確的缺陷， 從而保證了電動機(jī)不僅在電動狀態(tài)而且在發(fā)電狀態(tài)都具有零速滿轉(zhuǎn)矩的 特性，最大轉(zhuǎn)矩輸出可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200%。正是由于ACS800系列變頻器所具有的無傳感器高控制精度和零速滿轉(zhuǎn) 矩的特點，可完全保證挖掘機(jī)的提升和推壓機(jī)構(gòu)實現(xiàn)空中的零速懸停而 不必采用機(jī)械抱閘裝置，提高了挖掘機(jī)系統(tǒng)的可靠性和工作效率。3.3再生能量的處理對于挖掘機(jī)提升和推壓機(jī)構(gòu)工作中的再生能量的處理，可采取兩種解決 方案:一種是整流橋采用由二極管組成的三相不控橋，外接制動斬波器的 方案，再生能量通過制動電阻以熱能的形式耗散掉，可采用的變頻器型 號為ACS800-04/07;另一種是整流橋

10、采用由IGBT組成的三相可控橋，再 生能量通過可控整流橋回饋到電網(wǎng)中去，可采用的變頻器型號為 ACS800-17。這里采用成本較低的解決方案，即外接制動斬波器的方案。ACS800變頻器具有高達(dá)200%的轉(zhuǎn)矩輸出能力，能夠滿足挖掘機(jī)在遇到大 塊堅硬巖石而出現(xiàn)的過大負(fù)載力矩需求，快速的堵轉(zhuǎn)和過流等保護(hù)功能 可保證系統(tǒng)的安全可靠工作。另外，由于挖掘機(jī)的行走和回轉(zhuǎn)是分別運(yùn)行的，故為了節(jié)省投資，行走 和回轉(zhuǎn)采用同一個變頻調(diào)速裝置。為了實現(xiàn)這一目的，可采用ACS800標(biāo) 準(zhǔn)軟件的兩個用戶宏切換的功能，即分別將行走和回轉(zhuǎn)的電機(jī)參數(shù)以及 軟件參數(shù)設(shè)置存儲在用戶宏1和用戶宏2中，通過設(shè)定的數(shù)字輸入口的 上升和下

11、降沿即可實現(xiàn)行走和回轉(zhuǎn)兩套控制參數(shù)的切換，達(dá)到一臺變頻 器控制兩臺電機(jī)的目的。、樣機(jī)電氣系統(tǒng)配置樣機(jī)電氣系統(tǒng)主要由變壓器、變頻器、電機(jī)以及操作室控制平臺和PLC 組成。其中，提升電機(jī)和推壓電機(jī)各由一臺變頻器驅(qū)動，大車的行走電 機(jī)和回轉(zhuǎn)電機(jī)由一臺變頻器驅(qū)動，二者的電氣控制之間具有互鎖電路。 系統(tǒng)的操作命令由控制室的操作平臺經(jīng)PLC給出。5、實驗分析 將ACS800系列變頻器應(yīng)用于4m3挖掘機(jī)的電控系統(tǒng)中，并在湖北葛洲壩 水泥廠進(jìn)行了試驗其中，提升電機(jī)參數(shù):功率200kW;額定頻率37.5Hz;額定電流370A;額定 轉(zhuǎn)速732r/min;變頻器型號為ACS800-04-0440-3，輸出視在功率

12、為 440kVA;推壓電機(jī)參數(shù):功率75kW;額定頻率38.9Hz;額定電流132A;額定轉(zhuǎn)速 1150r/min;變頻器型號為ACS800-04-0260-3，輸出視在功率為260kVA。5.1提升機(jī)構(gòu)試驗結(jié)果分析采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在無測速傳感器的條件下可完全保證提升機(jī)構(gòu)的 真正零速懸停。提升系統(tǒng)零速懸停時電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示（波 形由ABB專用調(diào)試和監(jiān)控軟件DriveWindow測得）。圖中，1-轉(zhuǎn)速估算 值;2-轉(zhuǎn)速測量值;3-電機(jī)轉(zhuǎn)矩;4-給定轉(zhuǎn)速值。由3圖可見，由于采用了 FS-Method，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值由400r/min下降為0r/min時，由變頻器根據(jù) 電機(jī)內(nèi)部數(shù)學(xué)模型

13、計算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速也迅速下降為0r/min，且該轉(zhuǎn)速 基本與由測速編碼器得到的轉(zhuǎn)速測量值一致，并與轉(zhuǎn)速給定值完全吻合。 由于轉(zhuǎn)速在零速時估算的準(zhǔn)確性，變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩可始終保持為恒定 值，與負(fù)載相平衡，故可實現(xiàn)挖掘機(jī)提升結(jié)構(gòu)的零速懸停。由此說明， 在提升機(jī)構(gòu)采用無傳感器控制時，由于ACS800變頻器采用了 FS-Method 的控制策略，由電機(jī)內(nèi)部計算得到的轉(zhuǎn)速值與實際轉(zhuǎn)速基本一致，達(dá)到 了較高的轉(zhuǎn)速控制精度，實現(xiàn)了無傳感器條件下的零速懸停。5.2推壓機(jī)構(gòu)試驗結(jié)果分析采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在無測速傳感器的條件下可完全保證推壓機(jī)構(gòu)的 真正零速懸停。推壓系統(tǒng)零速懸停時電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩波形（波形由ABB專 用調(diào)試和監(jiān)控軟件DriveWindow測得）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值由500r/min 下降為0r/min時，由變頻器根據(jù)電機(jī)數(shù)學(xué)模型計算得到的轉(zhuǎn)速估算值也 迅速跟蹤轉(zhuǎn)速給定值下降為零，并與給定值曲線相重合。由于轉(zhuǎn)速估算 的準(zhǔn)確性，故變頻器輸出的轉(zhuǎn)矩給定值和轉(zhuǎn)矩實際值保持為恒定值，與 實際負(fù)載相平衡，實現(xiàn)了推壓機(jī)構(gòu)零速懸停。由此