專利名稱：大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置及其控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置及其控制系統(tǒng)，它屬 于一種使用能量再生式公用直流母線實現(xiàn)變頻調(diào)速的大型礦用挖掘機(jī)交流變 頻調(diào)速的裝置及其電氣控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前我國生產(chǎn)的WK-4、 WK-10系列大型挖掘機(jī)采用發(fā)電機(jī)-電動機(jī)組直 流調(diào)速系統(tǒng)對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速，美國P&H公司生產(chǎn)的中大型挖掘機(jī)采用了可 控硅直流調(diào)速系統(tǒng)對各機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速。由于直流調(diào)速系統(tǒng)功率因素較低，允許 電網(wǎng)電壓波動范圍小，能量不能回饋或存在逆變失敗的可能性，因此，現(xiàn)有大 型挖掘機(jī)的直流發(fā)電機(jī)組及電動機(jī)存在著容易出故障、可靠性差和生產(chǎn)效率低 的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有大型挖掘機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)存在著容易出故 障、可靠性差和生產(chǎn)效率低的技術(shù)難點，并提供一種功率因素高、可靠性好和 生產(chǎn)效率高的大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置及其控制系統(tǒng)。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)難點而采用的技術(shù)方案是大型礦用挖掘機(jī)交流變 頻調(diào)速裝置，包括主變壓器、提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)和兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)，其中它還包括兩個整流回饋 單元、提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器，提升機(jī)構(gòu)變頻電 動機(jī)與提升機(jī)構(gòu)逆變器連接，推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)與推壓機(jī)構(gòu)逆變器連接，回 轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器連接，兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)分別連接在提升機(jī)構(gòu)逆變器和推壓機(jī)構(gòu)逆變器上，兩個整流回饋單元并聯(lián)后的直流輸出 母線為公用直流母線，所述公用直流母線與提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器 和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器連接，形成整流回饋公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻驅(qū)動 提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)對提升機(jī)構(gòu)變頻電 動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩 與速度的變頻調(diào)速。
一種大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)，包括上位人機(jī)界面綜合監(jiān) 控器、含有數(shù)字量輸入/輸出模塊和編碼器位置輸入模塊的可編程控制器、現(xiàn) 場總線和司機(jī)室控制器，其中它還包括由兩個整流回饋單元、提升機(jī)構(gòu)逆變 器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器構(gòu)成的電氣調(diào)速系統(tǒng)，上位人機(jī)界面綜 合監(jiān)控器與可編程控制器的CPU連接，檢測和顯示挖掘機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障 信息，實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷；可編程控制器通過
PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線與整流回饋單元、提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器、 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器構(gòu)成的電氣調(diào)速系統(tǒng)和司機(jī)室控制器連接，實現(xiàn)三級控制系統(tǒng) 之間的數(shù)據(jù)交換，變頻傳動驅(qū)動提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)協(xié) 調(diào)動作，實現(xiàn)對提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電 動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制。
由于本發(fā)明采用了上述技術(shù)方案，因此，與背景技術(shù)相比，本發(fā)明具有下
列優(yōu)點:
(1) 采用無電網(wǎng)污染的AFE整流回饋系統(tǒng)，使功率因素可達(dá)l，提高了 功率因素；
(2) 采用多電機(jī)傳動的公用直流母線系統(tǒng)，提高了調(diào)速的可靠性；
(3) 采用同一機(jī)構(gòu)雙電機(jī)驅(qū)動時的負(fù)荷均衡技術(shù)，提高了同一機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)性；
(4) 采用PROFIBUS-DP總線的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，提高控制系統(tǒng)之間 的數(shù)據(jù)交換速度。
(5) 本發(fā)明變頻系統(tǒng)電動機(jī)控制特性曲線包絡(luò)面積更大，比直流系統(tǒng)的 生產(chǎn)效率高。


