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WK-35矿用变频挖掘机电气系统p


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W K-3   用 变频 挖 掘 机 电乞系统  5矿
吉孟 兰 潘丽珍 姚 振 南 
太原 002 ) 304 

( 太原重 型机 械 集 团有 限公 司技 术 中心挖 掘机 焦所



要: 本文介绍我国首台 3 m3 5 挖掘机 电气系统和程序流程 图。   变频调速  人机界面 P C 现场总线  L

关键词 : 挖掘机

WK 3 一 5型 矿 用 机 械 正 铲 式 挖 掘 机 是 我 公 司  最 新 研 制 的 大 型 露 天 矿 的 采 装 设 备 , 它 与 

12 24 矿用大汽车配套使用 ,可以满足三千万  7 —5 t 吨级大型露天煤矿 、铁矿及有色金属矿山的剥离  和 采装 作业 。同时 也 为新 建矿 山建设 提 供 了一种 
规 格全新 、 能全 优 的可选装 备 。 性   WK 3 一 5型矿 用变 频 挖 掘 机 采 用 了 三 维仿 真 
叫  

和有限元分析等现代设计方法 , 对整机性能和工作  尺寸进行合理的选择 ; 充分发挥出挖掘机 自身的效 
力 ,提 高 了挖 掘机 与 范 围宽 广 的各种 矿 车 的匹 配 

图 1WK 3 . - 5型挖掘机与矿用大汽车配套示意图 

1 WK 3 . 一 5型 矿 用 变 频 挖 掘 机 电 气传 动 系统 示  意 图见 图 2 其 电气 系统 主要 设备 、 频 电机 、 . 变 变 
频器 技 术参数 均见 图 2所 示。  

性, 更好地满足矿山高效装载 、 降低单位生产成本  的要 求 。 在工作装 置 、 中部平 台、 下部 等承载结 构部 
件上 , 合理选 材 、 优化组 合提高 了整机 可靠性 。 另外 

改善了司机安全生产操作的舒适人性化环境。   矿用挖掘机电气控制系统发展经历 了机组系 
统、 可控 硅直 流调 速系统 、 变频调 速系统 三个 阶段 。  

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国产及国外中小型斗容挖掘机均采用机组调速系  统, 以美国 P &H公司 为代表 的 中大型挖掘机 采用 了 
可控硅直流调速 系统 ,以我公司 自行研 究开发 的新 

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代大型变频 挖掘机 ( 一 0WK 2A WK 3 ) wK 2 、 一 0 、 一 5  和美 国 B E公司生产 的大 型挖掘机 (9 B 4 5 则  3 5 、9 B)


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采用 了代表发展方 向的交流变频调速系统 。   WK 3 一 5型 矿 用 变 频 挖 掘机 把 本 公 司生 产 了  半 个 多 世 纪 的 wK 4 wK 8wK 1 一 、 一 、 一 0机 组 型 成 型  挖 掘 机 和 近 几 年 研 发 的 新 一 代 变 频 挖 掘 机  WK 1 、 一0的 成功 经 验 融 汇于 一体 ,并 且采  一 0WK 2

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用了大量 国内外先进 的设计 、 工艺 、 制造和西 门子  交流变频调速系统 ,其中 A E乃是 目前世界上领  F 先 的控 制技 术 。  
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图 2WK : , 一 5型矿用变频挖掘机电气传动 系统示意图  3

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重 工科 技

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2 WK 3 . 一 5矿用变 频挖 掘机 电气 系统供 电部分 

5 WK 3 . 一 5矿 用变频 挖 掘机 电气 驱 动控 制 系统  51 控 制 系统 的组成  ..

电铲的进线 电源 : 高压 60 V±1%, 相 ,   00 0 3 5 O
Hz± I . Hz 

WK 3 变 频挖 掘机 的调速 系统 是 由可 编程 逻  一5 辑 控制 器 P C、 机 界面 HM 、 L 人 I变频 器组 成 的三 级 
网络拓扑 结构 , 其通 讯框 图见 图 6所 示 。  

它 由矿山高压电网——尾部电缆卷筒——高 
压集电环——高压控制柜——变压器一
置——逆 变 器柜— —变 频 电机 。   21 尾部 电缆 卷 筒 ( .. 带排 缆 器 )可实 现 电缆拖 动  :

A E装  F

l 垫 亘l   墨  

机械化 、 自动化 , 提高挖掘机 的作业率 , 保障工人  的安 全 , 减轻 工人 的劳动 强 度 , 足 用 户对尾 部 电  满
缆 卷筒 自动收放 的要 求 。该 电缆 卷 筒 配有 自动 排  缆 器 , 实现 尾部 电缆 的 自动 缠绕 和收放 。电缆 卷  可

