于寶青，馮占中，李兆軒

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000）

WK35電鏟能耗制動(dòng)原理及優(yōu)化

于寶青，馮占中，李兆軒

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特 026000）

大部分交流變頻電鏟的整流部分都具有AFE功能（整流部分能將電能從直流母線回饋給電網(wǎng)的功能）。對(duì)于機(jī)械負(fù)載較重、制動(dòng)速度要求非?？斓慕涣髯冾l電鏟，雖然在能量回饋過程中將多余的電能通過電鏟的AFE單元功率單元反饋回給電網(wǎng)，但仍然會(huì)經(jīng)常有部分電能回饋不到電網(wǎng)，電鏟的制動(dòng)電阻將電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的再生電能消耗掉，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速降速。通過對(duì)WK35電鏟能耗制動(dòng)實(shí)現(xiàn)的研究，提出對(duì)能耗制動(dòng)保護(hù)的改進(jìn)。

WK35 電鏟；6SE70 變頻器；能耗制動(dòng)

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.38

0 引言

電鏟是露天礦的重要采掘設(shè)備，保證電鏟持續(xù)安全、高效地運(yùn)行，對(duì)露天礦業(yè)的生產(chǎn)有重要的意義。WK-35礦用變頻挖掘機(jī)電氣系統(tǒng)采用公用直流母線交流變頻調(diào)速技術(shù)，在能量回饋制動(dòng)時(shí)候，原負(fù)載電機(jī)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，能量反饋回原電路中，由制動(dòng)單元吸收回饋的能量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換狀態(tài)。制動(dòng)單元由大功率晶體管及驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。放電環(huán)節(jié)電容器在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)儲(chǔ)存不了時(shí)，變頻器的直流電壓會(huì)升高，當(dāng)電壓升高到大于變頻器參數(shù)設(shè)定的最大閥值電壓時(shí)，制動(dòng)單元自動(dòng)導(dǎo)通，變頻器的直流電能量進(jìn)入制動(dòng)單元，通過制動(dòng)單元連接的耗能元件消耗輸入的電能，達(dá)到吸收再生制動(dòng)反饋電能的目的。

1 WK35電鏟能耗制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

WK35電鏟主要有提升、推壓、回轉(zhuǎn)和行走4個(gè)動(dòng)作，分別由各部電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合來完成采掘工作，各部機(jī)構(gòu)電機(jī)由西門子的6SE70型變頻器逆變器驅(qū)動(dòng)。變頻器的整流部分跟逆變部分公用一個(gè)直流母線，電能可以在電網(wǎng)—變頻器—電機(jī)之間平穩(wěn)傳輸。當(dāng)電鏟變頻器拖動(dòng)各部機(jī)構(gòu)的負(fù)載電機(jī)制動(dòng)運(yùn)行時(shí),原工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的電機(jī)，隨著負(fù)載的增加轉(zhuǎn)速降低，電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向改變時(shí)，電機(jī)的工作狀態(tài)由電動(dòng)狀態(tài)變成發(fā)電狀態(tài)，原來是電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，現(xiàn)在是機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能反饋，反饋的電能經(jīng)過變頻器原路反饋到供電電源，變頻器將電網(wǎng)電壓變成直流電再逆變成交流電供給電機(jī)，反饋回的電能返回到直流部分，再經(jīng)過直流部分通過AFE又將多余的電能回饋到電網(wǎng)。但當(dāng)電機(jī)負(fù)載屬于大機(jī)械慣性的負(fù)載，或?qū)儆谡聪蝾l繁換向運(yùn)行時(shí)，通過電機(jī)由電動(dòng)變成發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電運(yùn)行時(shí)將發(fā)出的電能反向輸送回的電量會(huì)很大，會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間反饋回的電能與原電路電能相疊加從而提升原電路的電能，表現(xiàn)為電壓的急劇上升。電壓上升到高于高電壓閥值時(shí)，設(shè)備變頻器會(huì)有過電壓動(dòng)作的發(fā)生和相關(guān)報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生，電鏟根據(jù)變頻器的過電壓信號(hào)會(huì)做出立即停機(jī)的動(dòng)作，并在司機(jī)室的觸摸屏上顯示立即停機(jī)的報(bào)警信號(hào)，使電鏟不能正常工作。制動(dòng)單元帶有智能檢測(cè)直流母線電壓值的高低與自動(dòng)接通與關(guān)斷的動(dòng)作的功能，并且制動(dòng)單元后面往往都配套連接耗能電阻裝置，形成一個(gè)連接回路，耗能電阻起吸收并消耗電能的作用。當(dāng)制動(dòng)單元檢測(cè)到直流供電母線排的直流電壓達(dá)到制動(dòng)單元自動(dòng)導(dǎo)通的設(shè)定值時(shí)，制動(dòng)單元自動(dòng)導(dǎo)通，將與制動(dòng)單元連接的耗能制動(dòng)電阻回路連接到直流供電母線排上形成一個(gè)耗能回路。直流電路中的回饋電能通過制動(dòng)單元，電能通過制動(dòng)電阻，消耗電機(jī)回饋的多余電能。因此，若想電鏟變頻器安全可靠運(yùn)行，需要合理配備制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。

