共直流母線在WK-12C電鏟上的應(yīng)用

張世宣 ，于代林 ，徐紹良 ，楊 雷

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 能源動力分公司，遼寧鞍山 114005；2.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司 設(shè)計研究院，遼寧鞍山 114005）

礦山露天開采成本低、效率高、安全系數(shù)高，是目前首選的開采方式。電鏟在礦山生產(chǎn)中主要用于裝載礦巖，由于其設(shè)備價格低、性能可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)成本低、設(shè)備移動方便，成為大型露天礦的核心首選設(shè)備。

太原重工股份有限公司自主研發(fā)的WK-12C屬于礦用機(jī)械電鏟，整鏟由提升、推壓、行走、回轉(zhuǎn)4個系統(tǒng)組成，適用于年產(chǎn)量1 000萬噸級以上的露天礦山使用，可與80～154噸級礦用汽車配套使用。由于該設(shè)備采用 ABB ACS800變頻調(diào)速系統(tǒng)，打破了國外壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，目前已經(jīng)在全國各大礦山得到了成功應(yīng)用。

1 共直流母線系統(tǒng)在電鏟上的應(yīng)用

1.1 電鏟電氣系統(tǒng)發(fā)展概況

我國電鏟電氣系統(tǒng)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個階段：發(fā)電機(jī)—電動機(jī)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)。前2種屬于直流調(diào)速，缺點很多：電網(wǎng)功率因數(shù)低，耗電量大，占地面積大，噪聲大，檢修困難，造價高，容量、轉(zhuǎn)速受限，故障率高。第3種交流變頻調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)于21世紀(jì)，由于交流調(diào)速容量大、轉(zhuǎn)速高、耐高壓，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)速性能優(yōu)異，且結(jié)構(gòu)簡單、造價低、維護(hù)方便，因此得到了迅猛發(fā)展。

1.2 共直流母線技術(shù)特點及優(yōu)勢

通常，交流變頻器由整流器、濾波回路、逆變器組成，大部分無法解決在發(fā)電運行狀態(tài)下的電機(jī)能量回饋問題。共直流母線技術(shù)提供了一種現(xiàn)實可行的簡單辦法，既可解決四象限運行、頻繁啟制動電機(jī)問題，又可改善系統(tǒng)動態(tài)指標(biāo)，提高經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)是將變頻器分解為2個部件，即整流器部分與逆變器分開，采用單獨的整流/回饋裝置為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上，主要應(yīng)用于多電機(jī)傳動系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時，逆變器從母線上獲取電能，用于調(diào)速系統(tǒng)的高精度控制；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時，將系統(tǒng)在制動過程中產(chǎn)生的再生能源加以合理利用和回收，從而達(dá)到節(jié)約能源、提高設(shè)備運行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積等目的。

共直流母線技術(shù)的基本要求如下:1)逆變器需共享整流裝置，此整流裝置為共用直流母線專用裝置。2)逆變器應(yīng)盡量安裝在一起，避免遠(yuǎn)距離配線，最好在同1個電氣房。3)共用直流母線不能使用一般變頻器，否則會有炸機(jī)的危險。

共直流母線系統(tǒng)的優(yōu)點如下：1）共直流母線系統(tǒng)能很好地解決多電機(jī)間電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾。在同一系統(tǒng)中，同一時刻不同裝置可工作在不同的狀態(tài)，整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩(wěn)定供給，又將多余的能量回饋給電網(wǎng)，實現(xiàn)了再生能源的合理利用。2）共直流母線系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定。在多電機(jī)傳動系統(tǒng)中省去了大量的制動單元、制動電阻等外圍設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備占地面積和設(shè)備維護(hù)量，減少了設(shè)備故障點，提高了設(shè)備的整體控制水平。3）功率因數(shù)較高，可達(dá)95%以上，電網(wǎng)諧波較低；可以急降速，允許頻繁啟動操作。

