共直流母线在WK-12C电铲上的应用

张世宣 ，于代林 ，徐绍良 ，杨 雷

（1.鞍钢集团矿业有限公司 能源动力分公司，辽宁鞍山 114005；2.鞍钢集团矿业有限公司 设计研究院，辽宁鞍山 114005）

矿山露天开采成本低、效率高、安全系数高，是目前首选的开采方式。电铲在矿山生产中主要用于装载矿岩，由于其设备价格低、性能可靠、适应性强、作业成本低、设备移动方便，成为大型露天矿的核心首选设备。

太原重工股份有限公司自主研发的WK-12C属于矿用机械电铲，整铲由提升、推压、行走、回转4个系统组成，适用于年产量1 000万吨级以上的露天矿山使用，可与80～154吨级矿用汽车配套使用。由于该设备采用 ABB ACS800变频调速系统，打破了国外垄断，填补了国内空白，目前已经在全国各大矿山得到了成功应用。

1 共直流母线系统在电铲上的应用

1.1 电铲电气系统发展概况

我国电铲电气系统的发展主要经历了3个阶段：发电机—电动机直流调速系统、可控硅直流调压调速系统、交流变频调速系统。前2种属于直流调速，缺点很多：电网功率因数低，耗电量大，占地面积大，噪声大，检修困难，造价高，容量、转速受限，故障率高。第3种交流变频调速系统出现于21世纪，由于交流调速容量大、转速高、耐高压，对环境适应性强，调速性能优异，且结构简单、造价低、维护方便，因此得到了迅猛发展。

1.2 共直流母线技术特点及优势

通常，交流变频器由整流器、滤波回路、逆变器组成，大部分无法解决在发电运行状态下的电机能量回馈问题。共直流母线技术提供了一种现实可行的简单办法，既可解决四象限运行、频繁启制动电机问题，又可改善系统动态指标，提高经济效益。该技术是将变频器分解为2个部件，即整流器部分与逆变器分开，采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上，主要应用于多电机传动系统。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能，用于调速系统的高精度控制；当系统工作在发电状态时，将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和回收，从而达到节约能源、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。

共直流母线技术的基本要求如下:1)逆变器需共享整流装置，此整流装置为共用直流母线专用装置。2)逆变器应尽量安装在一起，避免远距离配线，最好在同1个电气房。3)共用直流母线不能使用一般变频器，否则会有炸机的危险。

共直流母线系统的优点如下：1）共直流母线系统能很好地解决多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。2）共直流母线系统设备结构紧凑，工作稳定。在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备，节省了设备占地面积和设备维护量，减少了设备故障点，提高了设备的整体控制水平。3）功率因数较高，可达95%以上，电网谐波较低；可以急降速，允许频繁启动操作。

综上，可以认为共直流母线系统是解决多电机传动技术的较好方案。

1.3 共直流母线在WK-12C电铲上的应用

目前，鞍钢矿业公司鞍千矿现场使用了3台WK-12C电铲。该项目生产条件复杂，经常出现大的冲击负载，甚至堵转，因此，对电铲的电气调速系统要求非常高，不仅要能四象限运行，动态响应快，加减速和反转迅速，制动性能优异，还要能进行电能回馈。这给WK-12C电铲变频调速系统的实现提出了挑战。

WK-12C电铲为典型的多电动机传动系统，其生产工艺要求4个主要机构的电机都要有1台变频器单独驱动，每台电机既可以工作在电动状态，又可工作在制动状态，因此非常适合采用共直流母线变频系统。而ABB变频器具有宽广的调速范围，较高的稳态转速精度，快速的动态响应以及可四象限运行的性能。WK-12C电铲采用ABB ACS800整流/回馈共直流母线变频调速系统。

由于电铲使用环境十分恶劣，温差大，振动大，粉尘浓度高，尤其在铁矿等金属矿区，粉尘中还含有大量的金属成分，附着在电路板上容易造成短路。因此，对变频柜的防尘等级要求较高。ASC800系列变频柜的功率部分采用一体式模块化设计，每个功率模块自成1个独立的功率单元，单个功率模块可并联使用，防护等级高，有效避免了粉尘的影响，维护也更加方便。每个功率模块下部均配置1台风机，变频柜工作时风机自动通风散热，避免了柜内温度过高。柜体结构采用特殊强化结构，有效吸收振动，防止对电气元件造成机械损伤。输入电源50 HZ、690 V，给整流单元供电，共直流母线与电机各逆变器相连，实现对各机构电动机转矩与速度的精确控制。整流/回馈共直流母线电路图见图1。