例如在電鏟裝車時(shí)，電鏟上的電機(jī)會(huì)頻繁地啟動(dòng)與停止，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)或者停止的時(shí)間很短且啟動(dòng)后的速度要求很大或停止前的運(yùn)轉(zhuǎn)速度很高時(shí)，屬于短時(shí)間速度變化要求很快，即變化速率很大，要求電機(jī)有很大的轉(zhuǎn)矩輸入才能做到。電機(jī)的制動(dòng)過程屬于電機(jī)急劇降速的過程，需要電機(jī)短時(shí)受到足夠大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩才能完成。在這個(gè)過程中，電機(jī)由原來的電動(dòng)狀態(tài)變成制動(dòng)發(fā)電狀態(tài)，這種工作狀態(tài)下電機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的電能，產(chǎn)生的電能經(jīng)過逆變器返回到變頻器的直流部分，由于電機(jī)制動(dòng)動(dòng)作往往時(shí)間短速度落差大，所以產(chǎn)生的巨大電能被快速地回饋到逆變器上游的供電直流電源中，此時(shí)直流電源因?yàn)榛仞侂娔艿耐蝗辉黾?，相?yīng)的電壓值也快速提升。要想使電鏟的變頻器設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，要求能夠克服這種電機(jī)制動(dòng)帶來的巨大電能反饋沖擊，使得直流電源部分的電壓值保持在變頻器的自我診斷與保護(hù)范圍之內(nèi)。帶有制動(dòng)單元的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有這樣的功能，其中的制動(dòng)單元通過與其連接的耗能制動(dòng)電阻，組成一個(gè)能自動(dòng)檢測(cè)并且消耗或吸收直流電源當(dāng)中的沖擊電能包括電機(jī)制動(dòng)的反饋電能的回路（制動(dòng)電阻的作用是通過電阻絲消耗電能進(jìn)而轉(zhuǎn)化成熱能散出）。

1.1 制動(dòng)單元系統(tǒng)的連接組成

WK35交流變頻電鏟的能耗制動(dòng)主要由制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻、可編程邏輯控制器組成，見圖1。

制動(dòng)單元MASTERDRIVESBREMSEINHEINT/BRAKINGUNIT訂貨號(hào)6SE7032—1HB87—2DA1，電壓限制范圍1105/1040 V，額定直流電壓范圍890～930 V，電流107 A，額定功率200 kW。

制動(dòng)單元開關(guān)用于響應(yīng)閾值，在制動(dòng)單元上可以轉(zhuǎn)變響應(yīng)閾值，未開啟。但當(dāng)需要調(diào)整響應(yīng)閾值開關(guān)時(shí)，必須使制動(dòng)單元從電源上斷開。