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提 升 编 码 器  提 升编 码 器 

通讯线 

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筒为原装进 口产品。   2 . 高压 集 电环 : 装在 回转平 台底 部 。三 个 电  . 2 安
源环 , 一个 接地环 。  

I F 整流I#F 整涮I 提升I 提升I # E A I AE 2 l # I 2 # I 推压 』 转 I CE 回 [ +  P L
回馈单元 I回馈单元 逆变器0 1 逆变器I I 逆变器I I 逆变剁I" 0  2   10
图 6 - 5矿用变频挖掘机调速 系统通讯框图  WK 3

2 .高压开关柜: _ 3 高压电缆进线到负荷开关 ,   输出
二路 , 路通 过熔 断器 到辅 助 变 压器 、 一路 通过  一 另 真 空断路 器到 主变压 器 。   52 P C可编 程逻 辑控制 器  .. L P C是 系 统实 现 自动 控制 的核 心 ,本 系 统选  L

高压开关柜含有微机保护装置并完全符合高  压电气“ 五防” 要求 。   2 .变压器技术参数均见图 2  . 4 。 2 .低压集电环 : 以实现上下车( . 5 用 行走机构 ) 低 
压动力 电源 及控 制信 号的传 输 。  
3 WK一 5矿用挖 掘机控 制器  . 3

用西 门子 ¥- 0 74 0系列产品 ,P C U具有存储量大 、   运行速度快 、 强抗干扰能力和高可靠性等特性 ; 开  关量 输入模块 S 4 1 M 2 实现开关量信号的采集 ; 开  关量输出模块 S 42采用继 电器输出,实现电气  M2 系统 的 自动控 制 ;M38模 块采 集 提升 、 压行 程  S 3 推 编码器所测得提升 、 推压行程信息 , 实现挖掘优化 
控制 ; 程 I Er0 ) 接 在 P O IU   D 远 / , 0挂 O( 2 R FB S P总  线上 , 构成 分布 式控 制 网络 , 少 了信 号线 的使 用  减

WK 3 一 5矿 用 变 频 挖 掘 机 可 联 动 式 控 制 器 包  括: 左主 令控 制器 、 主令 控 制器 。分 别 安装 在 司  右 机 室座椅 的左 右扶 手上 , 功 能见 图 3 图 4  其 、 。

量, 提高了系统扩展的灵活性。  
53 变频器  ..

WK 3 一5型矿用 变频挖 掘机 变频器 采用西 门子  6E 0系列 产品 , S7 其技术 参数 如 图 2所 示 。通 过 图 

2电气传动系统示意图可知 , . 本系统是由两套 A E F 
整流 回馈单元 主从并联 ,通过公用直流母线与各  机构逆变器相连, 实现对各机构电机的调速。   提升机构采用两台逆变器分别驱动,为保证 
5 WK 3 . 一 5矿用挖 掘机 操作 台见 图 5  

两台电动机作功相等 ,在两台逆变器之问采用转  矩 主从 控 制技 术 , : 台逆 变 器 作 为 主装 置 , 即 一 采 
用 闭环 速度 控制 模式 ; 另一 台逆 变器 为从装 置 , 采 

旧 

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圈 图 图

圜 图 图

     

用 转矩 控制模 式 , 其转矩 给定值 直接 来 自主装置 。  

推压机构为一 台变频器 ,采用速度闭环矢量  控制 。   回转机构 由一台逆变器驱动两台变频电动机 ,  
两 台电动机通 过齿轮 耦合 。 由于两 台电动机 的电源  来 自同一 个逆变 器 , 以两 台 电动机 的转 矩 ( 电  所 或

图 5操 作 台面 板 

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? 3? 2   的逆 过程 , 主令控 制器 回零 、 升制 动器报 闸 、 时  提 延
2 逆变器停 机 、 时 5 n电机通风机 停止运行 。 s 延 mi   7 WK 3 . 一 5矿 用变频 挖 掘机 的 电气 操作 说 明 

流 ) 本一致 , 也基 保证 了电动机问 的均衡工 作 。  
行走 机构两 台 电动机为 分别独 立驱动 , 右行走  电动 机 P 与 提升 电动机 Hl l 共用 一 个逆 变器 , 左 

行走 电动机 P 与 推压 电动 机 c共用 一个逆 变器 。 2  
5 . 人 机界 面 H   . 4 M1

环 境 要求 : 电气 室室 温 低于 0 时 , 回路 不    主 可 以启 动 , 打 开加 热器 , 需要 进行 加热 到 0 以上 , ℃  

人机界面 H I M 采用西 门子的触摸屏 ,它作为  整机的监控 系统 , 实现 系统运行状态 、 故障信 息的  
显 示及报 警 功能 。  
55 P O I U .. R F B S通讯 总线  S — 0   P 通 过 P O I U  D 7 40C U R FB S P总 线 与 司 

