P&H4100XPC 電鏟直流驅(qū)動控制系統(tǒng)故障分析與診斷

蘇良碧

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西 朔州 036002）

電鏟是千萬噸級露天煤礦開采的關(guān)鍵設(shè)備，其電氣傳動系統(tǒng)經(jīng)歷了機(jī)組直流傳動系統(tǒng)、可控硅直流傳動系統(tǒng)、交流變頻傳動系統(tǒng)3 個階段，我國早期的WK－10 電鏟采用的是機(jī)組直流傳動系統(tǒng)，美國P＆H 公司的2800XPB、4100XPC 電鏟采用的是可控硅直流傳動系統(tǒng)，近些年國內(nèi)外的WK－35、495HR 電鏟、4100XPC AC－90 則采用的是交流變頻傳動系統(tǒng)[1]。關(guān)于直流傳動與交流傳動優(yōu)劣的爭論由來已久，隨著電力電子技術(shù)器件的飛速發(fā)展以及新電機(jī)控制算法的不斷涌現(xiàn)，交流傳動也有取代直流傳動的趨勢，但在一些對啟動特性和調(diào)速特性要求較高的場合，直流傳動卻有著獨(dú)特的優(yōu)勢。

P＆H 4100XPC 電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)采用了以ABB DCS800 驅(qū)動器為核心組成的全數(shù)字直流驅(qū)動系統(tǒng)，由于直流電機(jī)具有啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍廣，過載能力強(qiáng)等調(diào)速性能上獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以特別適合露天礦山采掘生產(chǎn)使用。雖然直流電機(jī)組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)保養(yǎng)麻煩，但直流驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、故障率低、故障排查時間短，如果結(jié)合日常合適的定期維護(hù)、保養(yǎng)和大修工作，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性、設(shè)備出動效率和平均無故障時間相較于交流驅(qū)動控制系統(tǒng)反而要高。

1 電鏟電氣控制系統(tǒng)

P＆H4100XPC電鏟是中煤平朔東露天礦的主要采掘設(shè)備，該型號超重型電鏟可用于裝載坑內(nèi)超重型載重卡車（間斷開采工藝）和破碎傳送系統(tǒng)（半連續(xù)工藝系統(tǒng)），挖掘高度16.8 m，挖掘半徑23.9 m，有效負(fù)載99.8～108.9 t，鏟斗容量52.8～61.2 m3，采用了傳統(tǒng)的雙斗桿齒條推壓模式，具有生產(chǎn)效率高、作業(yè)效率高、操作成本低、故障率低等特點(diǎn)，是適合平朔露天礦區(qū)煤炭采掘生產(chǎn)條件的首選機(jī)型。

控制系統(tǒng)采用了P＆H 公司自發(fā)研制的Centurion 電氣控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供了優(yōu)異的監(jiān)控和數(shù)據(jù)整合功能，控制系統(tǒng)（以AC800 控制器為核心）集成了與電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)（以DCS800 驅(qū)動器為核心）直接通訊的功能，可精確控制電鏟各臺電機(jī)運(yùn)行，循環(huán)周期更短。具有實(shí)時多任務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)了最佳的邏輯、算法、監(jiān)控和控制功能。I／O 模塊系統(tǒng)采用Profibus 通信協(xié)議，與各種電鏟子系統(tǒng)（RPC、驅(qū)動、潤滑、除塵、MCC）無縫集成。采用低壓24 V 直流I／O模塊，監(jiān)測各種傳感器信號的實(shí)時信號值，判斷信號回路的短路與斷路狀態(tài)，便于設(shè)備診斷與故障排查。圖形用戶界面采用直觀的圖標(biāo)界面，顯示各種采掘過程中的重要信息，包括電鏟狀態(tài)、故障排查信息，以及可選的生產(chǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和操作員反饋信息。

1.1 供電系統(tǒng)

