WK35電鏟能耗制動原理及優化

于寶青，馮占中，李兆軒

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特 026000）

WK35電鏟能耗制動原理及優化

于寶青，馮占中，李兆軒

（神華北電勝利能源有限公司，內蒙古錫林浩特 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的功能）。對于機械負載較重、制動速度要求非?？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，但仍然會經常有部分電能回饋不到電網，電鏟的制動電阻將電動機所產生的再生電能消耗掉，從而實現電機的快速降速。通過對WK35電鏟能耗制動實現的研究，提出對能耗制動保護的改進。

WK35 電鏟；6SE70 變頻器；能耗制動

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.38

0 引言

電鏟是露天礦的重要采掘設備，保證電鏟持續安全、高效地運行，對露天礦業的生產有重要的意義。WK-35礦用變頻挖掘機電氣系統采用公用直流母線交流變頻調速技術，在能量回饋制動時候，原負載電機由電動機狀態轉變為發電機狀態，能量反饋回原電路中，由制動單元吸收回饋的能量，實現自動切換狀態。制動單元由大功率晶體管及驅動電路構成。放電環節電容器在規定的電壓范圍內儲存不了時，變頻器的直流電壓會升高，當電壓升高到大于變頻器參數設定的最大閥值電壓時，制動單元自動導通，變頻器的直流電能量進入制動單元，通過制動單元連接的耗能元件消耗輸入的電能，達到吸收再生制動反饋電能的目的。

1 WK35電鏟能耗制動的實現

WK35電鏟主要有提升、推壓、回轉和行走4個動作，分別由各部電機驅動配合來完成采掘工作，各部機構電機由西門子的6SE70型變頻器逆變器驅動。變頻器的整流部分跟逆變部分公用一個直流母線，電能可以在電網—變頻器—電機之間平穩傳輸。當電鏟變頻器拖動各部機構的負載電機制動運行時,原工作在電動機狀態的電機，隨著負載的增加轉速降低，電機旋轉方向改變時，電機的工作狀態由電動狀態變成發電狀態，原來是電能轉變成機械能，現在是機械能轉變成電能反饋，反饋的電能經過變頻器原路反饋到供電電源，變頻器將電網電壓變成直流電再逆變成交流電供給電機，反饋回的電能返回到直流部分，再經過直流部分通過AFE又將多余的電能回饋到電網。但當電機負載屬于大機械慣性的負載，或屬于正反向頻繁換向運行時，通過電機由電動變成發電狀態，發電運行時將發出的電能反向輸送回的電量會很大，會導致短時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，表現為電壓的急劇上升。電壓上升到高于高電壓閥值時，設備變頻器會有過電壓動作的發生和相關報警信號的產生，電鏟根據變頻器的過電壓信號會做出立即停機的動作，并在司機室的觸摸屏上顯示立即停機的報警信號，使電鏟不能正常工作。制動單元帶有智能檢測直流母線電壓值的高低與自動接通與關斷的動作的功能，并且制動單元后面往往都配套連接耗能電阻裝置，形成一個連接回路，耗能電阻起吸收并消耗電能的作用。當制動單元檢測到直流供電母線排的直流電壓達到制動單元自動導通的設定值時，制動單元自動導通，將與制動單元連接的耗能制動電阻回路連接到直流供電母線排上形成一個耗能回路。直流電路中的回饋電能通過制動單元，電能通過制動電阻，消耗電機回饋的多余電能。因此，若想電鏟變頻器安全可靠運行，需要合理配備制動單元及制動電阻。

例如在電鏟裝車時，電鏟上的電機會頻繁地啟動與停止，當電機啟動或者停止的時間很短且啟動后的速度要求很大或停止前的運轉速度很高時，屬于短時間速度變化要求很快，即變化速率很大，要求電機有很大的轉矩輸入才能做到。電機的制動過程屬于電機急劇降速的過程，需要電機短時受到足夠大的制動轉矩才能完成。在這個過程中，電機由原來的電動狀態變成制動發電狀態，這種工作狀態下電機會產生很大的電能，產生的電能經過逆變器返回到變頻器的直流部分，由于電機制動動作往往時間短速度落差大，所以產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，此時直流電源因為回饋電能的突然增加，相應的電壓值也快速提升。要想使電鏟的變頻器設備正常運轉，要求能夠克服這種電機制動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范圍之內。帶有制動單元的變頻調速驅動系統具有這樣的功能，其中的制動單元通過與其連接的耗能制動電阻，組成一個能自動檢測并且消耗或吸收直流電源當中的沖擊電能包括電機制動的反饋電能的回路（制動電阻的作用是通過電阻絲消耗電能進而轉化成熱能散出）。

