CN104213597A - 一种电动液压挖掘机交流变频调速控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，电缆卷筒通过电缆与滑环箱，滑环箱与高压变频器连接，高压变频器分别与电动机和主控制单元连接，主控制单元分别与人机界面和GPS装置连接，GPS装置与远程控制中心无线连接，电动机与液压泵传动连接；所述的高压变频器中输入滤波器与五电平整流装置、直流滤波装置、五电平逆变单元和输出滤波器依次连接，检测单元分别与输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元和直流滤波装置连接，控制单元分别与检测单元、五电平整流装置和五电平逆变单元连接。可实现电动机无冲击软启动，且抗电网波动能力强，控制精度高，工作可靠高效。

Description

一种电动液压挖掘机交流变频调速控制系统

技术领域

本发明涉及一种交流变频调速控制系统，具体是一种电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，属于变频调速控制技术领域。

背景技术

传统的液压挖掘机一般都以柴油发动机为动力源来驱动液压系统，实现挖掘机动作的执行。但是，随着全球环境恶化，资源紧缺等问题日益突出，节能减排已经成为各大挖掘机生产厂商的研究重点。由于柴油发动机的固有技术条件决定了其工作效率低，存在约50％以上的能量损耗，且维护保养成本高，以及燃油过程中产生的大量噪音和废气污染等问题。相反，由电动机驱动的挖掘机仅需电网电源，工作效率高，耗电费用低，绿色环保，而且几乎没有维护成本。随着近年来动力源的改进，电动型液压挖掘机逐渐成为挖掘机领域中新的研究方向与热点。

同时，交流异步电动机相比直流电动机在成本、结构、能效、可靠性等方面具有诸多优势，国内外挖机企业相继研发出基于交流电机动力源的各类电动型液压挖掘机产品，但产品大多采用三相异步电动机全压直接启动后恒速运行的控制方式，启动电流与转矩冲击大，易造成电网电压波动，且工作模式单一，转速不可连续调节，能耗较高，不利于系统功率调节与效率提升。

随着当前大功率电力电子器件的发展，多电平变频器在高压大容量电机驱动领域得到广泛应用。多电平变频器输出电平数增多，有利于实现输出电压波形的正弦化，减少谐波分量，降低du/dt和di/dt，极大提高了系统运行效率与可靠性。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，可实现电动机无冲击软启动，且抗电网波动能力强，谐波含量小，控制精度高，工作可靠高效，在实现对电动机的变频调速控制以及与液压系统功率合理匹配，同时人机界面功能丰富，操作简单，并可通过GPS与远程控制中心实现对系统的远程监控。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：该电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，包括电缆卷筒、滑环箱、高压变频器、电动机、主控制单元、人机界面、GPS装置、远程控制中心和电动机，电缆卷筒通过电缆与滑环箱，滑环箱与高压变频器连接，高压变频器分别与电动机和主控制单元连接，主控制单元分别与人机界面和GPS装置连接，GPS装置与远程控制中心无线连接，电动机与液压泵传动连接；所述的高压变频器包括输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元、直流滤波装置、检测单元和控制单元；输入滤波器与五电平整流装置、直流滤波装置、五电平逆变单元和输出滤波器依次连接，检测单元分别与输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元和直流滤波装置连接，控制单元分别与检测单元、五电平整流装置和五电平逆变单元连接。

进一步，所述的人机界面包括指示灯、监控器和键盘；可实现各种人机交互功能，包括变频系统各种工作状态的显示、参数的设定与查询、故障诊断与维护提示、运行日志查询及控制操作命令的实现，并能通过键盘选择变频系统的工作方式在自动模式和手动模式之间切换。

进一步，所述的电动机为鼠笼式三相异步电动机，通过分动箱与液压泵连接，安装于挖掘机上车转台配重前方；其作用是采用10(6)kV高压电网电能，在高压变频器的控制下通过电动机带动液压泵旋转，为液压系统提供动力。

