4100XPC電鏟開斗電氣控制系統與故障分析

王澤中

（中煤平朔集團有限公司，山西朔州 036006）

4100XPC 電鏟開斗機構由1 個7.354 987 kW的永磁同步電機通過行星齒輪傳動裝置驅動重型開斗卷筒[1]。開斗機構的主要功能是為了完成電鏟勺斗斗門的開閉，實現電鏟貨料的卸載工作，在電鏟正常啟動后，開斗電機及滾筒保持鏟斗開門繩上的微張力，保持開門繩張緊，而當操作員操作按下開斗按鈕，開斗電機上的額外扭矩就會通過該繩索傳輸到鏟斗上的開斗機構，鏟斗門就會打開。開斗機構主要有開斗電機及滾筒、開門繩、橫拉桿及豎銷子組成，開門繩一端與卷筒間采用楔套和繩卡的組合式安全連接方式緊固，另一端通過斗門上的雙滑輪系統與斗栓的橫拉桿連接，電機上附帶有盤式制動裝置，不使用時抱閘關閉鎖緊電機。

1 變頻器電氣控制系統

4100XPC 電鏟的開斗電氣系統采用了西門子變頻器進行開斗電機的控制，開斗變頻器電氣控制原理圖如圖1。電鏟主控制器AC800M 通過PROFIBUS電纜與變頻器進行通訊，并交換信息[2]，AC800M 從變頻器中讀取狀態字、故障代碼、電機溫度、電機電流、母線電壓、電機轉速、驅動溫度，并將控制字、扭矩限制和轉速限制寫入變頻器。當電鏟啟動后，主控制器發出啟動指令給變頻器，當變頻器發生故障時，主控制器發出1 個30 s 的輔助停機故障。

圖1 開斗變頻器電氣控制原理圖

1.1 開斗電機控制方式

開斗變頻器得到主控制器AC800M 傳輸過來的啟動信號后，給開斗接觸器控制繼電器DTCR 線圈提供24 V 直流電，DTCR 2 個常開觸點閉合，1 個給變頻器反饋信號，表明DTCR 吸合；另1 個常開點串在開斗電機的抱閘控制電路里，負責打開抱閘。DTCR 的常閉觸點串在電機的加熱器上，電機啟動后關閉加熱器。

開斗電機的控制方式為恒轉矩控制，即轉矩要保持恒定，電機轉速發生變化，則導致電機轉矩變化[3]，增量式正余弦編碼器將位置和轉速信息通過通訊端口將信號傳輸到編碼器內，然后由編碼器反饋回變頻器信號，調節開斗變頻器頻率，保持轉矩恒定，實現變頻器驅動的閉環控制。

1.2 開斗變頻器變頻方式

該變頻器是電壓型變頻器，在波峰（電壓較高）時，電容器負責儲存電場能，在波谷（電壓較高）時，電容器將釋放電場能來進行補充[4]，從而使直流電壓比較平穩。直流電路為一個電壓源。需要注意的是，電容與環境溫度的關系很大，當溫度為30 ℃以下時，可用10 年以上，若溫度超過50 ℃，使用壽命為2.5 年。

變頻器使用的是“交-直-交”變頻方式，就是在在R、S、T 端輸入頻率固定的三相380 V 交流電，首先經全波整流電路整流成直流電，然后又經逆變電路電路“逆變”成頻率和電壓任意可調的三相交流電[5]，從U、V、W 端輸出，為電動機提供變頻電源，在變頻器的輸入和輸出之間，經歷了“交流-直流-交流”的過程。開斗變頻器變頻及制動方式如圖2。

圖2 開斗變頻器變頻及制動方式

變頻器的電源輸入端加裝了交流電抗器來抑制輸入電流中有高次諧波信號的干擾，并使用金屬外殼來屏蔽對其他設備的干擾，因為變頻器的輸入和輸出側有高次諧波信號，產生的電磁場有可能造成其他設備的干擾。同時對變頻器控制線路的屏蔽層良好接地，以防止對本變頻器控制信號的干擾。

1.3 開斗電機制動原理

開斗電機抱閘繼電器的常開觸點在電鏟啟動后閉合，開斗電機抱閘打開。電機抱閘采用電磁制動電磁鐵，得電時松開，斷電時抱緊。當電鏟啟動后，開斗變頻器工作輸出1 個24 V 直流電壓給開斗抱閘繼電器，該繼電器自帶1 個24 V 逆變器，將24 V 電源逆變為120 V 交流電，繼電器得到120 V 電源后吸合，抱閘打開。停機后，先通過再生制動將轉速降低，再將軸抱緊。該抱閘上有1 個手動抱閘開關，可以手動打開抱閘。