1.1 制動單元系統的連接組成

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

制動單元MASTERDRIVESBREMSEINHEINT/BRAKINGUNIT訂貨號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。

制動單元開關用于響應閾值，在制動單元上可以轉變響應閾值，未開啟。但當需要調整響應閾值開關時，必須使制動單元從電源上斷開。

制動單元的端子C/L+和D/L-通過熔斷器（Kaiert Fuses訂貨號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；外部制動電阻接至制動單元端子G和H上，構成能耗制動的主回路，見圖1。制動單元和外部制動電阻間連接電纜長度應＜15 m。

圖1 WK35電鏟制動單元接線圖

根據制動單元額定功率可以得到制動單元的峰值功率和長時功率以及負載特性。峰值功率P3=1.5×額定功率=30 kW，長時功率PDB=0.25×額定功率=5 kW。

監控電路由控制端子排X38的4，5端子外接至PLC數字量輸入模塊端子上的監測制動單元，見圖2。

圖2 WK35電氣制動單元PLC模塊監控線路

對應PLC梯形圖（圖3）所示，當AFE運行指示常開觸點閉合，制動單元故障且持續時間＞5 s時，輸出制動單元過熱故障并自鎖，可復位故障。即使端子排X38不連接，制動單元仍能工作。制動單元電子器件由直流母線電壓供電，當直流母線電壓斷開，內部電壓源下降（故障LED熄滅），故障自動清除。

圖3 制動單元故障點在PLC中的設置

1.2 制動單元與制動電阻的選配

根據變頻器型號不同，選定的能耗制動單元也不同，制動單元的功率根據電阻的阻值和使用率確定。制動電阻的選擇應該與設備實際使用的制動單元的容量電流相匹配，制動電阻的阻值應該與設備應用的變頻器所驅動的電動機負載工作時候所需要的制動轉矩相匹配。因此制動單元與相對應的制動電阻的選配應該考慮到多個方面的內容，包括電機負載制動時候的所需轉矩、制動電阻的大小、制動單元的容量、耗能電阻的功率等內容。

（1）電機工作在制動情況時的轉矩計算公式為（(電機轉動慣量+電機負載測折算到電機測的轉動慣量）×（電機制動前的旋轉速度-電機制動后的旋轉速度））/375×轉速下降時間-負載工作時候的轉動力矩

一般情況下，當對運轉中的電動機進行機械制動動作時，電機由于電磁感應的原因，內部會發生銅損和鐵損，這部分損耗約為電動機額定轉矩的17%～21%，根據理論計算得到的損耗數值如果不超過電機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單元的情況下，電機及變頻驅動系統可以承受該負載的制動回饋沖擊。

（2）根據理論計算，制動電阻的大小，其計算公式為制動回饋電能的吸收單元設定的導通時電壓數值的平方（/0.1047×（制動動作時的轉矩-20%電機額定轉矩）×制動前電機的旋轉速度）在選擇和確定電能吸收電阻值時，應當知道：吸收電阻與直流母線排組合的回路中的電流Ic＜制動單元的允許最大電流輸出能力，即R＞1000/Ic,其中1000表示WK35電鏟變頻器直流側穩定運行狀態的最大直流電壓，Ic表示制動單元的最大允許電流。

WK35電鏟使用的能耗制動的制動電阻（型號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）確定制動單元的類型。實際工作中選擇制動單元時，主要考慮的條件是其可以通過電流的最大值，計算公式為：流經制動單元的電流值=變頻器直流母線排的瞬時電壓值/耗能電阻阻值。

