直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在電鏟車上的應(yīng)用

0 引言

近年來，大型露天礦山中的裝運(yùn)設(shè)備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現(xiàn)在大型電氣設(shè)備———電鏟車上。

電鏟車上的電氣設(shè)備主要由提升、推壓、行走和回轉(zhuǎn)等部分組成，控制系統(tǒng)一般采用技術(shù)十分成熟的直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。然而，由于直流調(diào)速系統(tǒng)維修費(fèi)用較高，且直流牽引電機(jī)在功率、速度和空間尺寸方面受到限制，基本上沒有更大的潛力可挖。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的日趨成熟，基于矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的調(diào)速系統(tǒng)以其寬廣的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及可四象限運(yùn)行的性能位居交流傳動(dòng)技術(shù)之首，其調(diào)速性能已經(jīng)可以和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，將交流調(diào)速系統(tǒng)引入到電鏟車上，使其采用籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)成為可能，從而使電控系統(tǒng)具有了速度更高、功率更大、可靠性更強(qiáng)、效率更高和維護(hù)費(fèi)用更低的優(yōu)點(diǎn)。

1 電鏟車電控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

將交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于電鏟車的電控系統(tǒng)中，須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

1)采用無速度傳感器的控制策略。由于電鏟車工作在露天環(huán)境中，灰塵污染嚴(yán)重，易覆蓋和堵塞測(cè)速編碼器，影響其正常工作。另外，電鏟車工作過程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)烈的自身震動(dòng)，而強(qiáng)烈震動(dòng)將很有可能導(dǎo)致編碼器的損害。

2)低頻時(shí)能保證電機(jī)的滿轉(zhuǎn)矩輸出，以避免低頻時(shí)滿負(fù)載工況下發(fā)生帶不動(dòng)負(fù)載的現(xiàn)象。

3)滿負(fù)載時(shí)在空中制動(dòng)停車或再提升時(shí)，在不允許采用機(jī)械制動(dòng)抱閘的情況下，提升和推壓機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)下滑或溜車的現(xiàn)象。在電鏟車工作過程中，每完成一次鏟料—提升—回轉(zhuǎn)—下放—卸料的過程，提升和推壓機(jī)構(gòu)就需要在空中制動(dòng)停車一次。若采用機(jī)械抱閘的制動(dòng)方法來保證提升和推壓結(jié)構(gòu)的零速懸停，雖然可保障兩機(jī)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)下滑或溜車的現(xiàn)象，然而頻繁的抱閘動(dòng)作一方面會(huì)嚴(yán)重縮短抱閘的使用周期，另一方面抱閘的打開和閉合所需的延時(shí)極大地限制了電鏟車的工作效率，同時(shí)抱閘與變頻器加減速時(shí)間的配合不當(dāng)還會(huì)引起溜車或變頻器堵轉(zhuǎn)跳閘的現(xiàn)象。

4)對(duì)再生制動(dòng)能量的處理必須迅速可靠。

5)電鏟車行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于采用同一套控制系統(tǒng)，二者的切換必須快速可靠。

在上述的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，尤以無傳感器技術(shù)和零速滿轉(zhuǎn)矩技術(shù)最為重要，它對(duì)于保證電鏟車安全可靠的工作起著舉足輕重的作用。

2 技術(shù)方案

根據(jù)目前比較成熟的高性能的交流調(diào)速技術(shù)，有矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)兩種方案可供選擇，這兩種技術(shù)方案都可以較好地解決電鏟車的技術(shù)難，然而直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)由于所采用的基于定子磁場(chǎng)定向的控制方法，故不需要在電機(jī)軸端安裝測(cè)速編碼器來反饋轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，而且仍能實(shí)現(xiàn)高精度的動(dòng)靜態(tài)速度和力矩控制。另外，直接轉(zhuǎn)矩控制是對(duì)轉(zhuǎn)矩的直接控制，故對(duì)負(fù)載的變化響應(yīng)迅速，可實(shí)現(xiàn)快速的過程控制，同時(shí)又具有較高的過載能力和200豫的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?；谥苯愚D(zhuǎn)矩控制技術(shù)能夠完全滿足電鏟車的關(guān)鍵技術(shù)要求，故在這里采用以直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)為核心的交流調(diào)速裝置。

