何俊強，尉建龍

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心礦山所，山西 太原 030024）

引言

WK-12C型電動挖掘機屬于礦用機械式正鏟式挖掘機。適用于年產(chǎn)量1 000×104t級以上的露天礦山使用?？膳c100～154 t級礦用汽車或100 t級的鐵路自翻車配套使用。WK-12C型挖掘機主要用來剝離和采掘露天礦山的巖石及礦石，也可以用于水電建設(shè)工程中的土石方挖掘作業(yè)。

大型礦用挖掘機調(diào)速系統(tǒng)從最初的發(fā)電機—電動機系統(tǒng)到可控硅控制系統(tǒng)，再到現(xiàn)在的變頻電控系統(tǒng)，其發(fā)展歷程代表了電氣調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展方向?，F(xiàn)在WK系列礦用挖掘機性能卓越，生產(chǎn)能力已遠遠超出其設(shè)計生產(chǎn)能力，達到了國際同類產(chǎn)品的先進水平。其核心變頻系統(tǒng)更是代表了當(dāng)今礦用挖掘機的最高水平。

1 WK系列挖掘機電氣系統(tǒng)簡介

國內(nèi)外大型礦用挖掘機的主要生產(chǎn)廠家有美國P&H公司、B-E公司和太原重工股份有限公司（以下簡稱太重）。其礦用挖掘機電氣系統(tǒng)經(jīng)歷了三個階段：發(fā)電機—電動機直流調(diào)速系統(tǒng)；可控硅直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)；交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1.1 發(fā)電機—電動機（G—M）直流調(diào)速系統(tǒng)

G—M系統(tǒng)主要是20世紀60年代產(chǎn)品，系統(tǒng)原理圖見圖1。其主要特點：電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，便于工程設(shè)計維護人員掌握；由于其采用交流電動機進行兩級的能量轉(zhuǎn)換，其能量轉(zhuǎn)換率低，耗電量大；直流電動機調(diào)速性能優(yōu)越，適合電鏟這種多調(diào)速系統(tǒng)；由于采用了直流電動機，其電刷等關(guān)鍵部位損壞率高造成了整機的故障率高，而且其應(yīng)用于20世紀60年代，技術(shù)落后，正逐步被各行業(yè)淘汰。

圖1 G—M系統(tǒng)原理圖

1.2 可控硅直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

可控硅直流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是20世紀80年代的產(chǎn)品，其電控系統(tǒng)一直沿用至今。它的基本原理是采用可控硅元件來實現(xiàn)整流從而代替笨重的發(fā)電機，其電控系統(tǒng)原理圖見下頁圖2。電控系統(tǒng)具有的特點：相對于G—M系統(tǒng)節(jié)電；由于其采用可控器件來實現(xiàn)整流，電網(wǎng)功率因數(shù)很低，因此需要大容量的動態(tài)無功功率補償裝置用來改善電網(wǎng)功率因數(shù)低的問題，并且動態(tài)無功補償裝置需要專門的設(shè)計；直流電動機故障率高；可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)雖然仍應(yīng)用于現(xiàn)代電控系統(tǒng)中，但其自身的弱點已有逐步被取代的趨勢。

圖2 可控硅系統(tǒng)原理圖

1.3 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)

交流變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)于21世紀初，其電控系統(tǒng)伴隨著變頻器的研發(fā)成功而得到了迅猛的發(fā)展。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)具有的特點：系統(tǒng)采用可控元器件實現(xiàn)能量變換，效率高、節(jié)電；電網(wǎng)的功率因素可高達1，對電網(wǎng)無諧波污染，可應(yīng)用于大型系統(tǒng)；交流電動機故障率低，甚至于免維護，設(shè)備出動率高；技術(shù)先進，代表當(dāng)今調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展趨勢；其使用成本在整個設(shè)備壽命周期低于其他先前的系統(tǒng)。

