近年來，大型露天礦山中的裝運設備的生產力逐年提高，主要體現在大型電氣設備-挖掘機上。挖掘機上的電氣設備主要由提升、推壓、行走和迴轉等部分組成，控制系統採用技術十分成熟的直流驅動系統。然而，由於直流調速系統維修費用較高，且直流牽引電機在功率、速度和空間尺寸方面受到限制，基本上沒有更大的潛力可挖。隨著交流變頻調速技術的日趨成熟，基於矢量控制技術和直接轉矩控制技術的調速系統以其寬廣的調速範圍，較高的穩態轉速精度、快速的動態響應以及可四象限運行的性能位居交流傳動技術之首，其調速性能已經可以和直流調速系統相媲美。因此，將交流調速系統引入到挖掘機行業上，使其採用籠型感應電動機成為可能，從而使電控系統具有了速度更高、功率更大、可靠性更強、效率更高和維護費用更低的優點。
2挖掘機的關鍵技術
將交流調速系統應用於挖掘機的電控系統中，主要著手解決以下幾方面的關鍵技術:
(1)採用無速度感測器的控制策略
由於挖掘機工作在露天環境中，灰塵污染嚴重，易覆蓋和堵塞測速編碼器，影響其正常工作。另外，挖掘機工作過程中會產生很強烈的自身震動，而強烈震動將很有可能導致編碼器的損害。
(2)低頻時能保證電機的滿轉矩輸出，以避免低頻時滿負載工況下發生帶不動負載的現象。
(3)滿負載時在空中制動停車或再提升時，在不允許採用機械制動抱閘的情況下，提升和推壓機構不會出現下滑或溜車的現象。
在挖掘機工作過程中，每完成一次鏟料—提升—迴轉—下放—卸料的過程，提升和推壓機構就需要在空中制動停車一次。若採用機械抱閘的制動方法來保證提升和推壓結構的零速懸停，雖然可保障兩機構不會出現下滑或溜車的現象，然而頻繁的抱閘動作一方面會嚴重縮短抱閘的使用周期，另一方面抱閘的打開和閉合所需的延時時間會極大地限制挖掘機的工作效率，同時抱閘與變頻器加減速時間的配合不當還會引起溜車或變頻器堵轉跳閘的現象。
(4)對再生制動能量的處理必須迅速可靠。
(5)系統具有高的過載能力以及快速的堵轉、過流等保護功能。
(6)挖掘機行走機構和迴轉機構由於採用同一套控制系統，二者的切換必須快速可靠。
在上述的幾項關鍵技術中，尤以無感測器技術和零速滿轉矩技術最為重要，它對於保證挖掘機安全可靠的工作起著舉足輕重的作用。
3技術方案
根據目前比較成熟的高性能的交流調速技術，有矢量控制技術和直接轉矩控制技術兩種方案可以選擇，這兩種技術方案都可以較好地解決挖掘機的技術難題，然而直接轉矩控制技術由於所採用的基於定子磁場定向的控制方法，故不需要在電機軸端安裝測速編碼器來反饋轉子位置信號，而且仍能實現高精度的動靜態速度和力矩控制。另外，直接轉矩控制是對轉矩的直接控制，故對負載的變化相應迅速，可實現快速的過程式控制制，同時又具有過高的過載能力和200%的起動轉矩。基於直接轉矩控制技術的特點能夠完全滿足挖掘機的關鍵技術要求，故在這裡採用以直接轉矩控制技術為核心的交流調速裝置。
3.1直接轉矩控制原理
交流非同步電動機直接轉矩控制理論是由德國魯爾大學Depenbrock教授首次提出，后經過ABB公司10多年的逐步完善以及產品化，直接轉矩控制技術已成為當今交流傳動的最先進的控制方法之一。