綜上，可以認(rèn)為共直流母線系統(tǒng)是解決多電機(jī)傳動技術(shù)的較好方案。

1.3 共直流母線在WK-12C電鏟上的應(yīng)用

目前，鞍鋼礦業(yè)公司鞍千礦現(xiàn)場使用了3臺WK-12C電鏟。該項目生產(chǎn)條件復(fù)雜，經(jīng)常出現(xiàn)大的沖擊負(fù)載，甚至堵轉(zhuǎn)，因此，對電鏟的電氣調(diào)速系統(tǒng)要求非常高，不僅要能四象限運行，動態(tài)響應(yīng)快，加減速和反轉(zhuǎn)迅速，制動性能優(yōu)異，還要能進(jìn)行電能回饋。這給WK-12C電鏟變頻調(diào)速系統(tǒng)的實現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。

WK-12C電鏟為典型的多電動機(jī)傳動系統(tǒng)，其生產(chǎn)工藝要求4個主要機(jī)構(gòu)的電機(jī)都要有1臺變頻器單獨驅(qū)動，每臺電機(jī)既可以工作在電動狀態(tài)，又可工作在制動狀態(tài)，因此非常適合采用共直流母線變頻系統(tǒng)。而ABB變頻器具有寬廣的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速精度，快速的動態(tài)響應(yīng)以及可四象限運行的性能。WK-12C電鏟采用ABB ACS800整流/回饋共直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)。

由于電鏟使用環(huán)境十分惡劣，溫差大，振動大，粉塵濃度高，尤其在鐵礦等金屬礦區(qū)，粉塵中還含有大量的金屬成分，附著在電路板上容易造成短路。因此，對變頻柜的防塵等級要求較高。ASC800系列變頻柜的功率部分采用一體式模塊化設(shè)計，每個功率模塊自成1個獨立的功率單元，單個功率模塊可并聯(lián)使用，防護(hù)等級高，有效避免了粉塵的影響，維護(hù)也更加方便。每個功率模塊下部均配置1臺風(fēng)機(jī)，變頻柜工作時風(fēng)機(jī)自動通風(fēng)散熱，避免了柜內(nèi)溫度過高。柜體結(jié)構(gòu)采用特殊強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，有效吸收振動，防止對電氣元件造成機(jī)械損傷。輸入電源50 HZ、690 V，給整流單元供電，共直流母線與電機(jī)各逆變器相連，實現(xiàn)對各機(jī)構(gòu)電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制。整流/回饋共直流母線電路圖見圖1。

圖1 整流/回饋共直流母線電路示意

整流/回饋回路采用可控硅橋式整流，把交流電源轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電源，各機(jī)構(gòu)電機(jī)制動過程中產(chǎn)生的能量通過共直流母線—整流回饋單元饋送至電網(wǎng)，降低了電鏟耗電量，即使在逆變器能量回饋到電網(wǎng)時，該電壓在規(guī)定范圍內(nèi)仍保持恒定，可在輸入端電網(wǎng)和逆變器回路之間整流和回饋。為了防止發(fā)生整流故障時能量無法回饋的特殊情況，系統(tǒng)附加1套制動單元，采用能耗制動方式，僅用作整流故障時輔助的制動措施；正常工作時，制動單元不工作。多電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動結(jié)構(gòu)見圖2。

由圖2可知，逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電鏟電機(jī)平滑調(diào)速的目的?；剞D(zhuǎn)2臺電動機(jī)共用1個逆變器，2臺回轉(zhuǎn)電機(jī)通過減速機(jī)剛性連接，電機(jī)并聯(lián)連接在回轉(zhuǎn)逆變器上，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩完全一致。回轉(zhuǎn)電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制，可實現(xiàn)快速停車。