圖3 WK-12C系列挖掘機電控系統(tǒng)原理圖

WK-12C挖掘機電氣系統(tǒng)采用西門子交流變頻調(diào)速系統(tǒng)；接入電源采用三相，50 Hz，6 000 V；6 000 V電源通過主變壓器輸出690 V交流電壓，給整流單元供電。電氣系統(tǒng)為“上位人機界面+PLC現(xiàn)場總線+變頻傳動”組成的三級控制系統(tǒng)，見圖3。上位人機界面實時監(jiān)控整機的運行狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)運行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷。PLC通過PROFIBUS DP現(xiàn)場總線與整流單元、各機構(gòu)逆變器、司機室控制等連接，實現(xiàn)分布式控制。整流單元通過公用直流母線與各機構(gòu)逆變器相連，實現(xiàn)對各機構(gòu)的精確控制。系統(tǒng)具有：對電網(wǎng)無擾動；允許電壓波動范圍寬(±15%，在1 min之內(nèi))；功率因數(shù)可調(diào)或進行無功補償；自適應(yīng)挖掘控制軟件；友好的人機界面，優(yōu)化的挖掘特性曲線，高效率、低能耗等特點。

2 電氣調(diào)試關(guān)鍵點分析

電氣調(diào)試指從最初的查線到送電，再到最后正常運行的過程。電氣調(diào)試的主要階段：查線送電；輔助機構(gòu)送電調(diào)試；控制系統(tǒng)送電調(diào)試；變頻器調(diào)試；整機系統(tǒng)的運行聯(lián)調(diào)[1,2]。

2.1 查線送電

查線送電是整個調(diào)試階段的基礎(chǔ)部分，正確的接線保證了調(diào)試的順利進行，并且只有對整機的電氣系統(tǒng)有足夠的了解才能夠正確的查線。送電需要細心認真，尤其是高壓線路，需要多次檢查無誤才能送電。

2.2 輔助機構(gòu)送電調(diào)試

輔助機構(gòu)包括甘油潤滑控制系統(tǒng)，通風(fēng)控制系統(tǒng)，稀油潤滑控制系統(tǒng)。此部分主要檢查各電機（包括電氣線路，運轉(zhuǎn)方向）是否正常運行。

2.3 控制系統(tǒng)送電調(diào)試

控制系統(tǒng)指PLC系統(tǒng)，此部分調(diào)試是系統(tǒng)調(diào)試的核心之一。PLC系統(tǒng)為整機電控系統(tǒng)的核心，其控制整機的電氣運行。PLC主要控制系統(tǒng)的運行、保護、監(jiān)測。PLC調(diào)試部分包括修改下載程序；設(shè)定PLC，變頻器，觸摸屏三級網(wǎng)絡(luò)之間的通信；核對PLC的I/O點；調(diào)試潤滑系統(tǒng)。此部分關(guān)鍵點在于PLC組態(tài)、程序的設(shè)置、系統(tǒng)各級機構(gòu)之間通信的建立。通信系統(tǒng)為整個網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)正常工作才能確保各級系統(tǒng)能夠很好的傳遞數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通信采用的是工業(yè)常用的Profibus-DP通信網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，但是其涉及到兩級控制系統(tǒng)：變頻器和遠程I/O。其設(shè)置相對較復(fù)雜，必須仔細一步一步設(shè)置，并確保硬件系統(tǒng)的正確配置才能完成。

2.4 變頻器調(diào)試

變頻器調(diào)試為調(diào)試的關(guān)鍵點之一。變頻器調(diào)試主要完成的功能是控制電機實現(xiàn)起停、調(diào)速等功能。變頻器調(diào)試主要包括電機辨識，遠端控制聯(lián)動。電機辨識指通過計算電機的額定銘牌參數(shù)，并通過變頻裝置對交流電機通以給定的電壓、電流得到交流電機數(shù)學(xué)模型中所需要的各等效電機參數(shù)，從而實現(xiàn)電機的高性能控制。WK-12C電動挖掘機的核心變頻系統(tǒng)采用西門子傳動或ABB傳動系統(tǒng)。無論是基于矢量控制理論的西門子變頻系統(tǒng)，還是基于直接轉(zhuǎn)矩控制理論的ABB傳動系統(tǒng)，其高性能控制完全依賴于其中所使用到電機參數(shù)的準確性。如果電機參數(shù)不準確，將導(dǎo)致調(diào)速性能指標(biāo)下降甚至導(dǎo)致變頻器故障。因此，電機辨識這一步對于系統(tǒng)良好的運行非常重要[3]。

