西門子S120 變頻器在WK-35 電鏟提升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

黃俊亮

（江西銅業(yè)集團(tuán)德興銅礦，江西 上饒 334224）

機(jī)械礦用挖掘機(jī)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(jī)1300 余臺(tái)，市場占有率95%以上，標(biāo)準(zhǔn)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(gè)國家。太重自主研制的挖掘機(jī)規(guī)格參數(shù)領(lǐng)先、技術(shù)性能先進(jìn)、生產(chǎn)能力高效，整機(jī)性能領(lǐng)先國外同類產(chǎn)品，代表了挖掘機(jī)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)前沿水平。

1 提升機(jī)構(gòu)介紹

電鏟主要由四大工作機(jī)構(gòu)組成，分別為提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走機(jī)構(gòu)。上述四大機(jī)構(gòu)是電鏟在工作中的主要?jiǎng)幼鞑糠?，每個(gè)機(jī)構(gòu)的可靠性和工作效率直接決定了整機(jī)的運(yùn)行水平。在每個(gè)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(gè)循環(huán)過程?？芍?，在每個(gè)循環(huán)中，提升挖掘是設(shè)備負(fù)載最大、震動(dòng)最大的過程，該過程直接影響設(shè)備最大運(yùn)行能力和裝載滿斗率。為此，提升機(jī)構(gòu)的電氣設(shè)計(jì)和調(diào)試成了整機(jī)運(yùn)行的重中之重。電鏟提升機(jī)構(gòu)由2 臺(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)1 個(gè)提升減速箱，減速箱帶動(dòng)提升卷筒，卷筒上的鋼絲繩驅(qū)動(dòng)鏟斗。2 臺(tái)電機(jī)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(tái)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載，屬于多軸同步控制系統(tǒng)，指在大多數(shù)多軸傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用中，使各軸之間保持一定的同步運(yùn)行關(guān)系。多軸系統(tǒng)是指強(qiáng)耦合、非線性系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以有多個(gè)輸入和輸出，函數(shù)關(guān)系表達(dá)為。描述該系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)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(dòng)態(tài)響應(yīng)、負(fù)荷自動(dòng)分配等有比較嚴(yán)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(shí)現(xiàn)2 臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)2 臺(tái)電機(jī)或者1 臺(tái)變頻器拖動(dòng)2 臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)高精度、大轉(zhuǎn)矩調(diào)速是提升機(jī)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)，即針對該應(yīng)用的主從控制和一拖二控制，二者的特點(diǎn)比較如下。

圖1 提升機(jī)構(gòu)

2.1 主從控制

電氣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為兩臺(tái)變頻器（矢量控制）分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)相同的電機(jī)，兩臺(tái)電機(jī)通過機(jī)械連接驅(qū)動(dòng)同一負(fù)載。該控制方式必須保證兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步、轉(zhuǎn)矩相同，而且在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的自動(dòng)分配，以達(dá)到平衡狀態(tài)。

基于上述思路，有兩種常見的做法：一個(gè)基本的方法是速度跟蹤控制，一臺(tái)為主，一臺(tái)為輔，主機(jī)接收上位機(jī)發(fā)出的速度給定，從機(jī)的速度調(diào)整指令來自主機(jī)。實(shí)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(dòng)態(tài)過程的負(fù)荷分配不平衡等問題，而且長時(shí)間運(yùn)行中，變頻器的故障率較高。該方法對于電機(jī)與負(fù)載采用軟連接的場合失效。而且當(dāng)負(fù)載變化比較復(fù)雜時(shí)，由于頻繁的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，導(dǎo)致從機(jī)始終無法和主機(jī)達(dá)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(shí)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(tái)采用速度控制作主機(jī)，另一臺(tái)采用轉(zhuǎn)矩控制作從機(jī)。主機(jī)從上位機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)矩給定，這樣，實(shí)現(xiàn)了主從輸出轉(zhuǎn)矩的基本一致。同時(shí)，從機(jī)的速度傳感器隨時(shí)監(jiān)控從機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，避免機(jī)械結(jié)構(gòu)出現(xiàn)短軸時(shí)從機(jī)的“飛車”現(xiàn)象。該方法可以避開速度嚴(yán)格同步的難題，確保電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩一致，不會(huì)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(shí)現(xiàn)一拖二的前提條件是所拖動(dòng)的兩臺(tái)電機(jī)參數(shù)具有較高的一致性，這對電機(jī)廠家的制造過程提出了較高的要求。根據(jù)電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型，R1、L1、R2、L2、Lm 等參數(shù)在兩臺(tái)電機(jī)并聯(lián)后折算為單臺(tái)電機(jī)的1/2，而空載激磁電流IO折算為單臺(tái)電機(jī)的2 倍。