直接轉矩控制技術是在變頻器內部建立了一個交流非同步電動機的軟體數學模型，根據實測的直流母線電壓、開關狀態和電流計算出一組精確的電機轉矩和定子磁通實際值，並將這些參數值直接應用於控制輸出單元的開關狀態，變頻器的每一次開關狀態都是單獨確定的，這意味著可以產生最佳的開關組合併對負載變化作出快速地轉矩響應，並將轉矩相應限制在一拍以內，且無超調，真正實現了對電動機轉矩和轉速的實時控制。
3.2無測速感測器及零速滿轉矩
矢量控制技術和直接轉矩控制技術在有測速感測器的條件下控制精度相差無幾，大約為額定轉速的±0.01%。然而，矢量控制技術的調速精度尤其是在零速附近對測速感測器的依賴性較強，當感測器失效時，其控制精度大為降低，只有額定轉速的±1-3%，很難保證電機零速時輸出滿轉矩的特性，從而出現提升和推壓機構在零速時下滑或溜車的現象。為了避免這一現象，實際應用中可採用加轉速偏置的方法可在一定程度上解決這一問題，然而偏置量的過大或過小會引起兩個機構的緩慢上升或下滑。
採用直接轉矩控制技術則不會存在上面的問題。一方面由於其採用基於定子磁場定向的電機模型，不需要測速感測器檢測轉子的位置，對測速感測器的依賴性不強，即使沒有感測器仍可以有很高的調速精度，可達額定轉速的±0.1-0.5%，故在零速附近仍可以維持滿轉矩的輸出，保證提升和推壓機構實現零速懸停。另一方面，根據無速度感測器的控制原理，定子磁鏈由電壓模型計算得出
轉子磁鏈和靜止坐標系α軸的夾角為
對式(2)求導得到轉子磁鏈的角速度為
轉子轉差角速度的計算公式為
電機轉子的角速度為轉子磁鏈角速度與轉差角速度之差；ω=ωe-ωs1(5)
式中：ψr-轉子磁通；ψs-定子磁通；Lr-轉子電感；Ls-定子電感；Lm-定轉子互感；is-定子電流；ψrα、ψrβ-轉子磁通在靜止坐標系α軸和β軸的分量；Tem-電磁轉矩；Rr-轉子電阻；pn-極對數。
由等式(5)得到的電機轉速精度與定子磁鏈的準確性關係密切。由電壓模型得到的定子磁鏈在低速時受到定子電阻壓降的影響，估算的磁鏈值準確性下降，因此得到的轉速精度也隨之下降。為此，為了保證全速範圍內轉速的估算精度，在無速度感測器的條件下，當電機轉速小於額定轉速的10%，負載轉矩大於額定轉矩的30%時，ABB變頻器ACS800系列採用了FS-method(FluxStabilizer)的控制側略，即高於額定轉速的10%時採用基於電壓模型的轉速估算值，低於額定轉速的10%時採用基於電流模型的轉速估算值，克服了低速下由電壓模型估算轉速不準確的缺陷，從而保證了電動機不僅在電動狀態而且在發電狀態都具有零速滿轉矩的特性，最大轉矩輸出可達額定轉矩的200%。
正是由於ACS800系列變頻器所具有的無感測器高控制精度和零速滿轉矩的特點，可完全保證挖掘機的提升和推壓機構實現空中的零速懸停而不必採用機械抱閘裝置，提高了挖掘機系統的可靠性和工作效率。
3.3再生能量的處理
對於挖掘機提升和推壓機構工作中的再生能量的處理，可採取兩種解決方案:一種是整流橋採用由二極體組成的三相不控橋，外接制動斬波器的方案，再生能量通過制動電阻以熱能的形式耗散掉，可採用的變頻器型號為ACS800-04/07;另一種是整流橋採用由IGBT組成的三相可控橋，再生能量通過可控整流橋回饋到電網中去,可採用的變頻器型號為ACS800-17。這裡採用成本較低的解決方案，即外接制動斬波器的方案。
ACS800變頻器具有高達200%的轉矩輸出能力，能夠滿足挖掘機在遇到大塊堅硬岩石而出現的過大負載力矩需求，快速的堵轉和過流等保護功能可保證系統的安全可靠工作。