2.1 直接轉(zhuǎn)矩控制原理

交流異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制理論由德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock 教授首次提出，后經(jīng)過ABB 公司10多年的逐步完善以及產(chǎn)品化，直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)已成為當(dāng)今交流傳動(dòng)的最先進(jìn)的控制方法之一。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是在變頻器內(nèi)部建立了一個(gè)交流異步電動(dòng)機(jī)的軟件數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)測(cè)的直流母線電壓、開關(guān)狀態(tài)和電流計(jì)算出一組精確的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數(shù)值直接應(yīng)用于控制輸出單元的開關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的，這意味著可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對(duì)負(fù)載變化做出快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，并將轉(zhuǎn)矩響應(yīng)限制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制?？刂圃韴D如圖1 所示。

2.2 無測(cè)速傳感器及零速滿轉(zhuǎn)矩

矢量控制技術(shù)和直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)在有測(cè)速傳感器條件下的控制精度相差無幾，大約為額定轉(zhuǎn)速的依0.01豫。然而，矢量控制技術(shù)的調(diào)速精度尤其是在零速附近對(duì)測(cè)速傳感器的依賴性較強(qiáng)，當(dāng)傳感器失效時(shí)，其控制精度大為降低，只有額定轉(zhuǎn)速的依1%~3豫，很難保證電機(jī)零速時(shí)輸出滿轉(zhuǎn)矩的特性，從而出現(xiàn)提升和推壓機(jī)構(gòu)在零速時(shí)有下滑或溜車的現(xiàn)象。為了避免這一現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用中可采用加轉(zhuǎn)速偏置的方法，雖在一定程度上可解決這一問題，然而偏置量的過大或過小都會(huì)引起兩個(gè)機(jī)構(gòu)的緩慢上升或下滑。

采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)則不會(huì)存在上述問題。一方面由于其采用基于定子磁場(chǎng)定向的電機(jī)模型，不需要測(cè)速傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，對(duì)測(cè)速傳感器的依賴性不強(qiáng)，即使沒有傳感器仍可以有很高的調(diào)速精度，可達(dá)額定轉(zhuǎn)速的依0.1%~0.5豫，故在零速附近仍可以維持滿轉(zhuǎn)矩的輸出，保證提升和推壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)零速懸停。另一方面，根據(jù)無速度傳感器的控制原理，定子磁鏈由電壓模型計(jì)算得出，轉(zhuǎn)子磁鏈追r為

由式(5)可知電機(jī)轉(zhuǎn)速精度與定子磁鏈的準(zhǔn)確性關(guān)系密切。由電壓模型得到的定子磁鏈在低速時(shí)受到定子電阻壓降的影響，估算的磁鏈值準(zhǔn)確性下降，因此得到的轉(zhuǎn)速精度也隨之下降。為此，在無速度傳感器的條件下，為了保證全速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速的估算精度，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速的10豫，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于額定轉(zhuǎn)矩的30豫時(shí)，ABB 變頻器ACS800 系列采用了FS-method(Flux Stabilizer)的控制策略，即高于額定轉(zhuǎn)速的10豫時(shí)采用基于電壓模型的轉(zhuǎn)速估算值，低于額定轉(zhuǎn)速的10豫時(shí)采用基于電流模型的轉(zhuǎn)速估算值，克服了低速下由電壓模型估算的轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確的缺陷，從而保證了電動(dòng)機(jī)不僅在電動(dòng)狀態(tài)而且在發(fā)電狀態(tài)都具有零速滿轉(zhuǎn)矩的特性，最大轉(zhuǎn)矩輸出可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的200豫。