( 低于 一 0 l ℃时 A E装置报 F2 超温故 障)高于  F 03
4  ̄I 0(t 2 ̄,应打 开 电气 室 除尘 风 机及 机棚 后壁 的通 
风窗 , 时 降温 。 及  

71 电气系 统启动 步骤  .
在 系 统无 故 障( 以在 司机 室 T 可 P显 示 屏上 直 

机 室 E 2 0 A E整 流 回 馈 单 元 及 逆 变 器 进 行 数  T0 、F 据 的 交 换 和 开 关 量 信 号 的 采 集 。 现 场 总 线 

接观察 ) 电气柜内无松线 , , 各个 开关合 闸状态正 
常 , 门关 闭 的情 况 下 , 可启 动 。 柜 方  

PO u R nB S不仅 提高 了数 据通讯 的 能力 , 更便 于增  加分 散 I / O通道 , 提高 系统 的扩展 能力 。  
6 WK 3 . 一 5矿 用 变 频 挖 掘 机 电气 驱 动 控 制 系 统  的软 件设计 

启动空压机 ,使气路系统达到工作压力( P T 
上有 指示 ) ;  

启动 润滑 系统 , 使其 工作 正常 ;  

启动真空接触器, 操作 台上有指示灯指示 ;   启动 A E 主回路 )两套 A E同时启动 , F( , F 并 
联 运行 , 有指示 灯 指示工 作状 态 ;   选择 提 升模 式 ,启 动稀 油 润 滑 、上部 甘 油润  滑 、 开提 升 / 松 行走 机 构 的 抱 闸 , 升逆 变 器 ( 提 两 

P C可 编 程 控 制 器 实 现 了挖 掘 机 的 自动 控  L 制 ,变 频器 的 应用 使交 流调 速系 统 具有 良好 的调  速 性能 , 硬件 实 现 的基 础上 , 良好 的 软件 是必 不 可  少 的 。 系统 P C程序 采用 梯形 图编 程 , 形 图和  本 L 梯 电路 图很相 似 , 采用 诸 如 触点 和线 圈等符 号 , 图  是 形 化 的编程语 言 , 易理解 、 易使 用 。   采 用模 块 化程 序设 计 思想 。将 提升 、 压 、 推 回  转 、 走 、 助 机构 的控 制 由独立 的功能 模 块来 完  行 辅 成, 由主程序 OB 来调 用 。使整个 系统 层 次分 明 , 1   逻 辑 清楚 , 于 程序 的编制 、 便 调试 、 改和 查错 。 修  

台) 同时启动 , 电机有握持 电流 , 提升减速机润滑  启动 , 电动机强迫通风机启动 , 闸打开( 抱 指示灯  亮) 提升 机构 可 以工作 ;  
选 择提 升 模式 ,启动 稀 油润 滑 、上 部甘 油润  滑 、 开推 压 机 构 抱 闸 , 压 逆 变器 启 动 , 动机  松 推 电 有 握 持 电流 , 电机 强 迫通 风机 启 动 , 闸打 开 ( 抱 指  示 灯亮 )推 压机构 可 以工作 ; ,  

电气控制系统主回路由 A E整流回馈单元和  F
各 机 构逆 变器 组成 ; 助 回路 由空压 机 、 辅 机棚 通 风 

启动稀油润滑 、 上部干油润滑 、 松开回转机构  的抱闸, 大齿圈润滑 自动启动 , 回转逆变器启动 ,   电动 机有 励磁 电流 ,回转 减 速 机构 润滑 泵启 
动, 回转 抱 闸打开 ( 指示 灯亮 )回转机 构工作 ; ,  
行走 时 , 以选择 “ 走模 式 ” 换 接 触 器 接  可 行 切
通 行走 电机 。  

机、 电机通风 机 、 润滑 系统 及气路 系统 等组 成 。 L   PC 通 过 程序 实 现 对 A E和 逆变 器 的复位 、启 动 、 F 停  止 、 停 以及辅 助 系统 操 作 的 自动控 制 , 对 系统  急 并 的故 障根 据轻 重 做 出相 应 的处 理 。操 作员 可 通过  司机 室 的主令 控 制器 实 现各 机 构 的操作 。对 变频 

挖掘机来讲 , 提升 H、 推压 c 回转 s行走 P机构  、 、
的控 制是 尤为 重 要 的 ,本 文重 点介 绍 提 升机 构 的  工艺 流程 见图 7其 他机 构都 类似 。 ,  
由于右 行走 电动机 P l与前 提升 电动 机 Hl 共 