另外，由於挖掘機的行走和迴轉是分別運行的，故為了節省投資，行走和迴轉採用同一個變頻調速裝置。為了實現這一目的，可採用ACS800標準軟體的兩個用戶宏切換的功能，即分別將行走和迴轉的電機參數以及軟體參數設置存儲在用戶宏1和用戶宏2中，通過設定的數字輸入口的上升和下降沿即可實現行走和迴轉兩套控制參數的切換，達到一台變頻器控制兩台電機的目的。
4樣機電氣系統配置
樣機電氣系統主要由變壓器、變頻器、電機以及操作室控制平台和PLC組成。其中，提升電機和推壓電機各由一台變頻器驅動，大車的行走電機和迴轉電機由一台變頻器驅動，二者的電氣控制之間具有互鎖電路。系統的操作命令由控制室的操作平台經PLC給出。
5實驗分析
將ACS800系列變頻器應用於4m3挖掘機的電控系統中，並在湖北葛洲壩水泥廠進行了試驗
其中，提升電機參數:功率200kW;額定頻率37.5Hz;額定電流370A;額定轉速732r/min;變頻器型號為ACS800-04-0440-3，輸出視在功率為440kVA;
推壓電機參數:功率75kW;額定頻率38.9Hz;額定電流132A;額定轉速1150r/min;變頻器型號為ACS800-04-0260-3，輸出視在功率為260kVA。
5.1提升機構試驗結果分析
採用直接轉矩控制技術在無測速感測器的條件下可完全保證提升機構的真正零速懸停。提升系統零速懸停時電機轉速和轉矩波形如圖4所示(波形由ABB專用調試和監控軟體DriveWindow測得)。圖中，1-轉速估算值;2-轉速測量值;3-電機轉矩;4-給定轉速值。由3圖可見，由於採用了FS-Method，當轉速給定值由400r/min下降為0r/min時，由變頻器根據電機內部數學模型計算得到的電機轉速也迅速下降為0r/min，且該轉速基本與由測速編碼器得到的轉速測量值一致，並與轉速給定值完全吻合。由於轉速在零速時估算的準確性，變頻器輸出的轉矩可始終保持為恆定值，與負載相平衡，故可實現挖掘機提升結構的零速懸停。由此說明，在提升機構採用無感測器控制時，由於ACS800變頻器採用了FS-Method的控制策略，由電機內部計算得到的轉速值與實際轉速基本一致，達到了較高的轉速控制精度，實現了無感測器條件下的零速懸停。
5.2推壓機構試驗結果分析
採用直接轉矩控制技術在無測速感測器的條件下可完全保證推壓機構的真正零速懸停。推壓系統零速懸停時電機轉速和轉矩波形(波形由ABB專用調試和監控軟體DriveWindow測得)。當電機轉速給定值由500r/min下降為0r/min時，由變頻器根據電機數學模型計算得到的轉速估算值也迅速跟蹤轉速給定值下降為零，並與給定值曲線相重合。由於轉速估算的準確性，故變頻器輸出的轉矩給定值和轉矩實際值保持為恆定值，與實際負載相平衡，實現了推壓機構零速懸停。由此說明，在推壓機構採用無感測器控制時，由於ACS800變頻器採用了FS-Method的控制策略，同樣可以實現無感測器條件下的零速懸停。
6結束語
在挖掘機行業採用以直接轉矩控制技術為核心的變頻器ACS800系列可完全滿足在無測速感測器條件下的轉速控制精度和轉矩的高動態響應，可達到額定轉矩的200%的起動轉矩，而且不必採用機械抱閘裝置就可實現提升和推壓機構的零速懸停，保證了挖掘機工作的可靠性和具有了高的生產效率。