P＆H4100XPC 電鏟整個電氣系統(tǒng)總共包括8 臺直流電機(jī)：2 臺1 074 kW 行走電機(jī)、3 臺1 074 kW回轉(zhuǎn)電機(jī)、2 臺2 354 kW 提升電機(jī)、1 臺1 074 kW推壓電機(jī)，通過機(jī)械機(jī)構(gòu)將這些電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為露天開采所需的直線往復(fù)運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電鏟的供電電壓等級為6 kV，電源通過電纜進(jìn)入電鏟底部的電纜接線箱，經(jīng)過高壓斷路開關(guān)、集電環(huán)、隔離開關(guān)到達(dá)主變壓器與輔助變壓器[2]。主變壓器將6 kV 電源電壓降低為600 V，通過4 套電樞反并聯(lián)可逆調(diào)速系統(tǒng)（右行走/前提升、回轉(zhuǎn)、后提升、推壓/左行走）分別為電鏟各臺電機(jī)的電樞提供電源，其中右行走與前提升、左行走與推壓電機(jī)的電樞回路是互鎖的，即電鏟在行走的過程中不能同時進(jìn)行提升/推壓作業(yè)的，不僅充分利用了驅(qū)動整流裝置的容量，同時節(jié)省了驅(qū)動整流裝置的數(shù)量，避免了電鏟供電系統(tǒng)過載。輔助變壓器將電源電壓降低為365 V、195 V 和120 V，通過3 套整流裝置分別為提升、推壓／行走、回轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場提供電源。P＆H4100XPC電鏟供電系統(tǒng)圖如圖1。

圖1 P＆H4100XPC 電鏟供電系統(tǒng)圖

1.2 電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)

直流電動機(jī)按勵磁方式分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵4 種，由于他勵直流電動機(jī)在運(yùn)行過程中勵磁磁場穩(wěn)定且容易控制，容易實(shí)現(xiàn)再生回饋制動的要求，所以P＆H4100XPC 電鏟使用的是他勵直流電動機(jī)，即電動機(jī)電樞和勵磁繞組是分離的，分別由電樞電源和勵磁電源2 個直流電源進(jìn)行單獨(dú)供電。電鏟電機(jī)所使用的驅(qū)動控制模塊為ABB 公司生產(chǎn)的DCS800 直流驅(qū)動控制器，采用直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式，2 套DCS800 直流驅(qū)動控制器分別對電機(jī)電樞和電機(jī)磁場進(jìn)行單獨(dú)控制，2 套驅(qū)動控制器之間采用DDCS 協(xié)議通過光纖進(jìn)行通訊[3]。ABB DCS800 直流傳動驅(qū)動控制器可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制、轉(zhuǎn)矩控制、電樞電流控制、磁場電流控制和電機(jī)電壓控制等不同控制功能，同時還可以實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)、超速保護(hù)、電樞過流保護(hù)、最小磁場電流保護(hù)等保護(hù)功能，是一款在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的直流驅(qū)動控制器。DCS800 驅(qū)動控制器的硬件結(jié)構(gòu)組成如下：

1）SDCS－COM－4 主控制電路板。該電路板是驅(qū)動器的主控制電路板，電路板上除了安裝有主控制芯片外，還安裝了FlashROM 芯片，儲存了系統(tǒng)的固件程序、參數(shù)設(shè)置和故障記錄。主控制電路板上還有1 個內(nèi)部看門狗，用于監(jiān)測系統(tǒng)程序的運(yùn)行，當(dāng)監(jiān)測到系統(tǒng)程序運(yùn)行錯誤時，會復(fù)位和封鎖整流橋晶閘管的觸發(fā)脈沖，同時將數(shù)字輸出和模擬輸出清零。主控板上還包括用于顯示傳動單元狀態(tài)的7 段數(shù)碼管、接線端子、模擬和數(shù)字輸出I/O。

2）SDCS－COM－8 接口電路板。該電路板用于執(zhí)行DDCS 串行通訊，共配置了4 組光纖通道。其中，CH0 通道用于與上位機(jī)AC800M 進(jìn)行通訊，CH3 通道用于連接電腦軟件。