制動(dòng)單元的端子C/L+和D/L-通過熔斷器（Kaiert Fuses訂貨號(hào)KH1—250A/1200V AC，分段能力1200 V AC 100 kA）接至變頻器的C/L+和D/L-母線端子上；外部制動(dòng)電阻接至制動(dòng)單元端子G和H上，構(gòu)成能耗制動(dòng)的主回路，見圖1。制動(dòng)單元和外部制動(dòng)電阻間連接電纜長(zhǎng)度應(yīng)＜15 m。

圖1 WK35電鏟制動(dòng)單元接線圖

根據(jù)制動(dòng)單元額定功率可以得到制動(dòng)單元的峰值功率和長(zhǎng)時(shí)功率以及負(fù)載特性。峰值功率P3=1.5×額定功率=30 kW，長(zhǎng)時(shí)功率PDB=0.25×額定功率=5 kW。

監(jiān)控電路由控制端子排X38的4，5端子外接至PLC數(shù)字量輸入模塊端子上的監(jiān)測(cè)制動(dòng)單元，見圖2。

圖2 WK35電氣制動(dòng)單元PLC模塊監(jiān)控線路

對(duì)應(yīng)PLC梯形圖（圖3）所示，當(dāng)AFE運(yùn)行指示常開觸點(diǎn)閉合，制動(dòng)單元故障且持續(xù)時(shí)間＞5 s時(shí)，輸出制動(dòng)單元過熱故障并自鎖，可復(fù)位故障。即使端子排X38不連接，制動(dòng)單元仍能工作。制動(dòng)單元電子器件由直流母線電壓供電，當(dāng)直流母線電壓斷開，內(nèi)部電壓源下降（故障LED熄滅），故障自動(dòng)清除。

圖3 制動(dòng)單元故障點(diǎn)在PLC中的設(shè)置

1.2 制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻的選配

根據(jù)變頻器型號(hào)不同，選定的能耗制動(dòng)單元也不同，制動(dòng)單元的功率根據(jù)電阻的阻值和使用率確定。制動(dòng)電阻的選擇應(yīng)該與設(shè)備實(shí)際使用的制動(dòng)單元的容量電流相匹配，制動(dòng)電阻的阻值應(yīng)該與設(shè)備應(yīng)用的變頻器所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)負(fù)載工作時(shí)候所需要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相匹配。因此制動(dòng)單元與相對(duì)應(yīng)的制動(dòng)電阻的選配應(yīng)該考慮到多個(gè)方面的內(nèi)容，包括電機(jī)負(fù)載制動(dòng)時(shí)候的所需轉(zhuǎn)矩、制動(dòng)電阻的大小、制動(dòng)單元的容量、耗能電阻的功率等內(nèi)容。

（1）電機(jī)工作在制動(dòng)情況時(shí)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式為（(電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量+電機(jī)負(fù)載測(cè)折算到電機(jī)測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）×（電機(jī)制動(dòng)前的旋轉(zhuǎn)速度-電機(jī)制動(dòng)后的旋轉(zhuǎn)速度））/375×轉(zhuǎn)速下降時(shí)間-負(fù)載工作時(shí)候的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩

一般情況下，當(dāng)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)中的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)動(dòng)作時(shí)，電機(jī)由于電磁感應(yīng)的原因，內(nèi)部會(huì)發(fā)生銅損和鐵損，這部分損耗約為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的17%～21%，根據(jù)理論計(jì)算得到的損耗數(shù)值如果不超過電機(jī)所能承受的損耗最大值，在不連接回饋電能吸收裝置即制動(dòng)單元的情況下，電機(jī)及變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以承受該負(fù)載的制動(dòng)回饋沖擊。

（2）根據(jù)理論計(jì)算，制動(dòng)電阻的大小，其計(jì)算公式為制動(dòng)回饋電能的吸收單元設(shè)定的導(dǎo)通時(shí)電壓數(shù)值的平方（/0.1047×（制動(dòng)動(dòng)作時(shí)的轉(zhuǎn)矩-20%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩）×制動(dòng)前電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度）在選擇和確定電能吸收電阻值時(shí)，應(yīng)當(dāng)知道：吸收電阻與直流母線排組合的回路中的電流Ic＜制動(dòng)單元的允許最大電流輸出能力，即R＞1000/Ic,其中1000表示W(wǎng)K35電鏟變頻器直流側(cè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的最大直流電壓，Ic表示制動(dòng)單元的最大允許電流。