在需要耗能電阻吸收反饋電能時，經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。根據公司電鏟變頻器工作狀態的變化情況，在反饋制動且制動單元工作在導通情況都是瞬時發生，時間短且間隔時間長，所以根據設備的實際工作的情況，吸收回饋電能的耗能電阻的功率可以不超過正常導通時的功率，這樣可以降低成本，因此該制動電阻的功率公式為制動電阻降額系數×制動期間平均消耗功率×制動使用率% 。

耗能電阻阻值確定后確定耗能電阻的功率時，在實際應用中多參照工程計算方法，耗能電阻在吸收反饋電能時的瞬間工作功率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間范圍內的工作功率，但實際工作中制動電阻是間斷工作的，特別是電鏟制動電阻使用率低，如果根據計算結果選擇相對應的功率制動單元，會造成額定功率大于實際功率，造成成本的增加。同時考慮實際耗能電阻的使用周期與頻率，它規定了耗能電阻在很短一段時間內的工作比率。耗能電阻實際消耗的功率P額=7002/R×rB% ，其中rB%為制動電阻使用率。制動電阻使用率體現制動電阻的使用效率，它反映整個電能反饋吸收電路的效果。理論上講，制動電阻使用率達到百分之百時，對整個反饋電能吸收系統利用率達到最大化，同時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際功率的加大來獲得,礦用220 t級卡車能耗制動屬于這種情況，能量被白白消耗損失。另一方面，如果降低制動單元導通工作狀態的實際頻率，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生的熱量，但后果是電機的制動效果降低，得不到理想的制動性能。因此應該多方面考慮，達到系統應用最優化，一旦確定耗能電阻阻值，同時確定該電阻的功率，針對一些機械慣性大并且速度降低較慢的負載情況，可以降低制動單元的導通頻率，從而降低耗能電阻接通頻率。但對于機械慣性不大且速度變化較快的負載，可以提高制動單元的導通頻率，從而提高耗能電阻接通頻率。

2 能耗制動的改進

雖然可以通過制動單元的監控和動作實現能耗制動，但對耗能電阻部分沒有任何的監控功能，一旦制動單元檢測正常而制動電阻損壞不能及時發現，制動單元失去作用，當有多余的電能未能及時反饋回電網，將損壞電鏟變頻柜內電氣元件，造成停機影響生產，增加維修成本，增加勞動強度等不良后果。

選擇帶有熱觸點(常閉)的制動電阻，當電阻過載時能脫扣，實現對能耗制動末端的監測。當熱觸點動作時，變頻器通過進線柜主接觸器與電網斷開，主接觸器由變頻器（X9）相應的輸出控制，熱觸點可以接至開關量輸出，它可以參數化為一個故障輸入。

封鎖變頻器中的UD max調節器。在具有矢量控制功能的裝置上，設定參數P515=0。參數設置開關量的輸入和輸出控制制動單元。規定的設定值基于MASTERDRIVES和制動單元之間的連接見圖4，MASTERDRIVES的設定為其缺省值 (工廠狀態)，所需參數的設置：P575標號001=18。功能圖如圖5所示。如果制動單元向SIMOVERT MASTERDRIVES報故障，必須使用“Ext Fault 2”，設置 P586“Src No ext Fault 2“external 2”=18。將熱觸點與X38（4，5）端子串聯同樣也可以實現對能耗制動的全程監控，接線見圖2。

圖4 WK35矢量控制關于制動電阻參數的設定

圖5 WK35功能圖參數設定

3 結束語

闡述能耗制動中的反饋電能吸收裝置既制動單元和耗能電阻的作用與選擇，相關參數的計算方法,并對一些復雜程度不高，應用廣泛的情況,簡化了計算。對檢測制動單元電阻進行檢測，及時發現制動單元故障并及時處理。

實際工作中制動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,大多數情況下可以在3 m 以內,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加大。

在日常維護檢修時，對處于可燃、導電粉塵作業環境中的制動單元、制動電阻需要經常進行清潔除塵，確保能耗制動設備正常工作。在選擇耗能電阻阻值和確定其功率時，采用的都是工程計算方法，在實際工作環境中，應充分考慮現場情況，選擇最適合設備現場的方案。

［1］Siemens Electrical Drives Ltd.6SE7085-0CX87-2DA0（AC 版）SIMOVERT MASTERDRIVES 內部索引號 577 730.4000.50 J AC-76（2000.06）.

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

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〔編輯 李 波〕