直接轉矩控制技術(shù)在電鏟車(chē)上的應用

0 引言

近年來(lái)，大型露天礦山中的裝運設備的生產(chǎn)力逐年提高，主要體現在大型電氣設備———電鏟車(chē)上。

電鏟車(chē)上的電氣設備主要由提升、推壓、行走和回轉等部分組成，控制系統一般采用技術(shù)十分成熟的直流驅動(dòng)系統。然而，由于直流調速系統維修費用較高，且直流牽引電機在功率、速度和空間尺寸方面受到限制，基本上沒(méi)有更大的潛力可挖。隨著(zhù)交流變頻調速技術(shù)的日趨成熟，基于矢量控制技術(shù)和直接轉矩控制技術(shù)的調速系統以其寬廣的調速范圍，較高的穩態(tài)轉速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應以及可四象限運行的性能位居交流傳動(dòng)技術(shù)之首，其調速性能已經(jīng)可以和直流調速系統相媲美。因此，將交流調速系統引入到電鏟車(chē)上，使其采用籠型感應電動(dòng)機成為可能，從而使電控系統具有了速度更高、功率更大、可靠性更強、效率更高和維護費用更低的優(yōu)點(diǎn)。

1 電鏟車(chē)電控系統的關(guān)鍵技術(shù)

將交流調速系統應用于電鏟車(chē)的電控系統中，須解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

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

2)低頻時(shí)能保證電機的滿(mǎn)轉矩輸出，以避免低頻時(shí)滿(mǎn)負載工況下發(fā)生帶不動(dòng)負載的現象。

3)滿(mǎn)負載時(shí)在空中制動(dòng)停車(chē)或再提升時(shí)，在不允許采用機械制動(dòng)抱閘的情況下，提升和推壓機構不會(huì )出現下滑或溜車(chē)的現象。在電鏟車(chē)工作過(guò)程中，每完成一次鏟料—提升—回轉—下放—卸料的過(guò)程，提升和推壓機構就需要在空中制動(dòng)停車(chē)一次。若采用機械抱閘的制動(dòng)方法來(lái)保證提升和推壓結構的零速懸停，雖然可保障兩機構不會(huì )出現下滑或溜車(chē)的現象，然而頻繁的抱閘動(dòng)作一方面會(huì )嚴重縮短抱閘的使用周期，另一方面抱閘的打開(kāi)和閉合所需的延時(shí)極大地限制了電鏟車(chē)的工作效率，同時(shí)抱閘與變頻器加減速時(shí)間的配合不當還會(huì )引起溜車(chē)或變頻器堵轉跳閘的現象。

4)對再生制動(dòng)能量的處理必須迅速可靠。

5)電鏟車(chē)行走機構和回轉機構由于采用同一套控制系統，二者的切換必須快速可靠。

在上述的幾項關(guān)鍵技術(shù)中，尤以無(wú)傳感器技術(shù)和零速滿(mǎn)轉矩技術(shù)最為重要，它對于保證電鏟車(chē)安全可靠的工作起著(zhù)舉足輕重的作用。

2 技術(shù)方案

根據目前比較成熟的高性能的交流調速技術(shù)，有矢量控制技術(shù)和直接轉矩控制技術(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(chē)的技術(shù)難，然而直接轉矩控制技術(shù)由于所采用的基于定子磁場(chǎng)定向的控制方法，故不需要在電機軸端安裝測速編碼器來(lái)反饋轉子位置信號，而且仍能實(shí)現高精度的動(dòng)靜態(tài)速度和力矩控制。另外，直接轉矩控制是對轉矩的直接控制，故對負載的變化響應迅速，可實(shí)現快速的過(guò)程控制，同時(shí)又具有較高的過(guò)載能力和200豫的起動(dòng)轉矩?；谥苯愚D矩控制技術(shù)能夠完全滿(mǎn)足電鏟車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)要求，故在這里采用以直接轉矩控制技術(shù)為核心的交流調速裝置。

2.1 直接轉矩控制原理

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

直接轉矩控制技術(shù)是在變頻器內部建立了一個(gè)交流異步電動(dòng)機的軟件數學(xué)模型，根據實(shí)測的直流母線(xiàn)電壓、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和電流計算出一組精確的電機轉矩和定子磁通實(shí)際值，并將這些參數值直接應用于控制輸出單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，變頻器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的，這意味著(zhù)可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對負載變化做出快速的轉矩響應，并將轉矩響應限制在一拍以?xún)?，且無(wú)超調，真正實(shí)現了對電動(dòng)機轉矩和轉速的實(shí)時(shí)控制?？刂圃韴D如圖1 所示。

2.2 無(wú)測速傳感器及零速滿(mǎn)轉矩

矢量控制技術(shù)和直接轉矩控制技術(shù)在有測速傳感器條件下的控制精度相差無(wú)幾，大約為額定轉速的依0.01豫。然而，矢量控制技術(shù)的調速精度尤其是在零速附近對測速傳感器的依賴(lài)性較強，當傳感器失效時(shí)，其控制精度大為降低，只有額定轉速的依1%~3豫，很難保證電機零速時(shí)輸出滿(mǎn)轉矩的特性，從而出現提升和推壓機構在零速時(shí)有下滑或溜車(chē)的現象。為了避免這一現象，實(shí)際應用中可采用加轉速偏置的方法，雖在一定程度上可解決這一問(wèn)題，然而偏置量的過(guò)大或過(guò)小都會(huì )引起兩個(gè)機構的緩慢上升或下滑。

采用直接轉矩控制技術(shù)則不會(huì )存在上述問(wèn)題。一方面由于其采用基于定子磁場(chǎng)定向的電機模型，不需要測速傳感器檢測轉子的位置，對測速傳感器的依賴(lài)性不強，即使沒(méi)有傳感器仍可以有很高的調速精度，可達額定轉速的依0.1%~0.5豫，故在零速附近仍可以維持滿(mǎn)轉矩的輸出，保證提升和推壓機構實(shí)現零速懸停。另一方面，根據無(wú)速度傳感器的控制原理，定子磁鏈由電壓模型計算得出，轉子磁鏈追r為

由式(5)可知電機轉速精度與定子磁鏈的準確性關(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，估算的磁鏈值準確性下降，因此得到的轉速精度也隨之下降。為此，在無(wú)速度傳感器的條件下，為了保證全速范圍內轉速的估算精度，當電機轉速小于額定轉速的10豫，負載轉矩大于額定轉矩的30豫時(shí)，ABB 變頻器ACS800 系列采用了FS-method(Flux Stabilizer)的控制策略，即高于額定轉速的10豫時(shí)采用基于電壓模型的轉速估算值，低于額定轉速的10豫時(shí)采用基于電流模型的轉速估算值，克服了低速下由電壓模型估算的轉速不準確的缺陷，從而保證了電動(dòng)機不僅在電動(dòng)狀態(tài)而且在發(fā)電狀態(tài)都具有零速滿(mǎn)轉矩的特性，最大轉矩輸出可達額定轉矩的200豫。