正確的完成電機辨識后，便可切換到遠端，利用司機室主令控制變頻器的啟停、調(diào)速。此部分需要與PLC控制相結(jié)合。合適的修改程序并聯(lián)調(diào)變頻器系統(tǒng)，實現(xiàn)司機室端子控制變頻器的啟停。完成這一步即可實現(xiàn)電鏟各執(zhí)行機構(gòu)的動作。

2.5 整機聯(lián)調(diào)

整機聯(lián)調(diào)指在系統(tǒng)各部分都調(diào)試完成后，整機聯(lián)動試車。此階段調(diào)試需要足夠的經(jīng)驗來確保各電氣機構(gòu)能夠很好的運行。需要調(diào)試各電機執(zhí)行機構(gòu)確保4大機構(gòu)能夠很好的配合工作。同時，要確保各輔助機構(gòu)，如油氣路、通風(fēng)機構(gòu)等正常工作。整機聯(lián)調(diào)還包括各種意外的保護能夠在出現(xiàn)情況后發(fā)揮作用。各種故障點出現(xiàn)后能夠報警停機，并能夠提示維護人員快速的排除故障點，恢復(fù)生產(chǎn)。

3 調(diào)試常見故障及經(jīng)驗

電鏟調(diào)試過程中會出現(xiàn)各種各樣的問題，既有共性的，也有各自的問題?，F(xiàn)將常見的共性問題作簡要的分析。

1）電氣調(diào)試中常見的問題有組態(tài)錯誤。此部分需要正確的配置系統(tǒng)硬件、DP地址，并且需要正確的接線，設(shè)置DP從站地址。容易忽略的問題是硬件配置錯誤、從站DP地址設(shè)置錯誤造成系統(tǒng)配置失敗。

2）電氣調(diào)試過程中，變頻器調(diào)試容易出現(xiàn)問題。整流啟停、逆變器的參數(shù)切換等都需要正確的配置，以防參數(shù)切換錯誤造成變頻器故障。參數(shù)的設(shè)置包括額定參數(shù)，電流、電壓限幅值等需要按照設(shè)計配置，以符合最初設(shè)計要求。電機的加減速時間，速度限幅值對系統(tǒng)和操作有直接的影響，因此需要參考設(shè)計要求并反復(fù)的調(diào)試來確定。

3）系統(tǒng)在辨識后可能需要手動調(diào)節(jié)P、I值以確保達到合理的動穩(wěn)態(tài)性能。調(diào)節(jié)P、I值需要經(jīng)典控制理論知識，更需要現(xiàn)場豐富的經(jīng)驗。P值主要影響動態(tài)性能，I值主要影響穩(wěn)態(tài)差值。需要根據(jù)實際情況合理的調(diào)節(jié)。

4）整機聯(lián)調(diào)需要測試各機構(gòu)正常工作。系統(tǒng)能否在聯(lián)動的情形下各機構(gòu)正常工作不起沖突。尤其對于電控系統(tǒng)的一些保護措施，甚至需要人為的“制造”出一些故障，看系統(tǒng)能否做出合理的保護。

4 結(jié)語

主要探討了WK-12C電鏟電氣調(diào)試的過程及一些需要注意的問題。首先，介紹了電鏟電控系統(tǒng)的發(fā)展及各種系統(tǒng)的優(yōu)缺點，重點介紹了交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的特點。然后，詳細的闡述了電氣調(diào)試過程及各個階段關(guān)鍵點。最后，針對調(diào)試過程中常見的問題介紹了常見的故障處理辦法及一些經(jīng)驗。

[1] 劉錦波,張承慧.電機與拖動[M]. 北京:清華大學(xué)出版社.2001.

[2] 宋書中.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].第3版.北京:機械工業(yè)出版社,1994.