4m3交流变频电铲电气控制方案140112

苏州汇川技术有限公司第1页共59页4m³交流变频电铲电气控制方案苏州汇川技术有限公司第2页共59页目录第一章系统性能分析..............................................3第二章系统控制方案..............................................42．1电机......................................................42．1．1交流变频电机的设计原理...............................42．1．2交流变频电机的设计特点...............................52．2系统集成..................................................92．2．1系统拓扑图...........................................92．2．2变压器...............................................92．2．2．1主变压器........................................92．2．2．2辅变压器.......................................132．2．3变频器..............................................162．2．3．1核心技术：四象限全回馈变频传动系统..............162．2．3．2汇川技术电铲专用变频器方案.....................212．2．3．2．1功率单元....................................222．2．3．2．2硬件........................................232．2．3．2．3抗震、防尘..................................242．2．3．2．4整机实验....................................252．2．3．2．5过载余量....................................262．2．4可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）..........................262．2．4．1ＰＬＣ的组成...................................262．2．4．2ＰＬＣ的特点...................................312．2．5上位机..............................................392．2．5．1主画面..........................................402．2．5．2参数画面一......................................412．2．5．3参数画面二......................................422．2．5．4提升趋势曲线....................................432．2．5．5推压趋势曲线....................................442．2．5．6回转趋势曲线....................................452．2．5．7提升特性曲线....................................462．2．5．8推压特性曲线....................................472．2．5．9回转特性曲线....................................492．2．5．10报警弹出窗口...................................502．2．5．11报警记录.......................................512．3．6电气柜..............................................53第三章变频改造优势及效益评估...................................543．1多传动带回馈变频调速系统的特点：.........................543．2效益评估.................................................56苏州汇川技术有限公司第3页共59页随着变频技术日趋成熟，交流变频控制电铲已是大势所趋。我公司针对交流异步电机调速控制复杂、电铲电机频繁堵转过载、工作环境恶劣、系统维护难度较高的特点，按照机械工艺要求，专门定制了一套电控系统解决方案。第一章系统性能分析根据电铲机械工艺的性能要求，我们绘出一个大致的电铲工作曲线：n(rpm)T(Nm)额定点截止点堵转点Pmax挖掘工作曲线图1.1如图1.1，堵转点转矩是额定点转矩的2-2.5倍，既电机电流最大值为额定电流的2-2.5倍。Pmax为假设最大功率最大点，实际工作最大功率要小于或等于Pmax点的功率，故按Pmax点计算，保证系统余量。假设最大功率点为额定功率的1.5-2倍。逆变器容量满足以上两个指标即可。苏州汇川技术有限公司第4页共59页第二章系统控制方案2．1电机随着电力电子技术的发展，交流电机的变频调速已经取代了传统的变极调速、电磁调速和调压调速，其控制性能及经济性能已经超过了直流的调速系统，因此交流变频电机已经广泛的应用在各个领域。变频调速能够提高系统的控制精度和生产效率，可以扩大电机的调速范围，提高电机的转速和电压。2．1．