WK35電鏟使用的能耗制動(dòng)的制動(dòng)電阻（型號(hào)DX1612.01.13，阻值5.5Ω），扁帶波浪形狀的合金電阻，以陶瓷管作為骨架，金屬電阻以條狀環(huán)形盤旋在陶瓷骨架周圍，由于陶瓷的特殊成分，使其具有非常好的散熱效果，為整體散熱帶來了好處。

（3）確定制動(dòng)單元的類型。實(shí)際工作中選擇制動(dòng)單元時(shí)，主要考慮的條件是其可以通過電流的最大值，計(jì)算公式為：流經(jīng)制動(dòng)單元的電流值=變頻器直流母線排的瞬時(shí)電壓值/耗能電阻阻值。

在需要耗能電阻吸收反饋電能時(shí)，經(jīng)過整流單元后的直流電源電壓的增高或者降低，依靠于耗能電阻的大小和回路中吸收電容的容量。

（4）確定耗能電阻的功率的大小。根據(jù)公司電鏟變頻器工作狀態(tài)的變化情況，在反饋制動(dòng)且制動(dòng)單元工作在導(dǎo)通情況都是瞬時(shí)發(fā)生，時(shí)間短且間隔時(shí)間長(zhǎng)，所以根據(jù)設(shè)備的實(shí)際工作的情況，吸收回饋電能的耗能電阻的功率可以不超過正常導(dǎo)通時(shí)的功率，這樣可以降低成本，因此該制動(dòng)電阻的功率公式為制動(dòng)電阻降額系數(shù)×制動(dòng)期間平均消耗功率×制動(dòng)使用率% 。

耗能電阻阻值確定后確定耗能電阻的功率時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中多參照工程計(jì)算方法，耗能電阻在吸收反饋電能時(shí)的瞬間工作功率P瞬=7002/R，獲得的瞬間工作功率可以看作是耗能電阻在一段時(shí)間范圍內(nèi)的工作功率，但實(shí)際工作中制動(dòng)電阻是間斷工作的，特別是電鏟制動(dòng)電阻使用率低，如果根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇相對(duì)應(yīng)的功率制動(dòng)單元，會(huì)造成額定功率大于實(shí)際功率，造成成本的增加。同時(shí)考慮實(shí)際耗能電阻的使用周期與頻率，它規(guī)定了耗能電阻在很短一段時(shí)間內(nèi)的工作比率。耗能電阻實(shí)際消耗的功率P額=7002/R×rB% ，其中rB%為制動(dòng)電阻使用率。制動(dòng)電阻使用率體現(xiàn)制動(dòng)電阻的使用效率，它反映整個(gè)電能反饋吸收電路的效果。理論上講，制動(dòng)電阻使用率達(dá)到百分之百時(shí)，對(duì)整個(gè)反饋電能吸收系統(tǒng)利用率達(dá)到最大化，同時(shí)得到的能量吸收效果也最好，但是這種效果卻需要通過耗能電阻實(shí)際功率的加大來獲得,礦用220 t級(jí)卡車能耗制動(dòng)屬于這種情況，能量被白白消耗損失。另一方面，如果降低制動(dòng)單元導(dǎo)通工作狀態(tài)的實(shí)際頻率，可以使通過耗能電阻的反饋電量減少，從而降低在耗能電阻上產(chǎn)生的熱量，但后果是電機(jī)的制動(dòng)效果降低，得不到理想的制動(dòng)性能。因此應(yīng)該多方面考慮，達(dá)到系統(tǒng)應(yīng)用最優(yōu)化，一旦確定耗能電阻阻值，同時(shí)確定該電阻的功率，針對(duì)一些機(jī)械慣性大并且速度降低較慢的負(fù)載情況，可以降低制動(dòng)單元的導(dǎo)通頻率，從而降低耗能電阻接通頻率。但對(duì)于機(jī)械慣性不大且速度變化較快的負(fù)載，可以提高制動(dòng)單元的導(dǎo)通頻率，從而提高耗能電阻接通頻率。

