摘要:论文首先阐释了电铲存在的问题以及电气传动技术的理论基础,并通过传统的电铲电气以及新型的电铲电气的系统配置的对比,阐述了智能电气传动技术在控制领域上的应用要点,证明了改造的电气传动系统改善了电铲的电气性能和现场的作业环境,显著降低了故障率,提高了设备。
关键词:新型电气传动;电铲;控制
由于电铲的工作环境十分恶劣,野外作业,震动、严寒、暴雨、粉尘、高温,如果用模拟电路容易发生温度飘移、节点多等不容易处理的故障;又由于在挖掘过程中,负载存在着不确定性,为了适应随机变化的负载,从而引入自适应的思想,以便能及时修正自己的特征以适应对象和扰动的动态特性变化,使控制系统始终获得满意的可靠性与稳定性。新型的电气传动系统应用全数字化直流驱动装置取代传统电铲的交流原动机一直流发电机组,能够在很宽的范围内高精度的调速和控制,采取一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法。
1我国露天煤矿电气传统系统的应用现状
目前,我国现有的电铲基本上为高压原动机一发电机一电动机组拖动,该方式缺点较多,主要表现为:(1)机组为机电机能量转换效率低,电能损耗大,噪声大;(2)分离元件的继电控制系统难以满足电铲的挖土机控制特性,经常造成电机烧损;(3)电气系统维护工作量大,维护费用高,生产作业率低。传统的调速系统是由模拟电路和晶闸管来实现的。随着数字控制的发展和新型电力电子元件的出现,微机数字控制系统已广泛应用于直流调速领域,并以其调速方便,精度较高等优点逐步取代模拟控制。
2原电铲电传动方式及新型电气传动方式的对比分析
2.1原有的系统不足分析
露天电铲的工作现场环境是非常恶劣的。在工作的过程中,经常随机地遇到坚硬的石头或铲斗过满而过载,要求电枢电流不能超过电动机额定电流值,即要求电动机能自动限制堵转电流。堵转时无力,遇到大块无法铲起、拨动,或堵转电流失控,无法控制在设定值内,导致原动机发电机烧毁。这是直流发电机一电动机组系统无法克服的缺陷。现场运行情况表明,原有的系统常常出现堵转力矩不够,直流电机,直流发电机,甚至异步电动机烧毁现象。可以说这是由系统的固有弊端所致,当负载较轻时,异步电动机的转速基本不变,接近同步转速,当负载较大时,转速会下降,当负载超过最大转矩时,会出现垮转现象。从系统工艺机构看,由于该系统需要旋转变流机组,其中至少需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁电机,因而存在设备多、效率低、运行噪音大、维护不方便、故障高、故障损失大等特点。从现场环境来看,温度高(可达70aC)、粉尘大、震动大、负载变化大、工作时间长等特点因粉尘和震动引起的故障较多。
2.2电铲新型电气传动方式
原系统存在电能一机械能一电能转换,发电机到电动机之间能量转换很小,所以能量损耗很大。新系统取消串连发电机组,用全数字化直流驱动装置直接控制直流电机,系统不存在能量转换中间过程,节能效果明显;提高了调速性能,系统特性硬,出力大,能够在很宽的范围内高精度的调速和控制,可以采取一些模拟电路难以实现的控制规律和控制方法,例如各种的最优控制,自适应控制,复合控制等变得十分的容易了,从而使系统的控制性能得到了最大的提高;提高了运行的可靠性:当堵转时,工作电流达到1200安培,而电压几乎降低到最低限度,如果保护系统正常时,对发电机、电动机应有所保护,但由于励磁回路是一个大惯性环节,系统反应慢,再加之继电接触器电路故障点多,保护电路很容易失控,如果保护电路失控常常会烧毁发电机和电动机。原系统有相当多的元器件,如电阻等,其工作点会随着季节的变化而变化,人为的因素也会对整个控制系统产生严重的影响。而全数字化电路抗干扰能力强,不易受温度等外界条件变化的影响,没有温度飘移的问题,其调整只是改写数字量,一旦设置了安全密码,无关的人员是无法改变设置的;易于维修:对于原系统,由于在整个生产过程中发电机组不能停机,因此电能损耗大,噪音大,一旦发电机组烧毁检修和更换机组时,需要起重机械和运输机械到现场作业,整个系统电器维修工作量大,维护方式复杂,维护费用过高。新系统运用计算机的存贮、显示、记忆等功能,可以对系统进行的运行状态进行检测、故障诊断、显示和记录,并对发生故障的时间、性质和原因进行分析和记录,所以维修很方便;电铲的操作习惯、操作工艺和机械部分工艺不变,司机室各主令开关点以无源点直接进PLC或现场总线远程I/O站点。
3智能电气传动技术的控制要点
最优参数的设计和调节。电铲在生产过程中是一个非常复杂的机电系统,除电力拖动系统本身过渡过程以外,机械部分也是一个复杂的多变量的多自由度的力学系统,存在机械系统的过渡过程。在电力拖动过程中,系统经常性快速的在电动、发电、只动过程中切换,对直接可控硅控制系统而言,控制系统的设计优化就显得非常重要,电气控制系统优化,还可以使机械运行在相对柔性的环境下,提高机械使用寿命。在全数字电气系统控制中,将机械系统看成为一个折算到电机轴上的刚体,飞轮的力矩是CD2。电铲的全数字化直流调整系统为恒磁场的电枢换的可逆系统,是自动寻优的双闭环调速系统。
转速、电流双闭环调速及其静特性。采用转速负反馈的PI调节器的系统可能在保证系统在稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高,例如要求快速起制动、突加负载等等,单闭环系统就难以满足需要。这主要是因为在单闭系统中没有完全按照需要控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中,只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的,但它只是在超过临界电流值以后,靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击,并不能很理想地控制电流的动态波形。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级联接,如下图所示,该系统为速度电流双闭环系统。逻辑的最终输出是触发角,触发角决定加在电枢两端的电压。外部输入,参数值及选择逻辑对触发角参数的最终值起作用。这就是说,把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置。从闭环结构上看,电流调节环在里面,叫做内环;转速调节环在外边,叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。
双闭环动态性能及两个调节器的作用。动态跟随性能。双闭环调速系统在起动和升速过程中,能够在电流受电机过载能力约束条件下,表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中,由于主电路电流的不可逆性,自跟随性能变差。转速调节器的作用:转速n跟随给定电压的变化,稳态无静差;对负载变化起抗干扰作用;其输出限幅值决定允许的最大电流;例外,电流调节器的作用:对电网电压被动起及时抗干扰作用;起动时保证获得容许的最大电流;在转速调节过程中,使电流跟随其给的电压确定。
4结语
电铲全数字化电气传动系统是电传动技术向数字化,高频化,集成化发展的必然产物。该系统能够广泛应用于露天煤矿、铁矿、有色矿、碳石矿等的电铲改造中。新系统能够适应露天矿山复杂恶劣的环境,相信有待进一步的改进和研究。电铲电传动系统的调速性能,机械特性必将越来越好。
参考文献
陈统坚,彭永红.智能加工控制系统:目标、特征与途径.2005年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集(上册),2005年.
费敏锐,陈伯时,郎文鹏.综合智能控制方法概述.2005年中国智能自动化学术会议暨智能自动化专业委员会成立大会论文集(上册).2005年.