ABB变频器在电动挖掘机改造上的应用

ABB变频器在电动挖掘机改造上的应用

李智 吴云国 李庆刚 李瑞生

包钢（集团）公司白云铁矿 内蒙古包头市 014080

摘要：目前，交流变频调速技术在我国应用广泛，这为交流异步电动机驱动的设备能够进行高质量调速创造了可能。ABB变频器主要对于交流电机的控制，具有高效调速的功能，并且使用简单、安全可靠、可扩展性强、而且维护非常方便，监测保护功能也非常完善。这里，我们就对ABB变频器在电动挖掘机改造上的应用进行了简要的分析和介绍。

关键词：ABB；变频器；电动挖掘机；控制；

一、ABB变频器简介

1.ABB变频器主要组成及工作原理介绍

ABB变频器主要包括辅助控制单元、进线单元、滤波单元、供电单元以及部分逆变器等部分。ABB变频器系统通过供电单元把三相的交流电重新整流成直流电，然后通过直流母线将直流电输送到各个逆变器，其中，逆变器和供电单元都是按照四象限运行，这样就可以通过直流母线把电机发电状态下产生的交流电实现逆变器的共享，或者通过供电单元将其送回到电网中。

2.ABB变频器技术优势介绍

（1）矢量控制

矢量控制技术主要是通过模仿直流电机的控制方法来对异步电动机进行控制。这种方法使用定子磁场定位，通过将转子电流经过坐标的变换，进而分解成励磁、转矩2个数值，这样就可以控制异步机非解耦状态到直流电动机解耦状态的转化。这种方式是根据坐标的变换来实现的等效变换，其依据的等效原则是∶在不同的坐标系下，电动机模型产生的各个磁动势相同。由于矢量控制方式过程中的坐标转换需要进行大量的运算，因此导致电动机的控制结构非常复杂。但是随着近些年来计算机技术的高速发展和专家学者对电动机模型的精确和简化，矢量控制方式得到了快速的发展。但是，需要注意的是，因为矢量控制技术是仿效直流电动机对异步电动机进行控制的方式，因此其控制精度和速度都低于与直接控制异步电动机控制精度。

（2）DTC控制

直接转矩控制技术（DTC）的控制思想是在矢量控制之后产生的。DTC的主要控制原理就是使用空间矢量来确定子磁场方向，这种方法直接基于定子坐标系，通过研究分析定子坐标系下的数学模型来对异步电动机磁链进行计算。DTC控制结构非常简单，其对控制信号的处理物理概念也比较明确，在操作控制上鲁棒性好，这使得DTC技术在异步电动机的控制上转矩响应的速度很快，而且不存在超调的特点，因此，这是一种极具优势的具有高静和高动态性能的控制方式。

二、电动挖掘机变频电控选用ABB变频器的应用

1.将DTC技术和模糊控制理论合二为一，构成高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。DTC技术特点是快速精确的控制、对负载变化的快速响应、噪音低、电机负载能力强、节能、编码器损坏后仍能连续运行，在电网干扰下，电机仍可以跟踪启动。在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。

基于DTC控制，ABB可以实现精确速度控制，ACS800的动态转速误差在开环应用时为0.3%s，在闭环应用时为0.1%s。而矢量控制变频器在开环时大于0.8%s，闭环时为0.3%s。ACS800变频器的静态精度为0.01%。精确转矩控制—动态转矩阶跃响应时间，在开环应用时能达到1～5ms，而矢量控制变频器在闭环时需10～20ms，开环时为100～200ms。

2.丰富、灵活的自适应性编程，如同一个小型的PLC安装在变频器内部。在无需任何附加软硬件支持的情况下，用户可以自由地定义程序块的输入、程序块与I/O口或控制器的连接，以实现逻辑运算、数学计算和过程控制的功能。ACS800变频器具有广泛的通讯能力，通过选择不同的区域总线适配器，变频器可以与许多厂家的上位系统或PLC通讯。

3.采用IGBT供电单元。ISU的核心是IGBT整流器。如同使用DTC控制技术的传动装置，ISU可以精确的控制系统的能量传输。ISU结合DTC控制技术，使传动系统在各种条件的电网下均可获得卓越的性能。ISU创造了电网的绿色环保新概念，节约了增加无功补偿装置的费用;谐波电流低，节约了增加滤波装置的费用。该传动提供了包括进线侧滤波器的能量可再生运行的所有器件;能再生运行的量可再生供电模块允许能量在电动模式和发电模式之间转换。其可靠性表现在∶采用自关断功率器件，避免了快熔在电网缺口时意外损坏;高速的DTC控制，对电网缺口进行快速诊断;提高了传动输出功率。

ISU可以有效的提高DC回路的电压，即使在电压较低的电网，逆变器也可以获得较高的功率输出。ISU提供了高速、平滑的换向控制，使得传动性能更加优秀。主电路由主回路开关，滤波器和整流器组成。整流模块的硬件与传动单元兼容。当ISU运行在逆变状态时，IGBT控制直流母线电压的恒定和接近正弦的线电流。这样就保证了系统的功率因数接近1，DTC控制和ISU的高速控制技术保证了系统的优异性能。作为四象限运行的变频器，除了普通变频器通过调速来节约能源外，还可以做到将制动能量回馈到电网来进行电能的回收。从硬件上看，节约了制动斩波器和相应的制动电阻，简化了设备的维护，降低了设备故障的风险。

三、ABB变频器传动控制的应用特点

1.零速满转矩

在电机发生零速运行的情况时，应用ABB变频器技术驱动的电机可以在测速机和编码器发出控制信号之前就能够获取其额定转矩。因此，ABB变频器驱动的电机具有一定的故障自处理功能，并且出现故障时对于故障的警报和处理也非常迅速。

2.自动识别运行功能

DTC技术的一个显著优点就是该项技术的实施是基于精确的电机模型之上的。为了实现模型的建立，就需要对电机进行识别操作。这样的话，电机在传动起动的过程中，ABB变频器对电机的驱动运行大约只需要1min，而且能够有效对电路电机的反应进行控制监控，从而建立电机数学模型，并且能够自动对该数学模型进行优化。在我们没有选择识别运行时，电机在第一次起动过程中会在零速短暂运行，以便快速建立一个电机模型。

3.直流抱闸

ABB变频器可以通过直流抱闸的功能，在电机零速运行时将转子锁定，从而对电机产生有效的保护作用。同时，还可以对电机的转速时时监控，一旦电机运行速度过小而小于预设阈值时，ABB变频器能够根据要求将电机进行快速关闭，同时使用直流电压运行电机，这样可以有效保护电机的配件设施。

结束语

变频器在与其他智能设备（PLC、DCS系统）配合后，可实现多重控制策略和闭环调节，其本身也具备较为完善的保护功能，但在实际应用中却存在许多误区。正视矛盾、规避风险、合理运用，才能提高变频器使用效率和寿命。

参考文献：

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