由電機(jī)轉(zhuǎn)差的計(jì)算公式可知，電機(jī)轉(zhuǎn)差正比于電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流Ir*，反比于電機(jī)勵(lì)磁電流Im*。在電機(jī)以額定頻率運(yùn)行時(shí)，電機(jī)勵(lì)磁電流近似等于電機(jī)空載勵(lì)磁電流IO；轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)差成反比，R2、L2并連后均折算為單臺(tái)電機(jī)的1/2，因此轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)不變；而電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流Ir*與電機(jī)空載勵(lì)磁電流IO均增加一倍，因此，轉(zhuǎn)差計(jì)算公式不變?；谏鲜隼碚摶A(chǔ)，可以將傳感器裝在速度兩臺(tái)中的任意一臺(tái)電機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)一拖二功能。

該方案的優(yōu)點(diǎn)顯而易見：假設(shè)在某個(gè)時(shí)刻，單臺(tái)電機(jī)的負(fù)載突然增大，整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩電流會(huì)隨之突增，進(jìn)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(jìn)而導(dǎo)致變頻器自動(dòng)提高輸出頻率。這樣，不僅負(fù)載突增的電機(jī)會(huì)提高輸出轉(zhuǎn)矩，另一臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之上升，從而實(shí)現(xiàn)了突增轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)分配過程。該過程同樣適用于制動(dòng)負(fù)載。對于準(zhǔn)閉環(huán)控制的變頻器，轉(zhuǎn)差的計(jì)算同有矢量控制。因此，無論是準(zhǔn)閉環(huán)還是閉環(huán)控制，電機(jī)并聯(lián)模型對電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算或估算沒有任何影響，

3 實(shí)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(dú)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(biāo)準(zhǔn)化接口。使得用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用靈活配置傳動(dòng)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(jì)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(shí)，通過DriveCLiQ 電纜的布置，方便地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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?fù)淙鐖D2。

圖2 一拖二使用的硬件拓?fù)?/p>

將2 臺(tái)逆變柜通過Starter 軟件并聯(lián)為一個(gè)逆變柜使用，兩個(gè)逆變柜被同一個(gè)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(yùn)行需要加裝主從控制板，主從控制板之間采用光纖通信，運(yùn)行一段時(shí)間后，光纖接頭容易松動(dòng)、進(jìn)灰，光纖老化等缺陷。由于一拖二控制模型中，兩臺(tái)電機(jī)的參數(shù)折算為一臺(tái)電機(jī)，因此，只需對一臺(tái)電機(jī)加裝速度傳感器即可。電機(jī)辨識及后續(xù)運(yùn)行過程中，對環(huán)流控制參數(shù)的比例和積分時(shí)間進(jìn)行微調(diào)，將環(huán)流控制在額定電流的1%以內(nèi)。

4 運(yùn)行效果

根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備使用情況長時(shí)間跟蹤反饋，確認(rèn)在電鏟的實(shí)際運(yùn)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(jī)同步性能好，故障率低，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔明了，便于平時(shí)的維護(hù)與維修，很好地解決了兩臺(tái)電機(jī)在剛性連接的條件下拖動(dòng)同一負(fù)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(tái)電機(jī)拖動(dòng)同一負(fù)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(shí)，通過DriveCLiQ 電纜的布置，方便地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)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(shí)現(xiàn)各種功能控制。

（3）通過Starter 軟件將2 臺(tái)逆變柜并聯(lián)為一個(gè)逆變柜使用，兩個(gè)逆變柜被同一個(gè)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。