进一步，所述的主控制单元与GPS装置、人机界面监控器与高压变频器控制单元之间均采用CAN总线连接。

进一步，所述的滑环箱安装于挖掘机中心回转接头处；用于将电能由下车传输至上车，保证上车360度运转时无损伤供电，具体通过滑环箱内部旋转滑环与相对固定的电刷摩擦结构实现电流的流通。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：1、可为高压大功率异步电机的变频调速提供电能变换电路，相比较柴油动力，更加节能环保；2、可选择电动机自动/手动调速运行模式，实现系统自动调速与人工手动调速两种工作模式间的切换；3、变频调速系统采用多电平电压空间矢量脉宽调制技术与高性能矢量控制技术，变频系统启动无冲击，电网适应能力强，调速范围宽，控制精度高，运行高效可靠；4、可通过GPS装置与远程控制中心进行无线通讯，对挖掘机变频调速系统运行状态进行实时采集与监控，并能及时联络用户处理报警故障。

附图说明

图1是本发明的电原理图；

图2是图1中高压变频器的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明包括电缆卷筒、滑环箱、高压变频器、电动机、主控制单元、人机界面、GPS装置、远程控制中心和电动机，电缆卷筒通过电缆与滑环箱，滑环箱与高压变频器连接，高压变频器分别与电动机和主控制单元连接，主控制单元分别与人机界面和GPS装置连接，GPS装置与远程控制中心无线连接，电动机与液压泵传动连接；所述的高压变频器包括输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元、直流滤波装置、检测单元和控制单元；输入滤波器与五电平整流装置、直流滤波装置、五电平逆变单元和输出滤波器依次连接，检测单元分别与输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元和直流滤波装置连接，控制单元分别与检测单元、五电平整流装置和五电平逆变单元连接。

进一步，所述的人机界面包括指示灯、监控器和键盘；可实现各种人机交互功能，包括变频系统各种工作状态的显示、参数的设定与查询、故障诊断与维护提示、运行日志查询及控制操作命令的实现，并能通过键盘选择变频系统的工作方式在自动模式和手动模式之间切换。

进一步，所述的电动机为鼠笼式三相异步电动机，通过分动箱与液压泵连接，安装于挖掘机上车转台配重前方；其作用是采用10(6)kV高压电网电能，在高压变频器的控制下通过电动机带动液压泵旋转，为液压系统提供动力。

进一步，所述的主控制单元与GPS装置、人机界面监控器与高压变频器控制单元之间均采用CAN总线连接。

进一步，所述的滑环箱安装于挖掘机中心回转接头处；用于将电能由下车传输至上车，保证上车360度运转时无损伤供电，具体通过滑环箱内部旋转滑环与相对固定的电刷摩擦结构实现电流的流通。

工作过程：

本发明采用10(6)kV三相交流电源为整机供电，10(6)kV三相交流电源经由电缆卷筒与滑环箱引入上车高压变频器的进线端，高压变频器根据主控制单元的工作指令调节电动机的运行转速。高压变频系统启动前，若人机界面电源指示灯点亮，则显示系统电源电压正常；在人机界面键盘中选择工作模式按键，当选取自动模式按键后，按下电动机启动按键，在整机主控制单元的控制下，高压变频器将以自动模式启动电动机并稳定在50％额定转速的怠速状态；作业时，主控制单元会根据液压系统压力传感器信息判断电动机负载的大小变化，自动通过高压变频器控制电动机在50％～100％额定转速范围内调速运行，以实现电动机与液压泵之间的功率匹配，期间一旦通过液压系统压力传感器检测到系统空载运行超时，即操纵手柄无动作时间超过5秒，则高压变频器自动调整电动机至50％额定转速的怠速状态，以降低能耗。当工作模式选取手动模式按键时，具体利用人机界面中转速旋钮调节电位器向主控制单元给定1～5V的电压信号，主控制单元根据给定电压信号在10％～100％额定转速范围内向高压变频器设定相应的工作转速值，按下电动机启动按键，高压变频器将调节电动机转速至设定转速值运行。

