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　　摘 要：近年來(lái)，變頻技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直接轉(zhuǎn)矩控制方式使變頻器交流調(diào)速技術(shù)得到很大的突破。電鏟電氣系統(tǒng)的全數(shù)字化即采用變頻器對(duì)內(nèi)部電機(jī)進(jìn)行速度控制更能滿足控制要求。本文介紹了電鏟中PLC控制變頻器的交流電機(jī)調(diào)速：PLC-變頻器控制、通訊方式和參數(shù)設(shè)置、變頻器的制動(dòng)單元等。

　　關(guān)鍵詞：變頻器;ACS 800;PLC;電鏟

　　Abstract: In recent years, the frequency conversion technology has been rapidly developed, and the Direct Torque Control is an important breakthrough in AC Drive technology of the conversion. The electric system of excavator to be all-digital by using converter to control the internal motor speed can meet the control requirement. This paper is about the PLC controlling AC motor speed of the excavator, and it involves following parts: PLC-Converter controlling, communication pattern, parameter setting, braking unit of the converter and so on.

　　Key words: Converter; ACS 800; PLC; Excavator

　　1 工藝要求

　　電力挖掘機(jī)（電鏟）用于裝載礦巖，目前我國(guó)各工礦企業(yè)所使用的電鏟，其工作條件非常惡劣，特別是在爆破不好的情況下挖根底作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)大的沖擊載荷，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有較高的要求：電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線的包絡(luò)面積大，有足夠的有用功率;有良好的調(diào)速性能，能四象限運(yùn)行，能快速地進(jìn)行加、減速和反轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快;系統(tǒng)制動(dòng)性能好，并能回收能量;系統(tǒng)運(yùn)行可靠，維修方便等。由于電鏟對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的這些特殊要求，所以，我國(guó)電鏟目前應(yīng)用的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)主要還是直流傳動(dòng)系統(tǒng)。其電控系統(tǒng)采用的是由交流電動(dòng)機(jī)—直流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)組成主傳動(dòng)控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能耗高、站地面積大、噪聲大、并且缺乏對(duì)電機(jī)有效地保護(hù)，電氣系統(tǒng)老化很快、可靠性低、故障率高，很多礦山在夏天高溫和爆破不充分的礦場(chǎng)，使用挖掘機(jī)經(jīng)常有燒毀電機(jī)的現(xiàn)象，增加了維修量、增大了維修費(fèi)用、降低了作業(yè)率。因此，電力挖掘機(jī)（電鏟）的全數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用一直是國(guó)內(nèi)很多工礦企業(yè)所企盼的技術(shù)。該挖掘機(jī)全數(shù)字電控系統(tǒng)中就采用了交流變頻技術(shù)，是全交流化的電鏟電氣系統(tǒng);根據(jù)挖掘機(jī)的機(jī)械特性等和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完全滿足設(shè)備現(xiàn)代化和高效生產(chǎn)可靠性要求，將其簡(jiǎn)稱為交流變頻調(diào)速電鏟。

　　2 控制方案

　　本控制系統(tǒng)中電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，各個(gè)電機(jī)能迅速實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)行，能平滑地調(diào)速，保持較硬的機(jī)械特性，以便獲得較大的起、制動(dòng)力矩，縮短過(guò)渡過(guò)程，提高生產(chǎn)率，升速及減速快慢即斜率根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，及在生產(chǎn)過(guò)程中，能借助于變動(dòng)負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

　　為滿足這些要求，我們采取了下面的控制方案：

　　采用PLC控制技術(shù)進(jìn)行邏輯控制，對(duì)變頻器和各個(gè)電機(jī)進(jìn)行整體控制，由變頻器分別拖動(dòng)提升電機(jī)、推壓電機(jī)、回轉(zhuǎn)行走電機(jī)等，即1對(duì)1控制方式;變頻器與PLC系統(tǒng)之間采用Profibus-DP進(jìn)行通訊;其中PLC西門子S7-300，變頻器選用ABB ACS800。

　　本交流變頻調(diào)速電鏟內(nèi)部的基本結(jié)構(gòu)是，高壓交流電由電纜經(jīng)集電環(huán)引入電鏟, 由主變壓器將電壓變換,再經(jīng)過(guò)變頻器，供電給提升電動(dòng)機(jī)、回轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)、推壓電動(dòng)機(jī)、開(kāi)斗電動(dòng)機(jī)等。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電鏟內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)圖

　　3 ACS800變頻器拖動(dòng)交流電機(jī)通用控制特性簡(jiǎn)介

　　ACS800變頻器采用DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）電機(jī)控制技術(shù)，提供了先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)功能。