圖2 WK-12C電鏟多電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意

左、右行走電動機(jī)分別由2個逆變器獨立驅(qū)動。右行走電動機(jī)與2臺提升電動機(jī)共用1個逆變器。2臺提升／右行走逆變器同時存儲提升電機(jī)和右行走電機(jī)的電機(jī)參數(shù)和控制參數(shù)，通過模式選擇，在提升模式和行走模式間切換，達(dá)到用1臺逆變器控制3臺電機(jī)的目的。提升機(jī)構(gòu)為閉環(huán)速度控制，2個提升電機(jī)之間通過減速機(jī)剛性連接，主提升采用速度控制，從提升采取轉(zhuǎn)矩控制，從而達(dá)到2臺電機(jī)出力完全一致，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩保持同步。右行走機(jī)構(gòu)采取開環(huán)速度控制。左行走電動機(jī)與推壓電動機(jī)共用1個逆變器，逆變器存儲推壓電機(jī)和左行走電動機(jī)參數(shù)和控制參數(shù)，采用閉環(huán)速度控制。

電鏟挖掘作業(yè)中，鏟斗下放的過程中產(chǎn)生相當(dāng)大的電能，通過共直流母線可直接回饋給電網(wǎng)，降低了電鏟耗電量，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的制動方式，也可避免電網(wǎng)電壓瞬間波動造成的故障停機(jī)，降低設(shè)備故障率，保證設(shè)備穩(wěn)定運行。

2 電鏟共直流母線常見故障及分析

2.1 直流母線電壓過高

可能原因是主電路進(jìn)線電壓過高，制動單元和制動電阻故障，減速時間太短，逆變單元內(nèi)部故障。遇見此故障需檢查外部供電電壓是否正常，檢查逆變器相關(guān)參數(shù)(減速時間等)是否在合理范圍內(nèi)，檢查制動單元和制動電阻是否正常，檢查逆變單元。

2.2 直流母線欠電壓

可能原因是主電源缺相，熔斷器燒斷或整流橋組內(nèi)部損壞，導(dǎo)致中間直流母線欠壓。首先檢查供電電源是否有故障，或是熔斷器、斷路器有故障。其次檢查電源電壓。一般而言，由于采礦供電負(fù)荷的不均衡，供電電壓都不太穩(wěn)定，尤其是夜間大負(fù)荷作業(yè)時，電源電壓會比白天降低很多，導(dǎo)致變頻器直流母線出現(xiàn)欠電壓故障。現(xiàn)場有段時間變頻器頻發(fā)此故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)高壓6 kV系統(tǒng)電壓過低，經(jīng)過上級變電所供電電壓調(diào)整，故障得到消除。

2.3 整流單元無法啟動

遇到這種情況時，先將變頻柜啟動方式改為盤控，啟動后如果能正常啟動的話則說明外部控制電路有故障，需檢查PLC程序內(nèi)部相關(guān)變頻器啟動條件是否都達(dá)到了啟動要求。若是盤控也無法正常啟動，則說明整流柜內(nèi)部有故障存在。首先應(yīng)該檢查柜門上的電氣開關(guān)是否處于斷開狀態(tài)或是輔助觸點損壞，風(fēng)機(jī)開關(guān)、熱繼電器保護(hù)、預(yù)充電電阻等是否正常；其次檢查安全繼電器是否正常；最后檢查主接觸器的好壞。

3 結(jié)語

綜上所述，共直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)在電鏟多電機(jī)傳動控制系統(tǒng)中是一種較好的調(diào)速設(shè)計方案，能取得較好的動靜態(tài)特性和調(diào)速精度。從礦業(yè)公司鞍千礦WK-12C電鏟的實際使用來看，該系統(tǒng)維護(hù)方便，節(jié)能環(huán)保，模塊化設(shè)計使得故障處理時間降到最低，故障率低，極大地提高了設(shè)備開動率和生產(chǎn)效率。系統(tǒng)各項運行指標(biāo)均能滿足復(fù)雜生產(chǎn)工藝要求，極具推廣價值。