該變頻器的制動單元是由4 個80 Ω 的電阻并聯而成，為20 Ω。由于變頻器在減速的過程中，會導致再生制動情況的出現，從而使電流回流到直流電路，從而使直流電路電壓升高，制動單元通過檢測直流母線電壓來控制1 個功率管的通斷。在直流母線電壓上升至700 V 左右時，功率管導通，將再生能量通入電阻，以熱能的形式消耗掉，從而防止直流電壓的上升。

2 變頻器常見故障及解決策略

4100XPC 電鏟相比2800XP 電鏟使用了變頻器、電容、制動電阻等電氣元件，維修難度有所增加，但只要詳細了解了各個故障原因以及開斗變頻器控制原理，也能夠快速地解決故障。正常情況下，電鏟啟動后，開斗變頻器輸出一定電壓值，電機抱閘繼電器吸合，抱閘打開，開斗鋼絲繩自卷緊繃，開斗系統正常工作。若是不正常的話，開斗鋼絲繩不自卷，系統會在觸摸屏上報出錯誤信息，可以根據顯示部分的信息代碼進行判斷，如果故障較小可自行處理，對變頻器斷電，然后復位即可，如果斷電后不能恢復正常，就需要對故障進行分析[6]。

2.1 電容器預充電故障

變頻器需要在啟動后給電容器充到預設電壓值，如果直流母線的線電壓在3 s 內沒有達到預定值，則會出現預充電故障。檢查方法：①檢查電容器與變頻器的3 條連接電路板，確認連接緊固；②變頻器參數設定是否與電容器所匹配，確認參數設定正確；③電容器損壞，導致不能完全充電。

針對該故障的解決策略：更換損壞的電容器以及調整好變頻器的參數設定，確保啟動后電容能夠達到程序設定值。

2.2 直流環節超壓

由于直流母線電壓過高，超過變頻器設定的直流母線閥值電壓為819 V，導致變頻器出現故障停機。原因有：①開斗制動電阻燒毀：由于再生制動導致直流電路容易過電壓，故需要配制動電阻，在變頻器直流回路中并聯1 個制動電阻，通過檢測直流母線電壓來控制1 個功率管的通斷，在直流母線電壓上升至700 V 左右時，功率管導通，將再生能量通入電阻，以熱能的形式消耗掉，從而防止直流電壓的上升，如果開斗制動電阻燒毀，則會報直流環節超壓故障；②電容器或變頻器整流環節燒毀，導致不能夠正常整流和濾波，導致開斗變頻器在工作過程中出現高電壓。

針對直流環節超壓的解決策略：由于原來的制動電阻散熱能力差經常燒毀，故后來使用2 個40 Ω的大電阻進行并聯來代替，使用效果良好。如果是變頻器故障的話，需要更換變頻器。

2.3 過 流

變頻器監測的電流值超過設置的限制值，就會報出該故障。原因有：①過負載運行：當開斗機構發生機械故障時例如斗門不好開或者繩子跳槽卡在導向輪外，導致開斗電機過負荷運行，就會發生過流故障；②檢查變頻器輸出電源是否有短路或接地的情況；③檢查變頻器的問題：主要是參數設置和程序問題或者變頻器內部損壞；④電機本身軸犯卡:可以手動打開抱閘，然后盤動電機滾筒，看是否電機傳動軸犯卡。

針對過流故障的解決策略：脫開負載，觀察變頻器是否可以正常啟動，如果啟動正常，故障就出現在電動機或者傳輸線路上，如果仍然顯示過流，問題句出現在變頻器本身的逆轉模塊或驅動電路中[7]。

2.4 驅動器超溫

由于開斗變頻器運行溫度設定在0～40 ℃的區間，開斗變頻器需要進行多次的整流和逆變，電子開關元器件會產生大量的熱，應注意變頻器的環境溫度，盡量通風[8]，如果散熱不通順就會造成開斗變頻器超溫故障。原因有：①進氣和環境溫度高；②開斗變頻器風扇以及控制柜風扇是否運行；③進風口以及出風口是否有異物堵塞；④檢查溫度傳感器連線是否斷裂。