　　3.1 識(shí)別運(yùn)行

　　DTC控制的優(yōu)良性能取決于準(zhǔn)確的電機(jī)模型，這個(gè)模型是在電機(jī)識(shí)別的運(yùn)行中建立的。在傳動(dòng)起動(dòng)的過(guò)程中，ACS800驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行大約是一分鐘，控制電路監(jiān)視電機(jī)的反應(yīng)，建立并優(yōu)化電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。如果沒(méi)有選擇識(shí)別運(yùn)行，當(dāng)?shù)谝淮谓o出起動(dòng)命令，將自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)快速電機(jī)識(shí)別程序。第一次起動(dòng)時(shí)，電機(jī)在零速運(yùn)行幾秒鐘，以便建立電機(jī)模型。這個(gè)識(shí)別運(yùn)行克滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求。

　　3.2 零速滿轉(zhuǎn)矩

　　由ABB變頻器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)在零速時(shí)能夠獲得其額定轉(zhuǎn)矩，而不需要編碼器或測(cè)速機(jī)的反饋信號(hào)。另外，在參數(shù) 26.03 IR COMPENSATION中調(diào)整零速時(shí)供給電機(jī)的額外相對(duì)電壓值，范圍是0...30%Une，IR補(bǔ)償可以增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)IR補(bǔ)償起作用時(shí)，傳動(dòng)單元會(huì)在低速或零速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)增加電壓。

　　3.3 直流抱閘

　　通過(guò)直流抱閘保持功能可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子鎖定在零速。當(dāng)速度給定和電機(jī)速度均降到預(yù)設(shè)的直流保持速度以下時(shí)，傳動(dòng)單元使電機(jī)停止并將直流注入電機(jī)。

　　3.4 加速/減速斜坡

　　ACS800提供加速/減速時(shí)間。可以調(diào)節(jié)加速/減速時(shí)間（0～1000s）和斜坡形狀。可選擇的斜坡形狀是線性和S-曲線形。線性適用于需要平穩(wěn)地傳動(dòng)或緩慢加/減速的現(xiàn)場(chǎng)，S-曲線形非常適用于傳送易碎的物品的傳送機(jī)或其它需要平穩(wěn)地改變速度的場(chǎng)合。

　　4 技術(shù)要點(diǎn)

　　4.1直接轉(zhuǎn)矩控制方式（DTC）

　　變頻器有U/f 恒定控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩（DTC）等多種控制，不同的控制系統(tǒng)其性能不盡相同，適應(yīng)的負(fù)載也有區(qū)別。因本系統(tǒng)需要在動(dòng)態(tài)過(guò)程中具有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，且具有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，最好在低速時(shí)能具有最

　　大的轉(zhuǎn)矩輸出,選用直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)最為恰當(dāng)。ACS800變頻器可以應(yīng)用在有較高的過(guò)載能力要求的場(chǎng)所，其傳動(dòng)核心：直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），具有高精度的動(dòng)、靜態(tài)指標(biāo)和大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;速度的靜態(tài)精度可以到0.01%，動(dòng)態(tài)精度可以到0.1%;在零速時(shí)可以輸出1.5～2倍的額定轉(zhuǎn)矩;方便靈活的編程功能和多級(jí)速度設(shè)定功能;具有電磁制動(dòng)、直流注入方式的能耗制動(dòng)和專用的機(jī)械制動(dòng)器的控制功能。還可以設(shè)定不同的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和速度曲線，并可通過(guò)數(shù)字量輸入來(lái)設(shè)定多級(jí)速度，有利于平穩(wěn)起動(dòng)、制動(dòng)和準(zhǔn)確停車，可以很好地滿足電鏟挖掘機(jī)其機(jī)構(gòu)的特殊要求。

　　4.2 控制與通訊

　　Acs800變頻器的DI1～DI6為數(shù)字輸入，DI1控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，DI2控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。

　　以推壓電機(jī)為例：低壓進(jìn)線柜里的斷路器QF和接觸器KM是變頻器工作的先決條件，當(dāng)其合閘后，相應(yīng)的變頻器開(kāi)始上電，當(dāng)變頻器沒(méi)有故障時(shí)就緒信號(hào)I5.1送給PLC;變頻器有故障時(shí)，故障信號(hào)I5.3 送給PLC;當(dāng)變頻器就緒沒(méi)有故障時(shí), 等待從PLC 發(fā)來(lái)的運(yùn)行信號(hào)。當(dāng)運(yùn)行信號(hào)Q 2.2 送進(jìn)ACS800 DI1端子時(shí)，變頻器開(kāi)始控制電機(jī)正向運(yùn)行;當(dāng)運(yùn)行信號(hào)Q 2.3 送進(jìn)ACS800 DI2端子，變頻器開(kāi)始控制電機(jī)反向運(yùn)行;當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行變頻器有輸出時(shí)，X21的AO1端口輸出電機(jī)的實(shí)際速度，X21的AO2端口輸出對(duì)應(yīng)的電流（4～20mA）。控制關(guān)系如圖2所示。

