挖土機(jī)缺陷分析

/挖土機(jī)缺陷分析文章來源:摘要：二手挖土機(jī)行業(yè)一直以來采用的直流調(diào)速系統(tǒng)由于其存在的缺陷，逐漸將被高速發(fā)展的交流高性能調(diào)速技術(shù)所取代.本文分析了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的原理及其無測速傳感器即可獲得的高的轉(zhuǎn)速控制精度和轉(zhuǎn)矩動態(tài)響應(yīng),以及可實現(xiàn)真正的提升和推壓機(jī)構(gòu)零速懸停的特點，并通過對國內(nèi)4m3挖掘機(jī)的成功調(diào)試，最終證明了直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)可以完全適應(yīng)挖掘機(jī)行業(yè)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)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):?(1）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。

（２）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.

(3)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)下滑或溜車的現(xiàn)象。?在挖掘機(jī)工作過程中，每完成一次鏟料-提升—回轉(zhuǎn)—下放—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.?(4)對再生制動能量的處理必須迅速可靠。?(５）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。

(6)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?？刂圃韴D如圖1所示。圖１直接轉(zhuǎn)矩控制原理圖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±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±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)子磁鏈可有等式(1)得到:?

轉(zhuǎn)子磁鏈和靜止坐標(biāo)系α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;ω=ωe-ωs1（5)

式中：ψｒ-轉(zhuǎn)子磁通；ψｓ—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；ψrα、ψｒβ-轉(zhuǎn)子磁通在靜止坐標(biāo)系α軸和β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,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。4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。系統(tǒng)框圖如圖2所示。圖2樣機(jī)電氣系統(tǒng)框圖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,試驗樣機(jī)如圖3所示.圖3挖掘機(jī)樣機(jī)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(曲線4所示）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)模型計算得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速（曲線1所示）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(曲線2）一致，并與轉(zhuǎn)速給定值（曲線４）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(曲線3所示）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。圖4提升系統(tǒng)零速懸停圖圖５推壓系統(tǒng)零速懸停圖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)矩波形如圖5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-電流測量值;3-電機(jī)給定轉(zhuǎn)矩;４-電機(jī)實際轉(zhuǎn)矩；5-轉(zhuǎn)速給定值。由圖4可見，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速給定值（曲線5所示)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（曲線1)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（曲線3）和轉(zhuǎn)矩實際值(曲線４）保持為恒定值，與實際負(fù)載相平衡，