直接转矩控制变频调速在挖掘机中的应用研究❋

张宏明，仝彩霞

（锡林郭勒职业学院，内蒙古 锡林浩特 026000）

0 引言

EX2500电动液压挖掘机是露天煤矿开采的主要设备之一，该设备主要由提升、推压、行走和回转等部分组成，其动力系统采用860kW／6.6kV 电机驱动，电气系统采用电动液压系统。该液压铲作业时不管挖掘力多大，电机转速是基本恒定的，当负载轻或者等车时会造成很大的电能浪费，使得该铲的电费使用成本很高。应用变频调速技术对其进行改造，对于提高设备的效率，节约电能都是至关重要的。

1 变频器在挖掘机中的应用

电动挖掘机主要用于露天矿装载矿岩，由于北方工矿企业所使用的挖掘机工作条件较为恶劣，特别是在冬季及挖根底作业时，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，要求挖掘机电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，具有足够的有用功率和良好的调速性能，能快速地进行加减速，动态响应速度快；系统制动性能好，并能回收能量；系统运行可靠，维修方便。目前矿用挖掘机应用的电气传动系统主要有3种：电动液压传动系统（如EX2500）、直流传动系统（如WK20）和交流变频调速系统（如WK35）。电动液压传动系统具有耗能高的缺点；而直流传动系统却存在着系统的结构复杂、维修工作量大、效率较低、噪声大，电气系统容易老化、可靠性差、故障率高等缺点；交流变频调速系统具有系统运行可靠、耗能低等优点。

现对EX2500型电动液压挖掘机加装变频器进行节能改造。采用西门子罗宾康完美无谐波变频器，由电网高压6kV 直接接入高压变频器，高压二极管串联整流作为三相整流功率控制单元。经过专用抗共模电抗器和特制的电力电容滤波后，直接控制IGBT 触发不同的脚以输出不同的电压和频率，从而驱动860kW电动机在不同工况下根据负荷大小变频调速作业。

2 系统加装高速变频调速装置后的节能分析

变频调速系统可针对电动机负荷大小实现无级调速，EX2500型电动液压挖掘机的能耗都与机组的转速有关，电机是根据挖掘过程中可能出现的最大负荷条件进行选择的。而实际生产所需的挖掘力是小于最大挖掘力的，并有空载和等车现象。如果所采用的电动机不能调速，就会造成很大的能量损耗；如果采用电动机调速运行，那么，在满足使用条件的前提下，当需要的挖掘力减小时，只须将电动机的转速相应降低，所消耗在电机上的电能明显减少，从而节约了电能。

交流异步电动机的转速N（r／min）为：

N＝60f／p。

其中：f 为定子供电频率，Hz；p 为电动机极对数。改变电机的电源频率f 就可以改变电机的转速N。电动机输出功率P（kW）为：

P＝M×N／9 549。

其中：M 为电机转矩。

由此可见，电机输出功率与负载、转速成正比，当负载减小时，可减小频率，从而降低转速，以实现节能。EX2500和WK35等常态作业对比见表1，交流变频调速系统挖掘机WK35能耗为0.44kW·h·m－3，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高等优点。电动液压系统的EX2500能耗为1.17kW·h·m－3，耗电较高，因此，对EX2500进行变频调速技术节能改造，采用直接转矩控制交流变频调速电气系统驱动860kW 电机，考虑到原液压系统（液压泵、液压缸和阀路系统）的综合效率为0.73，按近同斗容的WK－10B 耗能计算，改造后能耗可以降到0.69kW·h·m－3以下，每立方米可节约用电0.48度。

表1 EX2500和WK35常态作业对比

图1为EX2500变频调速系统结构框图。它是在原系统的基础上并联了变频装置，可随时切换工频工作方式和变频工作方式。变频工作方式由行走速度、挖掘力、挖掘深度等作为控制信号，通过PLC 实现变频调速控制。

图1 EX2500变频调速控制系统结构框图

3 直接转矩控制技术方案

交流变频比较先进的控制方法有矢量控制和直接转矩控制，直接转矩控制技术更具有优越性，它采用基于定子磁场定向的控制方法，实现了对转矩的直接控制，其特点是对负载的变化响应速度快，可实现快速的过程控制，过载能力强，启动转矩大。直接转矩控制技术的这些特点能够满足电铲作业的要求，电机可以根据挖掘机的挖掘力自动调节速度。电机将出力大小信号传给PLC，PLC 的逻辑信号输出给变频器，变频器通过控制电机转速来满足挖掘机的各工况要求，实现EX2500电动液压铲节能技术改造。

图2为直接转矩控制系统结构框图。系统由控制检测单元、PLC、磁链比较器、磁链调节器、转速调节器、转矩调节器等组成。控制检测单元检测电流和电压矢量来辨识定子磁链和转矩，并与磁链和转矩的给定值进行比较，将比较后得到的差值输入两个比较器，然后根据滞环比较器的输出，根据磁链的位置从开关表中选择合适的电压矢量，进而来控制电机转矩。

图2 直接转矩控制系统结构框图

直接转矩控制技术实质是在变频器的内部建立了一个交流异步电动机的软件数学模型，根据检测的电流、电压和开关状态计算出一组精确的电机转矩和定子磁通的参考值，为了实时得到最佳参考值，变频器的每一次开关状态都要单独计算确定，然后将这些参数值直接用于控制输出单元的开关状态，进而得到最佳的开关组合，并对其负载变化作出快速的转矩响应，同时要把转矩响应限制在一拍之内，这也就实现了对电动机转矩和转速的直接控制。

4 结论

采用直接转矩控制技术为核心的高压交流变频器的电气系统对EX2500电动液压挖掘机进行节能技术改造。改造后具有过载能力强，动态响应迅速，启动转矩大，可达到额定转矩的2倍，保证了挖掘机的安全可靠工作。改造后可节电30%以上，节电效果显著。

［1］ 何波.基于PLC 的矿井局部通风变频控制系统的设计［J］.煤炭技术，2011（10）：48－49.

［2］ 夏燕兰.交流变频调速中的矢量控制［J］.南京工业职业技术学院学报，2003（9）：21－23.

［3］ 张永惠.高压变频器的选择［J］.变频器世界，2005（10）：100－105.

［4］ 周扬忠，胡育文.交流电动机直接转矩控制［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［5］ 刘昆，高放，何方威，等.露天矿WK＿4型电铲电气传动系统改造［J］.矿业工程，2006，4（6）：42－44.