圖2 PLC-變頻器控制端子圖

　　ABB ACS800變頻器可以使用PROFIBUS-DP協(xié)議進(jìn)行通訊。PROFIBUS - DP現(xiàn)場(chǎng)總線是一種全數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò), 專為自動(dòng)控制系統(tǒng)和分散I/ O 設(shè)備之間通信而設(shè)計(jì)的，抗干擾性強(qiáng)，大幅降低安裝、運(yùn)行和維護(hù)的成本本電鏟控制系統(tǒng)中，PLC作為PROFIBUS-DP總線的主站，電鏟的回轉(zhuǎn)行走變頻器、提升變頻器、推壓變頻器作為設(shè)備從站。PLC主站一方面負(fù)責(zé)讀取各個(gè)變頻器的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，然后把這些數(shù)據(jù)送入其內(nèi)部處理器進(jìn)行處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的數(shù)據(jù)、位置和狀態(tài)進(jìn)行判斷和運(yùn)算。另一方面，PLC主站將從內(nèi)部處理器獲得的變頻器運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)通過(guò)PROFIBUS-DP總線發(fā)送給回轉(zhuǎn)行走變頻器，從而驅(qū)動(dòng)變頻器運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。

　　ACS800變頻器是通過(guò)適配器模塊NPBA連接到外部控制系統(tǒng)，主機(jī)與傳動(dòng)裝置必須經(jīng)過(guò)配置，以便數(shù)據(jù)通過(guò)模塊交換。在S7-300的“硬件組態(tài)”功能中可配置Profibus-DP的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)，需安裝ABB相應(yīng)適配器模塊的程序補(bǔ)丁后，在設(shè)備目錄中出現(xiàn)ABB ACS傳動(dòng)系列產(chǎn)品列表，將S7-300組態(tài)為網(wǎng)絡(luò)主站，ABB變頻器作為從站。ACS800的RDCO通訊板與NPBA適配器之間的通道CH0，是遵守DDCS協(xié)議速度為10M/s的光纖連接。

　　4.3 制動(dòng)方式及制動(dòng)單元配置

　　因?qū)ο笫俏荒茇?fù)載，當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，為保證變頻器直流母排電壓的正常，多余的能量必須釋放掉。為此，我們采取了外接斬波器和制動(dòng)電阻方式來(lái)實(shí)行能量消耗。

　　因電鏟的內(nèi)部工作需要多個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)作，例如提升機(jī)、推壓機(jī)、回轉(zhuǎn)行走控制電機(jī)等，各個(gè)電機(jī)一般需要分別擁有制動(dòng)單元;在本應(yīng)用中則只采用一組制動(dòng)單元多個(gè)電機(jī)共享的方式，能極大的提高系統(tǒng)制動(dòng)的快速響應(yīng)。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電鏟電機(jī)制動(dòng)單元接線圖

　　ABB變頻器制動(dòng)斬波器和電阻的配置：

　　某些傳動(dòng)單元含有一個(gè)內(nèi)置的制動(dòng)斬波器作為標(biāo)準(zhǔn)配置對(duì)于外制動(dòng)斬波器作為可選件，電阻器為附加元件。

　　1）計(jì)算在制動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)產(chǎn)生的最大制動(dòng)功率Pmax
　　2）根據(jù)ABB相關(guān)資料配套選擇制動(dòng)斬波器/制動(dòng)電阻器（在選擇傳動(dòng)單元時(shí)，也要考慮其它因素）。必須滿足下面的條件：

　　其中，Pbr由不同制動(dòng)的工作周期來(lái)選定。

　　3）制動(dòng)電阻的計(jì)算：
　　

　　UDC表示制動(dòng)過(guò)程中，電阻兩端的電壓。

　　根據(jù)ER（電機(jī)在一定時(shí)間產(chǎn)生的能量一定不能超過(guò)電阻器的熱損耗容量）、Pbr、R來(lái)選擇相應(yīng)制動(dòng)單元類型。

　　4.4 抗干擾措施

　　由于變頻器起開(kāi)關(guān)作用的線路都是由非線性元件組成，這樣在開(kāi)斷電路的過(guò)程中勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生高次諧波，從而使電源波形產(chǎn)生畸變，干擾其他電氣設(shè)備。在變頻器前側(cè)安裝電抗器，可抑制電源側(cè)過(guò)電壓，降低電流畸變，避免使電源受到嚴(yán)重干擾。電機(jī)電纜采用屏蔽電纜，與其他控制電纜走線時(shí)盡量分開(kāi)，以避免線路干擾。可靠接地也是抑制干擾的重要措施，最好將動(dòng)力接地線與控制接地線分開(kāi)，這樣就能切斷通過(guò)公用地線傳播干擾這一途徑。另外，由于電機(jī)線路較遠(yuǎn)，為了抑制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓，減少電機(jī)泄漏電流，減輕電機(jī)噪音，應(yīng)在電機(jī)與變頻器間安裝電抗器。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　已經(jīng)投運(yùn)的電鏟全數(shù)字控制系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足電鏟工作要求，定位極其準(zhǔn)確。在實(shí)際正常生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中, 變頻器節(jié)電效果非常顯著，同時(shí)平均事故時(shí)間降到工作時(shí)間的0.1%以下，大幅度提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，有著很好的示范、推廣應(yīng)用價(jià)值。

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