作业过程中，可通过自动模式按键和手动模式按键自由切换系统工作模式，同时主控制单元通过CAN总线采集处理高压变频器控制单元的数据信息并发送至人机界面，通过监控器显示各工作模式下变频调速系统的运行状态，包括转速、频率、电流、电压、温度等运行数据，并根据检测单元信息及时发送系统缺相、过压、欠压、过流、过载、过热、速度异常、通讯故障及功率模块故障等报警信息，同时生成存储运行日志，适时向用户发出系统维护保养提示。若系统发出紧急故障报警，主控制单元将自动控制高压变频器实现电动机停机，并通过监控器界面提示用户故障信息，同时故障指示灯点亮，故障解除后，按下故障复位按键解除故障指示灯提示，系统恢复正常状态。而且，主控制单元通过CAN总线与GPS装置通讯，由GPS装置将系统运行数据实时发送至远程控制中心，由远程控制中心进行数据处理与故障诊断，必要时可通过短信或电话提示用户系统维护保养或紧急报警故障信息，进一步提升系统安全性与可靠性。

高压变频器选用大功率高压IGBT或IGCT器件，五电平整流装置与五电平逆变装置均采用相同的二极管箝位型结构，并以“背靠背”的方式连接，直流滤波装置作为中间滤波储能环节，输入滤波装置及输出滤波装置用于抑制高次谐波与降低电磁干扰。具体工作过程是五电平整流装置采用电压定向矢量控制实现母线电压稳定和单位输入功率因数运行，通过直流滤波装置为五电平逆变装置提供稳定均衡的电容电压，五电平逆变装置采用异步电动机转子磁链定向矢量控制技术，实现电动机定子电流励磁分量与转矩分量的解耦控制，从而获得等效于直流电动机的优越调速性能。控制单元集成有DSP子系统、FPGA子系统与CPLD子系统。高压变频器工作过程中，控制单元通过检测单元采集处理变频系统各电压、电流、转速、温度等传感器信号，并通过CAN总线与整机主控制单元实时通讯，发送变频系统的运行数据与接收调速控制指令，同时完成系统矢量控制算法与整流/逆变PWM脉冲信号处理任务，具体结合五电平电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法，采用抗干扰能力强的光纤通讯对整流与逆变装置功率单元IGBT或IGCT进行脉冲通断控制，以输出高质量的正弦化电压波形用于电动机调速。电网电源在-15％～+10％之间波动时，高压变频器可正常运行,额定负载时系统能效高于0.96，电源侧功率因数高于0.97，且系统响应速度快，动态转矩响应时间小于200ms，稳速精度误差小于0.1％，高压变频器输入输出谐波均小于2％。

Claims (5)

1.一种电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，其特征在于，包括电缆卷筒、滑环箱、高压变频器、电动机、主控制单元、人机界面、GPS装置、远程控制中心和电动机，电缆卷筒通过电缆与滑环箱，滑环箱与高压变频器连接，高压变频器分别与电动机和主控制单元连接，主控制单元分别与人机界面和GPS装置连接，GPS装置与远程控制中心无线连接，电动机与液压泵传动连接；所述的高压变频器包括输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元、直流滤波装置、检测单元和控制单元；输入滤波器与五电平整流装置、直流滤波装置、五电平逆变单元和输出滤波器依次连接，检测单元分别与输入滤波器、输出滤波器、五电平整流装置、五电平逆变单元和直流滤波装置连接，控制单元分别与检测单元、五电平整流装置和五电平逆变单元连接。

2.根据权利要求1所述的电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，其特征在于，所述的人机界面包括指示灯、监控器和键盘。

3.根据权利要求1或2所述的电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，其特征在于，所述的电动机为鼠笼式三相异步电动机，通过分动箱与液压泵连接，安装于挖掘机上车转台配重前方。

4.根据权利要求1所述的电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，其特征在于，所述的主控制单元与GPS装置、人机界面监控器与高压变频器控制单元之间均采用CAN总线连接。

5.根据权利要求1所述的电动液压挖掘机交流变频调速控制系统，其特征在于，所述的滑环箱安装于挖掘机中心回转接头处。