1 引言
矿用电铲(又称为矿用挖掘机)是当前露天采矿工业中最主要的挖掘、装载设备，先进的矿用电铲是实现强化开采的主要手段，而电气传动系统的先进性对矿用电铲的性能有至关重要的影响。由于矿用电铲对电气传动系统的要求很高，目前主要还是直流传动系统为主。近20年来，我国露天采矿使用的挖掘设备发展和更新很快，特别是从美国等引进了先进的大型矿用电铲，如从美国p&h公司引进的晶闸管供电直流调速系统的ph-2300(南芬露天铁矿等)和ph-2800(平朔煤矿等)大型电铲，从美国b&e公司引进的全交流变频调速传动的395-b型电铲(准格尔露天煤矿等)和295bⅱ型电铲(南芬露天铁矿等)，特别是世界上这种最先进的395-b和295bⅱ大型电铲的引进，使得我国露天采矿工业的面貌有了很大转变。本文仅以395-b型电铲为例介绍其电气传动系统的性能、特点及与直流电铲的比较。
2 395-b型电铲变频调速控制系统的特点
395-b型电铲的标准斗容26.0m3，提升机构选用一台895kw的交流鼠笼式电动机，推压机构选用一台240kw的交流鼠笼式电动机，回转机构选用两台200kw的交流鼠笼式电动机，行走机构选用635kw的交流鼠笼式电动机拖动，采用钢绳推压方式和行走系统的下部传动。一台395-b型电铲可以与四台170t的电动轮载重汽车配套作业。
该电铲整个电气控制系统采用siemens公司研制的变频调速控制系统，其电气传动主回路如图1所示。四台相同的790kva的pwm逆变器由公共母线馈电，母线从三相硅整流桥得到直流电源。四台逆变器分别供给提升电动机、推压电动机与回转电动机，电铲行走时不能使用提升传动装置，操作转换开关可以使两台并联的pwm逆变器向行走电动机供电。该系统制动时能量不能反馈回电网，当电铲某工作机构再生制动时，其再生能量传送到电容器中贮存，然后向其他工作在电动状态的工作机构传动系统供电，转换器控制的阻尼电阻吸收过剩的制动能量，并作为母线断电时所有传动装置的电气制动。
变频调速控制系统和直流传动的各种电铲电气控制系统相比，具有省电节能、调度性能好、可靠性高、维护量小、功率因数高达0.95、生产效率高的突出优点，是公认的挖掘机电气传动的发展方向。
3 变频调速控制系统的速度转矩特性分析与比较
395-b型电铲的变频调速控制系统部分采用siemens公司配套生产的变频驱动系统，系统包括交流感应电动机和脉冲宽度调制(pwm)的电压型逆变器。它代表了当今世界上电铲电气传动技术的最高水平，独特的静态交流变频调速控制，标志着电铲电气传动技术翻开了划时代的一页，说明电铲电气传动技术经历了从三绕组发电机—电动机机组的调速系统(国产w-4型电铲)到磁放大器的发电机—电动机组的调速系统(国产wk-4型电铲)，从晶闸管励磁的发电机—电动机机组的调速系统(美国195-b、280-b型电铲)到晶闸管供电的直流电动机调速系统(美国ph-2300xp、ph-2800xp型电铲)等四个阶段后，传统的leonard控制方式不再是电铲电气传动的唯一选择，多年来直流电动机一统天下的局面已被打破，以395-b、295bⅱ等电铲为代表的交流变频调速技术值得消化、吸收、研究和借鉴。现就395-b型挖掘机变频调速控制系统的速度转矩特性各段的分类、形成及其相同容量的直流拖动系统的类似特性的比较进行分析。
3.1 395-b型挖掘机acutrol系统的速度转矩特性分析
(1) 各段的速度转矩特性
由美国b-e公司提供的有关技术资料分析，395-b型电铲变频调速控制系统的速度转矩特性如图2所示。