图1 整流/回馈共直流母线电路示意

整流/回馈回路采用可控硅桥式整流，把交流电源转换为电压稳定的直流电源，各机构电机制动过程中产生的能量通过共直流母线—整流回馈单元馈送至电网，降低了电铲耗电量，即使在逆变器能量回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定，可在输入端电网和逆变器回路之间整流和回馈。为了防止发生整流故障时能量无法回馈的特殊情况，系统附加1套制动单元，采用能耗制动方式，仅用作整流故障时辅助的制动措施；正常工作时，制动单元不工作。多电机变频调速驱动结构见图2。

由图2可知，逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电铲电机平滑调速的目的。回转2台电动机共用1个逆变器，2台回转电机通过减速机刚性连接，电机并联连接在回转逆变器上，从而使电机转速和转矩完全一致。回转电机采用转矩控制，可实现快速停车。

图2 WK-12C电铲多电机变频调速驱动结构示意

左、右行走电动机分别由2个逆变器独立驱动。右行走电动机与2台提升电动机共用1个逆变器。2台提升／右行走逆变器同时存储提升电机和右行走电机的电机参数和控制参数，通过模式选择，在提升模式和行走模式间切换，达到用1台逆变器控制3台电机的目的。提升机构为闭环速度控制，2个提升电机之间通过减速机刚性连接，主提升采用速度控制，从提升采取转矩控制，从而达到2台电机出力完全一致，转速和转矩保持同步。右行走机构采取开环速度控制。左行走电动机与推压电动机共用1个逆变器，逆变器存储推压电机和左行走电动机参数和控制参数，采用闭环速度控制。

电铲挖掘作业中，铲斗下放的过程中产生相当大的电能，通过共直流母线可直接回馈给电网，降低了电铲耗电量，是一种经济环保的制动方式，也可避免电网电压瞬间波动造成的故障停机，降低设备故障率，保证设备稳定运行。

2 电铲共直流母线常见故障及分析

2.1 直流母线电压过高

可能原因是主电路进线电压过高，制动单元和制动电阻故障，减速时间太短，逆变单元内部故障。遇见此故障需检查外部供电电压是否正常，检查逆变器相关参数(减速时间等)是否在合理范围内，检查制动单元和制动电阻是否正常，检查逆变单元。

2.2 直流母线欠电压

可能原因是主电源缺相，熔断器烧断或整流桥组内部损坏，导致中间直流母线欠压。首先检查供电电源是否有故障，或是熔断器、断路器有故障。其次检查电源电压。一般而言，由于采矿供电负荷的不均衡，供电电压都不太稳定，尤其是夜间大负荷作业时，电源电压会比白天降低很多，导致变频器直流母线出现欠电压故障。现场有段时间变频器频发此故障，经检查发现高压6 kV系统电压过低，经过上级变电所供电电压调整，故障得到消除。

2.3 整流单元无法启动

遇到这种情况时，先将变频柜启动方式改为盘控，启动后如果能正常启动的话则说明外部控制电路有故障，需检查PLC程序内部相关变频器启动条件是否都达到了启动要求。若是盘控也无法正常启动，则说明整流柜内部有故障存在。首先应该检查柜门上的电气开关是否处于断开状态或是辅助触点损坏，风机开关、热继电器保护、预充电电阻等是否正常；其次检查安全继电器是否正常；最后检查主接触器的好坏。

3 结语

综上所述，共直流母线变频调速系统在电铲多电机传动控制系统中是一种较好的调速设计方案，能取得较好的动静态特性和调速精度。从矿业公司鞍千矿WK-12C电铲的实际使用来看，该系统维护方便，节能环保，模块化设计使得故障处理时间降到最低，故障率低，极大地提高了设备开动率和生产效率。系统各项运行指标均能满足复杂生产工艺要求，极具推广价值。