CN101457537B - 大型矿用挖掘机交流变频调速装置及其控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大型矿用挖掘机交流变频调速装置及其控制系统，它属于一种使用能量再生式公用直流母线实现变频调速的大型矿用挖掘机交流变频调速的装置及其电气控制系统。本发明主要是解决现有大型挖掘机的直流调速系统存在着容易出故障、可靠性差和生产效率低的技术难点。本发明采用的技术方案是：大型矿用挖掘机交流变频调速装置，包括主变压器、提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和行走机构变频电动机，其中：它还包括两个整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器，两个整流回馈单元并联后的直流输出母线为公用直流母线，公用直流母线与提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器连接。

Description

大型矿用挖掘机交流变频调速装置及其控制系统 
技术领域
本发明涉及一种大型矿用挖掘机交流变频调速装置及其控制系统，它属于一种使用能量再生式公用直流母线实现变频调速的大型矿用挖掘机交流变频调速的装置及其电气控制系统。 
背景技术
目前我国生产的WK-4、WK-10系列大型挖掘机采用发电机-电动机组直流调速系统对各机构进行调速，美国P&H公司生产的中大型挖掘机采用了可控硅直流调速系统对各机构进行调速。由于直流调速系统功率因素较低，允许电网电压波动范围小，能量不能回馈或存在逆变失败的可能性，因此，现有大型挖掘机的直流发电机组及电动机存在着容易出故障、可靠性差和生产效率低的缺点。 
发明内容
本发明的目的是解决现有大型挖掘机的直流调速系统存在着容易出故障、可靠性差和生产效率低的技术难点，并提供一种功率因素高、可靠性好和生产效率高的大型矿用挖掘机交流变频调速装置及其控制系统。 
本发明为解决上述技术难点而采用的技术方案是：大型矿用挖掘机交流变频调速装置，包括主变压器、提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和两台行走机构变频电动机，其中：它还包括两个整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器，提升机构变频电动机与提升机构逆变器连接，推压机构变频电动机与推压机构逆变器连接，回转机构变频电动机与回转机构逆变器连接，两台行走机构变频电动机分别连接在提升机构逆变器和推压机构逆变器上，两个整流回馈单元并联后的直流输出母线为公用直流母线，所述公用直流母线与提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器连接，形成整流回馈公用直流母线变频调速系统，变频驱动提升机构、推压机构、回转机构和行走机构协调动作，实现对提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和行走机构变频电动机转矩与速度的变频调速。 
一种用于上述大型矿用挖掘机交流变频调速装置的控制系统，包括上位人机界面综合监控器、含有数字量输入/输出模块和编码器位置输入模块的可编程控制器、现场总线和司机室控制器，其中：它还包括由两个整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器构成的电气调速系统，上位人机界面综合监控器与可编程控制器的CPU连接，检测和显示挖掘机的运行状态及故障信息，实现运行状态模拟显示与故障自诊断；可编程控制器通过PROFIBUS-DP现场总线与整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器、回转机构逆变器构成的电气调速系统和司机室控制器连接，实现三级控制系统之间的数据交换，变频传动驱动提升机构、推压机构、回转机构和行走机构协调动作，实现对提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和行走机构变频电动机转矩与速度的精确控制。 
由于本发明采用了上述技术方案，因此，与背景技术相比，本发明具有下列优点： 
(1)采用无电网污染的AFE整流回馈系统，使功率因素可达1，提高了功率因素； 
(2)采用多电机传动的公用直流母线系统，提高了调速的可靠性； 
(3)采用同一机构双电机驱动时的负荷均衡技术，提高了同一机构的协调性； 
(4)采用PROFIBUS-DP总线的现场网络控制技术，提高控制系统之间的数据交换速度。 
(5)本发明变频系统电动机控制特性曲线包络面积更大，比直流系统的生产效率高。 
附图说明
图1是本发明的交流变频调速装置的结构示意图； 
图2是本发明控制系统的方框图； 
图3是本发明电动机控制特性曲线。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。 
如图1所示，本实施例中的大型矿用挖掘机交流变频调速装置，包括主变压器1、两台提升机构变频电动机4、推压机构变频电动机8、若干台回转机构变频电动机7和两台行走机构变频电动机19、20，其中：它还包括两个AFE整流回馈单元2、12、两台提升机构逆变器3、5、推压机构逆变器9和回转机构逆变器6，两台提升机构变频电动机4与两台提升机构逆变器3、5连接，推压机构变频电动机8与推压机构逆变器9连接，若干台回转机构变频电动机7与回转机构逆变器6连接，两台行走机构变频电动机19、20分别连接在提升机构逆变器3和推压机构逆变器9上，两个AFE整流回馈单元2、12并联后的直流输出母线为公用直流母线11，所述公用直流母线11与两台提升机构逆变器3、5、推压机构逆变器9和回转机构逆变器6连接，形成AFE整流回馈公用直流母线变频调速系统，变频驱动提升机构、推压机构、回转机构和行走机构协调动作，实现对两台提升机构变频电动机4、推压机构变频电动机8、 回转机构变频电动机7和两台行走机构变频电动机19、20转矩与速度的变频调速。制动单元10与公用直流母线11连接，在AFE整流回馈单元回馈失败时释放能量。 
所述两个AFE整流回馈单元2、12并联运行，并联后的直流输出母线作为公用直流母线11，为上述各机构逆变器提供直流电源。各机构逆变器挂接在公用直流母线11上，形成AFE整流回馈公用直流母线变频调速系统。 
所述提升机构两台电动机4间为硬轴连接，两台电动机的转速完全一致。由于采用两台提升机构逆变器3、5分别驱动，为保证两台电动机做功相等，在两台提升机构逆变器3、5之间采用转矩主从控制技术，即：一台提升机构逆变器作为主装置，采用闭环速度控制模式；另一台提升机构逆变器为从装置，采用转矩控制模式，其转矩给定值直接来自主装置。 
所述推压机构变频电动机8采用速度闭环矢量控制，为提高挖掘时的切削力，推压电动机在0～90％的速度范围内均能输出最大转矩，保证了铲斗在90％速度范围内挖掘矿物时，其切削力基本不变，较之直流系统加大了挖掘切削能力，提高了挖掘时的满斗系数。 
所述回转机构由一台回转机构逆变器6驱动多台变频电动机7，多台电动机通过齿轮耦合。由于多台电动机的电源来自同一个回转机构逆变器6，所以多台电动机的转矩(或电流)也基本一致，保证了电动机间的均衡工作。回转机构的负载特性属于大惯量旋转载荷，为使起制动平稳、机械冲击小，回转控制采用具有速度限幅的转矩控制方式，即主令给定是转矩给定，给定大小决定了起制动时电动机输出转矩的大小、起制动的快慢。 
所述两台行走机构电动机19、20为分别独立驱动，行走电动机19与提升电动机4共用一个提升机构逆变器3，行走电动机20与推压电动机8共用一 个推压机构逆变器9。通过设在司机室操作台上的挖掘/行走工况选择开关进行工况选择，提升/行走和推压/行走电动机间的切换通过切换柜中的交流接触器完成。当一个逆变器分别控制提升和行走两台电动机时，在逆变器中已存贮了提升和行走两台电动机的相关数据，主回路切换时，逆变器内部的数据组也进行了相应的切换，以达到逆变器对所控电动机的最佳控制。 
如图2所示，一种大型矿用挖掘机交流变频调速的控制系统，包括上位人机界面综合监控器(HMI)13、含有数字量输入/输出模块和编码器位置输入模块的可编程控制器(PLC)14、PROFIBUS-DP现场总线15和司机室控制器(ET200)16，其中：它还包括由两个AFE整流回馈单元2、12、两台提升机构逆变器3、5、推压机构逆变器9和回转机构逆变器6构成的变频调速系统，上位人机界面综合监控器13与可编程控制器14的CPU连接，检测和显示挖掘机的运行状态及故障信息，实现运行状态模拟显示与故障自诊断；可编程控制器14通过PROFIBUS-DP现场总线15与AFE整流回馈单元2、12、两台提升机构逆变器3、5、推压机构逆变器9、回转机构逆变器6构成的变频调速系统和司机室控制器16连接，实现三级控制系统之间的数据交换，变频传动驱动提升机构、推压机构、回转机构和行走机构协调动作，实现对提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和行走机构变频电动机转矩与速度的精确控制。提升编码器17和推压编码器18与可编程控制器14连接。 
本实施例中的挖掘机各机构电动机的控制特性曲线如图3所示，图中实线为变频电动机控制特性曲线，虚线为直流电动机控制特性曲线，从图中可以看出，变频电动机控制特性曲线具有以下优点：(1)最大挖掘力下的持续速度更大，挖掘时更显有力、快速；(2)满斗或空斗的最大运行速度更高，作业效率 会更高；(3)实线较之虚线其包络面积更大，说明变频系统较直流系统生产效率会更高。 
采用变频调速技术，其特点是挖掘过程中，电动机工作在额定转速以下，系统为恒转矩调速，当铲斗出了物料后，系统进入恒功率调速(A-B段)，速度自动停留到与负载大小相对应的工作点上。 