启 动 下 部 干油 润 滑 、 开 “ 升 / 松 提 行走 ” 闸 , 抱  

行走电机强迫通风机启动 ,提升 / 行走逆变器 A   l 启动 , 右侧抱 闸打开( 指示灯亮 )右侧可以行走。 ,   松 开 推压 / 行走 抱 闸 , 行走 电机强 迫通 风机 启 
动, 推压 / 行走 逆 变器启 动 , 侧 抱 闸打开 , 左 左侧 可 
以行走 。  

用 一 个 逆 变 器 ( /1; 行 走 电动 机 P HI )左 P 2与 推 压  电动 机 c共用 一个 逆变 器 CP ;通 过选 择操 作 台  /2 提 升 / 压 模式 和行 走 模式 按 钮 来切 换 相 应 的 主  推 回路接 触器  主 回路 切换 完成 时 , 逆变 器 内部 的数 
据组也进 行 了相应 的切换 。 系统停 机时为 以上过程 

探 照 灯 的照 明控 制在 操作 台上 , 机棚 、 电气 室 
的照 明分别 在机 棚 、 电气 室。  

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闭 、 构停 止运 转 , 时应将 各 机 构 的抱 闸全 部关  机 这 闭 ,事故机 构 也应按 一 下关 闭 按钮 ,停止 机 构 的  ( 润滑泵 )立 即查找 故 障原 因 , , 彻底 排 除后 , 下故  按

障复位按钮 , 按电气系统启动步骤重新启动 。   延时停机故障。 故障指示灯声光报警 , 系统仍  然 可 以继 续 工作 5 O秒 ,确保 完 成一 个工 作 循环 ,   完成工作循环后, 应立即停机 , 排除故障。  
74 故 障排 除  . 排 除故 障 时 , 有 机构 必须 处 于静 止状 态 , 所 即  提升 、 推压 、 回转 、 走 机构 的抱 闸 , 行 必须 处 于抱 紧  状态 , 对偶然 出现的故 障可 以通过 下述 方法复位 。  

A E故障可以通过操作面板上的复位键 P F 进  行复 位 , 拉掉 高压柜 的总 开关 , 或 直到 A E控 制柜  F
的 显示 面板 无显 示 , 重新 送 电 , 后按 显 示面 板 的  然

复 位键 P进 行复 位 。   P C故 障 。关 闭 司机 室下 层 P C柜 的 Q 1 , L L 41  

Q 1 使辅助机构断电 3 秒 , 42 0 重新送电。  
辅 助机 构 电 动机过 热 ,通 过热 继 电器 的 复位 
按 钮进 行复位 。  

逆 变器故 障可 以通 过操作 台上 的按钮 复位 。  

辅助机构的其他故障 ,也是通过操作台上的 
图 6提升机构的工艺流程 

复位 按钮 复位 。   对 于反复 出现 的故 障 、接地 及短 路跳 闸 等故  障应 查 明原 因 、 除故 障 , 送 电。 排 再   综 上 所 述 是 对 WK 3 一 5矿用 变频 挖 掘 机 电 气  自控系 统 的一些 论述 。随着 挖 掘机 生产 模式 的 国 

72 电气 系统 停 车步骤  . 各机 构 主令 控 制器 回零 ,机械 系统 处 于静 止 
状态 。  

关闭各机构的抱闸, f 抱闸关闭后 , 电动机强迫 
通 风机延 时 5分钟 停止 工作) 。   关 闭 A E( 回路 ) F 主 。   延 时 2秒钟关 闭 真空接 触器 。   73 故 障停 车  _ 故 障停 车分 为两 大类 。  

际化, 结合挖掘机国内外市场的特点和需求 , 我国  自行设 计制 造 的大 型矿 用 变频 挖掘 机 正稳 步进 入  国内外市场 。愿我们行业同仁团结奋斗、共同努  力, 以设 计 更 优 秀 、 术 更先 进 、 技 制造 更 精 良的 各 
种 名牌 挖掘 机奉 献 给矿 山行 业 , 进军 国际市 场 , 迎  接 国外 企业 对我们 的挑 战 。  

立 即停机。 故障指示灯声光报警 、 抱闸立即关 

( 接第 6 上 2页) 以减 少 终 结 环 的 累 积误 差 ;) c 比单  向分 布的 偏差 简单 、 方便 。  

差与 角度 边长 的 平方 根成 反 比,对 同样 大小 的角 

度公差 , 角度边长越长越易保证。为此 , 标准给出   的角度极限偏差数值随长度的增大 而减小 ;) c对  精 密 f 、中等 m级 采 用 同一 档次 的极 限偏 差 数  级 值。  

对角度尺寸的极 限偏差数值的解释 :   a采 用标 准 中规 定 的未 注公 差 角度 的 极 限偏  )
差 时 , 角度 按 角度 的 短边 长度 确 定 ; 圆锥 角按  对 对 圆锥素 线长 度 确定 ;) b 由实验证 明 , 度 的加 工误  角


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