从图2不难看出，该速度转矩特性可以大致分为三段，即ab段、bc段和cd段。ab段称为起动段，bc段称为调速段，cd段称为正常负载运行段。从交流电机的有关理论可以看出，ab段基于恒转矩调速，bc段基于恒功率调速，cd段基于高频下的自然机械特性的一段。这种特性与传统的直流拖动方式的电铲下垂特性相比，存在着明显的差别。为便于分析，将相同容量的静态直流拖动的速度转矩特性也在图2中以虚线标出。
(2) ab段(恒转矩调速)
为了进—步分析变频调速系统的速度转矩特性，有必要从电机学理论的角度进行简单推导。恒转矩调速往往采用恒磁通变频调速原则它适应于电铲经常工作于堵转状态的机械设备的运行条件，siemens公司在395-b型电铲变频调速系统就是采用了恒磁通变频调速原则。
众所周知，异步电动机的电势方程为:
e1=4.44f1w1kφm (1)
忽略定子压降可近似为:
u1=4.44f1w1kφm (2)
从上式不难看出:
(1) 当定子电压u1不变时，磁通φm随频率f1的减小而增加，而根据设计常规，为了节省铁心材料，电机制造厂均将磁通选择在磁饱和曲线的拐点周围，所以即使定子频率f下降很多，但磁通从轻饱和区进人重饱和区时，磁通的增长并不是线性的，反而迫使励磁电流大大增加，使电机带负载能力降低、功率因数变坏、铁损增加、电机发热，这显然是不允许的。
(2) 当定子电压u1不变时，从异步电动机的转矩表达式:
m=cmφmi2cosф2 (3)
不难看出，当定子电源频率f1增加、磁通φm下降时，在负载不变，即电磁转矩不变的条件下，转子电流i2将大大增加，从而导致定子电流大大超过电机的额定电流，这同样是不能允许的。
综上所述，在变频调速中考虑上述两方面因素，要求变频调速中保持磁通恒定，即所谓的恒磁通变频调速协调控制原则，必须满足下述条件:
(4)
使定子电压随电源频率成正比变化。
上式中的u1、u1′和f1、f1′分别为变速前后定子电压和频率。
当有功电流不变，φm为常数时，电动机输出转矩也恒定不变，故又称恒转矩方法调速。当u1/f1为常数时，可画出一族速度转矩特性如图3所示。
为了满足在调速过程中压频比不变的控制要求，变频调速系统在辅助逻辑电路的触发脉冲发生器环节前设置了频率／电压鉴定环节，以保证电压控制回路与频率控制回路的协调。
由图3可见，调速过程中要保持恒转矩，其电动机的上述特性也就是由每条速度转矩特性的最大转矩点组成的包络线。即使如此，各特性的临界转矩也存在着随频率f1的降低而减少的趋势，变频调速系统必须加以补偿。
由异步电动机的转矩参数式求导可得到其临界转矩:
(5)
式中短路电抗xk=2πf1lk
当f1较高时，xk》r1
则
(6)
当调速过程保持u/f1不变时，临界转矩ml也近似不变。
当f1较低时，r1》xk
则
(7)
在调速过程中即使保持u/f1不变，临界转矩ml仍将随频率的降低而减少，难以保证起动时的恒转矩要求。不难看出，造成低频时临界转矩的下降是由于电机定子电阻r1引起的电压降在低频低压下相对影响较大所致。
为了低频时能近似保持恒转矩调速，变频调速系统在控制回路增加函数发生器环节，以补偿低频时定子电阻引起的压降。从而获得理想的恒转矩调速。
(3) bc段(恒功率调速)
异步电动机在额定转速以上升速时，定子频率将超过额定频率(一般为50hz)。如果仍按压频比不变的调速原则，将导致定子电压大大超过电机的耐压，这显然是不允许的。额定转速以上的升速应保持定子电压维持在额定电压上。但随着频率增加，气隙磁通减少，导致电磁转矩减小。
即由
(8)
的关系可得:电磁转矩减少必然转速升高，显然属于恒功率调速范畴。
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