Claims (2)

1.一种大型矿用挖掘机交流变频调速装置，包括主变压器、提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和两台行走机构变频电动机，其特征是：它还包括两个整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器，提升机构变频电动机与提升机构逆变器连接，推压机构变频电动机与推压机构逆变器连接，回转机构变频电动机与回转机构逆变器连接，两台行走机构变频电动机分别连接在提升机构逆变器和推压机构逆变器上，两个整流回馈单元并联后的直流输出母线为公用直流母线，所述公用直流母线与提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器连接，形成整流回馈公用直流母线变频调速系统，变频驱动提升机构、推压机构、回转机构和行走机构协调动作，实现对提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和行走机构变频电动机转矩与速度的变频调速。
2.一种用于如权利要求1所述的变频调速装置的控制系统，包括上位人机界面综合监控器、含有数字量输入/输出模块和编码器位置输入模块的可编程控制器、现场总线和司机室控制器，其特征是：它还包括由两个整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器和回转机构逆变器构成的电气调速系统，上位人机界面综合监控器与可编程控制器的CPU连接，检测和显示挖掘机的运行状态及故障信息，实现运行状态模拟显示与故障自诊断；可编程控制器通过PROFIBUS-P现场总线与整流回馈单元、提升机构逆变器、推压机构逆变器、回转机构逆变器构成的电气调速系统和司机室控制器连接，实现三级控制系统之间的数据交换，变频传动驱动提升机构、推压机构、回转机构和行走机构协调动作，实现对提升机构变频电动机、推压机构变频电动机、回转机构变频电动机和行走机构变频电动机转矩与速度的精确控制。
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