針對該故障的解決策略：進入夏季后要重點檢查通風散熱情況，防止發生變頻器超溫故障。另外冬季環境溫度低，需要給開斗變頻器使用暖風機供暖，保持溫度在正常使用區間內，防止低溫造成變頻器運行不正常，現在平朔露天礦進行了技術改造，自制了一套加熱設備，幾乎杜絕了溫度過低造成的變頻器停機。

2.5 電機超溫

溫度傳感器用于檢測電機轉子繞組上的溫度，當開斗電機的溫度超出系統設定值時，觸摸屏上就會報出該故障，可以通過開斗變頻器設定該溫度值。原因有：①電機溫度傳感器壞，檢查該傳感器的阻值為500 Ω 左右，若偏差過大，則溫度傳感器壞，更換溫度傳感器；②檢查溫度傳感器的接線情況，是否有斷路、短路或虛接的現象，溫度傳感器斷路的話顯示溫度為-50 ℃；③檢查電機負載情況，是否開斗機構犯卡，造成電機過載運行造成高溫；④檢查電機通風情況，看電機散熱槽是否有油污或塵土堆積，造成電機散熱不好；⑤觸摸屏上扭矩設定過大，正常情況下設定在3.5 左右，但是如果開斗機構犯卡，人為設定扭矩過大，雖然可以在短時間內解決開斗工作問題，但是長期運行必然會使電機繞組溫度升高，如果電機溫度信號錯誤的話，甚至可能燒毀電機。

針對電機超溫的解決策略：分清楚是電機過載的原因還是溫度傳感器的原因，然后再進行相應的處理。

2.6 編碼器故障

變頻器需要從編碼器中讀取電機溫度、電機轉速以及位置信號，當AC800 得不到編碼器的上述信息就會報出編碼器信號。原因有：①開斗變頻器編碼器屏蔽線問題：開斗電機編碼器線比較細小，有時會發生編碼器線從端子排斷開的情況；②編碼器板問題：編碼器損壞或程序丟失，導致發生該問題；③變頻器內部參數設置有問題；④開斗電機內部編碼器問題：編碼器固定在電機傳動軸上，編碼器損壞后，系統得不到正確的數值，導致出現錯誤。

針對該故障的解決策略：是要解決開斗變頻器與電機編碼器之間的信號正確傳輸，看問題到底出現在哪一部分，再做具體處理。

2.7 開斗電機電路斷路器跳閘

開斗電機熱過載或斷路器跳閘，就會造成30 s 的延時停機。原因有：①開斗電機問題或軸承犯卡，電流過大，造成熱過載跳；②電源故障，檢查輔助柜開斗接觸器三相電壓是否平衡，要打開柜門必須把斷路器開關打到開的位置；檢查斷路器互鎖電路或過載電路的接線；③IO 模塊輸出問題，啟動電鏟后檢查輔助柜I/O 模塊的120 VAC 輸出是否正常，接觸器上的線圈電源是否得電。

針對該故障的解決策略：正常情況下維修人員可以復位開斗電路斷路器，如果又跳閘，就需要進一步調查分清楚到底是哪部分出現了問題導致斷路器跳閘，再做具體處理。

2.8 通訊故障

該變頻器使用PROFIBUS 總線通訊方式進行通訊，使用的通訊介質RPOFIBUS 雙絞線，該變頻器上有3 個LED 指示燈（紅、黃、綠）用來顯示通訊狀態，正常情況下3 個指示燈以同頻率閃爍，當指示燈不閃爍或只有2 個指示燈閃爍時，顯示有通訊故障。原因有：①AC800M 與開斗變頻器連接的PROFIBUS總線插頭松動或插頭里面接線斷開或PROFIBUS 撥碼開關撥動錯誤；②編碼器板問題，變頻器編碼器板出現故障導致通訊異常；③AC800 或變頻器程序設定問題，導致AC800 與變頻器通訊出現異常。

針對該故障的解決策略：確保AC800 與變頻器的程序灌裝正確并保證通訊連接正常，方可排除該故障。

3 結語

4100XPC 電鏟開斗電機的電氣控制系統采用先進的變頻系統，調節精度更好，開斗更加柔和，能夠有效地延長電鏟開斗機構的機械壽命，缺點是一定程度上增加了電氣維修的難度，但是只要詳細的了解了電鏟開斗電機的電氣控制系統原理，并結合一定的現場維修經驗，也能夠迅速的解決相關問題。另外該開斗控制系統已經在國內外其他一些電鏟設備上（WK35/WK55 等）推廣開來，并得到了良好的經濟效益。