圖1是本發(fā)明的交流變頻調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明控制系統(tǒng)的方框圖3是本發(fā)明電動機(jī)控制特性曲線。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1所示，本實施例中的大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置，包括主變 壓器l、兩臺提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)4、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)8、若干臺回轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)變頻電動機(jī)7和兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)19、 20，其中它還包括兩個AFE 整流回饋單元2、 12、兩臺提升機(jī)構(gòu)逆變器3、 5、推壓機(jī)構(gòu)逆變器9和回轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)逆變器6，兩臺提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)4與兩臺提升機(jī)構(gòu)逆變器3、 5連接， 推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)8與推壓機(jī)構(gòu)逆變器9連接，若干臺回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī) 7與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器6連接，兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)19、 20分別連接在提 升機(jī)構(gòu)逆變器3和推壓機(jī)構(gòu)逆變器9上，兩個AFE整流回饋單元2、 12并聯(lián) 后的直流輸出母線為公用直流母線11,所述公用直流母線11與兩臺提升機(jī)構(gòu) 逆變器3、 5、推壓機(jī)構(gòu)逆變器9和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器6連接，形成AFE整流回 饋公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻驅(qū)動提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行 走機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)對兩臺提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)4、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)8、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)7和兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)19、 20轉(zhuǎn)矩與速度的變頻 調(diào)速。制動單元10與公用直流母線11連接，在AFE整流回饋單元回饋失敗 時釋放能量。
所述兩個AFE整流回饋單元2、 12并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)后的直流輸出母線作 為公用直流母線11，為上述各機(jī)構(gòu)逆變器提供直流電源。各機(jī)構(gòu)逆變器掛接 在公用直流母線11上，形成AFE整流回饋公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)。
所述提升機(jī)構(gòu)兩臺電動機(jī)4間為硬軸連接，兩臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)速完全一致。 由于采用兩臺提升機(jī)構(gòu)逆變器3、 5分別驅(qū)動，為保證兩臺電動機(jī)做功相等， 在兩臺提升機(jī)構(gòu)逆變器3、 5之間采用轉(zhuǎn)矩主從控制技術(shù)，g卩 一臺提升機(jī)構(gòu) 逆變器作為主裝置，采用閉環(huán)速度控制模式;另一臺提升機(jī)構(gòu)逆變器為從裝置， 采用轉(zhuǎn)矩控制模式，其轉(zhuǎn)矩給定值直接來自主裝置。
所述推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)8采用速度閉環(huán)矢量控制，為提高挖掘時的切削 力，推壓電動機(jī)在0 90%的速度范圍內(nèi)均能輸出最大轉(zhuǎn)矩，保證了鏟斗在90% 速度范圍內(nèi)挖掘礦物時，其切削力基本不變，較之直流系統(tǒng)加大了挖掘切削能 力，提高了挖掘時的滿斗系數(shù)。
所述回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由一臺回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器6驅(qū)動多臺變頻電動機(jī)7，多臺電動 機(jī)通過齒輪耦合。由于多臺電動機(jī)的電源來自同一個回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器6，所以 多臺電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩(或電流)也基本一致，保證了電動機(jī)間的均衡工作。回轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)的負(fù)載特性屬于大慣量旋轉(zhuǎn)載荷，為使起制動平穩(wěn)、機(jī)械沖擊小，回轉(zhuǎn)控 制采用具有速度限幅的轉(zhuǎn)矩控制方式，即主令給定是轉(zhuǎn)矩給定，給定大小決定 了起制動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小、起制動的快慢。
所述兩臺行走機(jī)構(gòu)電動機(jī)19、 20為分別獨立驅(qū)動，行走電動機(jī)19與提升 電動機(jī)4共用一個提升機(jī)構(gòu)逆變器3，行走電動機(jī)20與推壓電動機(jī)8共用一個推壓機(jī)構(gòu)逆變器9。通過設(shè)在司機(jī)室操作臺上的挖掘/行走工況選擇開關(guān)進(jìn) 行工況選擇，提升/行走和推壓/行走電動機(jī)間的切換通過切換柜中的交流接觸 器完成。當(dāng)一個逆變器分別控制提升和行走兩臺電動機(jī)時，在逆變器中已存貯 了提升和行走兩臺電動機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，主回路切換時，逆變器內(nèi)部的數(shù)據(jù)組也 進(jìn)行了相應(yīng)的切換，以達(dá)到逆變器對所控電動機(jī)的最佳控制。
如圖2所示， 一種大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)，包括上位人
機(jī)界面綜合監(jiān)控器(HMI) 13、含有數(shù)字量輸入/輸出模塊和編碼器位置輸入 模塊的可編程控制器(PLC) 14、 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線15和司機(jī)室控制器 (ET200) 16，其中它還包括由兩個AFE整流回饋單元2、 12、兩臺提升機(jī) 構(gòu)逆變器3、 5、推壓機(jī)構(gòu)逆變器9和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器6構(gòu)成的變頻調(diào)速系統(tǒng)， 上位人機(jī)界面綜合監(jiān)控器13與可編程控制器14的CPU連接，檢測和顯示挖 掘機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障信息，實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷；可編程控 制器14通過PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線15與AFE整流回饋單元2、 12、兩臺 提升機(jī)構(gòu)逆變器3、 5、推壓機(jī)構(gòu)逆變器9、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器6構(gòu)成的變頻調(diào)速 系統(tǒng)和司機(jī)室控制器16連接，實現(xiàn)三級控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，變頻傳動 驅(qū)動提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)對提升機(jī)構(gòu)變 頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī) 轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制。提升編碼器17和推壓編碼器18與可編程控制器14 連接。