1交流变频电机的设计原理当改变电源频率f时，同步转速n1=60f/p与频率成正比例变化，电动机的转速也随之变化。所以改变电源频率就可以平滑地调节感应电机的转速。异步电动机的电动势和电磁转矩公式分别为:El=2.22fNφKdpφmTN=CφmlRcosφR如果忽略定子阻抗压降，则定子端电压U等于E1。当U1保持不变时，随着频率f升高，气隙磁通将减少，致使电动机的电磁转矩TN减少，同时电动机的最大转矩亦降低。反之，随着频率f的减少，φm将增加，导致磁路饱和，励磁电流升，铁损耗增加。因此，变频调速时应根据被拖动机械的不同要求，选择不同的调速方式。苏州汇川技术有限公司第5页共59页a)恒转矩变频调速对恒转矩变频调速，若保持输出转矩一定，就要求磁通φm不变，则U1／f=C=常数这种控制方式下，加到电动机上的电压必须随频率成正比改变。b)恒功率变频调速对恒功率变频调速，若保持输出功率不变时，就要求电压保持恒定，则PN=C1TNf=CEl=常数这种控制方式下，随着频率的增加，气隙磁通将下降，电机转矩随之降低。2．1．2交流变频电机的设计特点由于变频调速器输出的是一系列脉冲电压波，尽管采用了SPWM正弦脉宽调制技术，力求使其波形接近正弦，但实际上和工频电网供电的正弦波比较，仍含有较多的谐波成分。因此，对电动机来言，即相当于由一非正弦电网供电的情况，使电机损耗增大，效率降低，温升增高，转矩降低，特别是在低频空载情况下尤为明显。普通电机在低频区运行，由于自扇冷的风扇冷却能力下降。电机温升问题不易解决；而在高频区运行时，转速超过5～6倍，其结构件的刚度、强度也不能满足要求。因此，变频调速专用电动机开发的必要性就在于解决在变频调速情况下，普通Y系列电机胜任不了的问题。其设计特点如下：苏州汇川技术有限公司第6页共59页a)用SPWM装置额定频率供电时，变频调速电机的功率等级和安装尺寸的对应关系与基本系列电动机相同，这有利于用户的安装、维修、推广与使用。b)变频器供电的变频调速电动机在工作时，基速以下的恒转矩特性使电动机在低速时的电流和磁通都基本保持不变，然而此时的冷却风量却与转速的3次方成正比的减少，使散热发生困难。因此，变频调速电动机需采用外通风冷却，同时充分考虑了电机的温升裕度。通过各种途径尽可能减少各种损耗，对电机内部空气的流场和温度场进行认真分析，减少温度分布的不均匀系数，提高线圈端部的散热能力。这样，变频调速电动机的轴向长度较普通电动机稍长。c)在以变频器供电的电机系统中，电机的输出电压及电流不再是具有恒定频率的正弦波，而是以非正弦的形式供电，从而增大了电机中电磁力波次数和强度。另外，电机已不在一个预期的工作状态上运行，而是在一定的频率范围内工作。这时在电机的运行过程中，就不可避免地会出现电磁力波频率与电机系统的某些固有频率重合而发生共振；从而使电机在运行中产生较大的振动和噪声。因此在电机设计中充分考虑以下几点：d)因变频器的输出电流及电压中含有大量的高阶谐波分量；将明显增大电机噪声水平。电机设计时需减少电机中的气隙不平衡以及电磁激振力的大小，来降低电机的噪声。这可以通过提高定子铁心内径及转子铁心外径的加工精度来减少偏差和提高同心度方法苏州汇川技术有限公司第7页共59页来实现。对100kw以下的笼形异步电动机，还可以通过斜槽来实现。e)由干电机在一个频率范围内工作，要使电机定子的主要阶模态的固有频率与电磁激振力的阶分量错开是十分困难的，但可以通过选择合理的槽配合、改进电机的绝缘结构和采用正弦绕组等以降低低阶空间谐波的幅值或者对定子的结构进行阻尼处理以增大电机定子各阶模态的阻尼，来降低电机定子在发生振动时的振幅，达到降低噪声的目的。f)尽管SPWM装置输出的电压是一间断脉冲波，但由于电机电感的作用，定子电流波形还是连续的。为使定子电流平滑连续井趋于正弦波，在电机设计时可适当增加电机的电感(电抗)，有利于削弱谐波电流损耗。g)由于变频电机的高速运行时，转速非常高，这对电机结构件的刚度、强度有较高的要求。电机设计时需对电机机座，端盖、转轴连接系统以及轴承进行分析，采取相应措施。如端盖采用带内．外散热筋结构，同时加强电机与独立风机连接部分的强度，来保证变频电动机高速运行时良好的刚度。电机由大连日牵电机有限公司提供，原4M3电铲用直流电机功率如下：提升电机175KW推压电机54KW回转电机54KW苏州汇川技术有限公司第8页共59页行走电机54KW直流电机过载能力为2.5倍额定转矩，而交流电机的启动转矩达不到2.5倍额定转矩，所以交流电机功率加大，功率如下：提升电机290KW推压电机110KW回转电机85KW行走电机85KW从上述功率数值比值来看：功率增加1.4~1.5倍，转矩同时增加1.4~1.5倍，而交流电机本身启动转矩为1.8~1.9倍额定转矩，上述两种方案结合后达到相当于直流电机2.5倍堵转转矩，从而满足电铲工况要求。电机参数如表2.1，机构额定电流(A)额定功率（kw）额定转数（rpm）数量提升282.62907511推压106.411011271回转84.88511302行走84.88511301表2.1电机参数苏州汇川技术有限公司第9页共59页2．2系统集成2．2．1系统拓扑图图2.1系统拓扑图2．2．2变压器2．2．2．1主变压器主变压器采用矿用干式变压器，容量为550KVA。1．适用范围a)海拔不超过1000米.b)环境温度在-30℃～+55℃.c)空气相对湿度不超过90%.(25℃时)d)相对垂直面的倾斜度最大为12°.e)在无爆炸危险的场外,且空气中无足以腐蚀金属和破坏绝缘的苏州汇川技术有限公司第10页共59页气体及导电尘埃.f)在无严重的振动和颠簸的场所.g)电源电压的波形近似于正弦波.2．使用a)整流变压器原边线圈有±5%的分接端子,变压器在完全断电的情况下,根据电网电压按接线板上标记,通过连接片来连接相应的分接端子.b)本变压器具有温度显示,自动起动冷却风机及超温报警功能。变压器在运行中,当绕组温度达到90℃(可任意设定)时,自动起动横流风机；变压器在运行中,当绕组温度达到130℃(