2 能耗制動(dòng)的改進(jìn)

雖然可以通過制動(dòng)單元的監(jiān)控和動(dòng)作實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，但對(duì)耗能電阻部分沒有任何的監(jiān)控功能，一旦制動(dòng)單元檢測(cè)正常而制動(dòng)電阻損壞不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)單元失去作用，當(dāng)有多余的電能未能及時(shí)反饋回電網(wǎng)，將損壞電鏟變頻柜內(nèi)電氣元件，造成停機(jī)影響生產(chǎn)，增加維修成本，增加勞動(dòng)強(qiáng)度等不良后果。

選擇帶有熱觸點(diǎn)(常閉)的制動(dòng)電阻，當(dāng)電阻過載時(shí)能脫扣，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗制動(dòng)末端的監(jiān)測(cè)。當(dāng)熱觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，變頻器通過進(jìn)線柜主接觸器與電網(wǎng)斷開，主接觸器由變頻器（X9）相應(yīng)的輸出控制，熱觸點(diǎn)可以接至開關(guān)量輸出，它可以參數(shù)化為一個(gè)故障輸入。

封鎖變頻器中的UD max調(diào)節(jié)器。在具有矢量控制功能的裝置上，設(shè)定參數(shù)P515=0。參數(shù)設(shè)置開關(guān)量的輸入和輸出控制制動(dòng)單元。規(guī)定的設(shè)定值基于MASTERDRIVES和制動(dòng)單元之間的連接見圖4，MASTERDRIVES的設(shè)定為其缺省值 (工廠狀態(tài))，所需參數(shù)的設(shè)置：P575標(biāo)號(hào)001=18。功能圖如圖5所示。如果制動(dòng)單元向SIMOVERT MASTERDRIVES報(bào)故障，必須使用“Ext Fault 2”，設(shè)置 P586“Src No ext Fault 2“external 2”=18。將熱觸點(diǎn)與X38（4，5）端子串聯(lián)同樣也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗制動(dòng)的全程監(jiān)控，接線見圖2。

圖4 WK35矢量控制關(guān)于制動(dòng)電阻參數(shù)的設(shè)定

圖5 WK35功能圖參數(shù)設(shè)定

3 結(jié)束語(yǔ)

闡述能耗制動(dòng)中的反饋電能吸收裝置既制動(dòng)單元和耗能電阻的作用與選擇，相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法,并對(duì)一些復(fù)雜程度不高，應(yīng)用廣泛的情況,簡(jiǎn)化了計(jì)算。對(duì)檢測(cè)制動(dòng)單元電阻進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)制動(dòng)單元故障并及時(shí)處理。

實(shí)際工作中制動(dòng)單元和耗能電阻的安裝，要確保兩者不要距離直流電源太遠(yuǎn),大多數(shù)情況下可以在3 m 以內(nèi),可以消除線路之間的噪聲干擾，增加連接電纜的直徑可以使距離適當(dāng)加大。

在日常維護(hù)檢修時(shí)，對(duì)處于可燃、導(dǎo)電粉塵作業(yè)環(huán)境中的制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻需要經(jīng)常進(jìn)行清潔除塵，確保能耗制動(dòng)設(shè)備正常工作。在選擇耗能電阻阻值和確定其功率時(shí)，采用的都是工程計(jì)算方法，在實(shí)際工作環(huán)境中，應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)情況，選擇最適合設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的方案。

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［2］Siemens Electrical Drives Ltd.6SE7085-0CX87-2DA1（AD版）制動(dòng)單元SIMOVERTMASTERDRIVES內(nèi)部索引號(hào) 579 730.4000.50 J AE-76（2005.10）.

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〔編輯 李 波〕