本實施例中的挖掘機(jī)各機(jī)構(gòu)電動機(jī)的控制特性曲線如圖3所示，圖中實線 為變頻電動機(jī)控制特性曲線，虛線為直流電動機(jī)控制特性曲線，從圖中可以看 出，變頻電動機(jī)控制特性曲線具有以下優(yōu)點(1)最大挖掘力下的持續(xù)速度更 大，挖掘時更顯有力、快速；(2)滿斗或空斗的最大運(yùn)行速度更高，作業(yè)效率會更高；(3)實線較之虛線其包絡(luò)面積更大，說明變頻系統(tǒng)較直流系統(tǒng)生產(chǎn)效 率會更高。
采用變頻調(diào)速技術(shù)，其特點是挖掘過程中，電動機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速以下，
系統(tǒng)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，當(dāng)鏟斗出了物料后，系統(tǒng)進(jìn)入恒功率調(diào)速(A-B段)，速
度自動停留到與負(fù)載大小相對應(yīng)的工作點上。
權(quán)利要求
1、一種大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置，包括主變壓器、提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)和兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)，其特征是它還包括兩個整流回饋單元、提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器，提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)與提升機(jī)構(gòu)逆變器連接，推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)與推壓機(jī)構(gòu)逆變器連接，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器連接，兩臺行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)分別連接在提升機(jī)構(gòu)逆變器和推壓機(jī)構(gòu)逆變器上，兩個整流回饋單元并聯(lián)后的直流輸出母線為公用直流母線，所述公用直流母線與提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器連接，形成整流回饋公用直流母線變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻驅(qū)動提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)對提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的變頻調(diào)速。
2、 一種大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)，包括上位人機(jī)界面綜 合監(jiān)控器、含有數(shù)字量輸入/輸出模塊和編碼器位置輸入模塊的可編程控制器、 現(xiàn)場總線和司機(jī)室控制器，其特征是它還包括由兩個整流回饋單元、提升機(jī) 構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器構(gòu)成的電氣調(diào)速系統(tǒng)，上位人機(jī) 界面綜合監(jiān)控器與可編程控制器的CPU連接，檢測和顯示挖掘機(jī)的運(yùn)行狀態(tài) 及故障信息，實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)模擬顯示與故障自診斷；可編程控制器通過 PROFIBUS-P現(xiàn)場總線與整流回饋單元、提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器、 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器構(gòu)成的電氣調(diào)速系統(tǒng)和司機(jī)室控制器連接，實現(xiàn)三級控制系統(tǒng) 之間的數(shù)據(jù)交換，變頻傳動驅(qū)動提升機(jī)構(gòu)、推壓機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)協(xié) 調(diào)動作，實現(xiàn)對提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電 動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與速度的精確控制。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置及其控制系統(tǒng)，它屬于一種使用能量再生式公用直流母線實現(xiàn)變頻調(diào)速的大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速的裝置及其電氣控制系統(tǒng)。本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有大型挖掘機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)存在著容易出故障、可靠性差和生產(chǎn)效率低的技術(shù)難點。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是大型礦用挖掘機(jī)交流變頻調(diào)速裝置，包括主變壓器、提升機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、推壓機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)和行走機(jī)構(gòu)變頻電動機(jī)，其中它還包括兩個整流回饋單元、提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器，兩個整流回饋單元并聯(lián)后的直流輸出母線為公用直流母線，公用直流母線與提升機(jī)構(gòu)逆變器、推壓機(jī)構(gòu)逆變器和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)逆變器連接。
文檔編號E02F9/00GK101457537SQ20081008026
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月26日
發(fā)明者喬建強(qiáng), 劉曉星, 吉夢瀾, 宇小璞, 張少忠, 梁淑蓉, 武海虹, 潘麗珍, 苗根蟬, 宇 薄, 兵 馬 申請人:太原重工股份有限公司;太原重工科技產(chǎn)業(yè)有限公司