3）SDCS－POW－4 電源板。該電路板用于產(chǎn)生驅(qū)動器所有必須的直流電壓，提供電源給SDCS－CON－4 電路板和所有其它電路板。

4）SDCS－DSL－4 DCSLINK 電路板。該電路板主要用于傳動與傳動之間的通訊，以及12 脈沖運(yùn)行和與勵磁模塊進(jìn)行通訊。

5）PIN61 功率接口電路板。該電路板主要用于對電樞反并聯(lián)可逆電路中的12 個晶閘管輸出觸發(fā)脈沖，脈沖信號經(jīng)過隔離、分配、放大后輸出到晶閘管的門極與陰極，控制正反轉(zhuǎn)反向并聯(lián)整流橋12 個晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而控制整流橋的輸出電壓與輸出電流。P＆H4100XPC 電鏟電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)圖如圖2。

圖2 P＆H4100XPC 電鏟電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)圖

電鏟電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)具體控制流程如下：ABB AC800 控制器作為整個電鏟電氣控制系統(tǒng)的核心，通過數(shù)字I/O 模塊接收司機(jī)室手柄發(fā)出的控制信號，將控制信號通過光纖傳輸給電樞驅(qū)動控制模塊和磁場驅(qū)動控制模塊，驅(qū)動控制模塊根據(jù)控制信號向整流橋發(fā)出觸發(fā)脈沖，通過控制整流橋各個晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷來控制電流的方向與大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩；電樞整流電路由2 組晶閘管整流器反并聯(lián)連接組成，而磁場整流電路由內(nèi)置于驅(qū)動器中的單組晶閘管整流器組成，通過改變電樞電流的方向來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，電樞可逆電路是無觸點(diǎn)切換可逆電路，切換速度快，適用于電鏟電機(jī)啟動頻繁、快速正反轉(zhuǎn)切換的需求；在額定轉(zhuǎn)速以下，采用調(diào)節(jié)電樞電壓的方式進(jìn)行調(diào)速，表現(xiàn)為恒轉(zhuǎn)矩特性，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用減弱電機(jī)磁場的方式進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)表現(xiàn)為恒功率特性[4]；電樞驅(qū)動控制模塊與磁場驅(qū)動控制模塊通過光纖進(jìn)行通訊，同時還接收電流反饋信號、電樞差分信號、分流器門級關(guān)斷信號和電源同步信號，并對電機(jī)抱閘進(jìn)行控制[5]。

1.3 電樞反并聯(lián)可逆電路

電樞可逆電路由2 組可逆晶閘管變流器VF、VR 所組成。正向晶閘管變流器VF 為電動機(jī)提供正向電樞電流，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)。反向晶閘管變流器VR 為電動機(jī)提供反向電樞電流，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)，電樞反并聯(lián)可逆電路的2 組晶閘管變流器由同一交流電源供電。電樞反并聯(lián)可逆電路應(yīng)用廣泛，2 組晶閘管變流器組成的電樞可逆電路是無觸點(diǎn)切換可逆電路，切換速度快，適用于要求頻繁、快速正反轉(zhuǎn)的可逆調(diào)速電路[6]。

電鏟在作業(yè)時除了要求電機(jī)做頻繁、快速的正反向可逆工作外，還要求系統(tǒng)具有快速減速或快速停車的功能，最經(jīng)濟(jì)有效的辦法就是采用發(fā)電回饋制動，即讓電動機(jī)處于發(fā)電回饋制動工作狀態(tài)，將制動期間釋放出來的機(jī)械能量變換為電能并通過晶閘管裝置回送電網(wǎng)，具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

1）當(dāng)電動機(jī)以轉(zhuǎn)速n1正向穩(wěn)定運(yùn)行時，正向組晶閘管VF 工作在整流狀態(tài)，及系統(tǒng)處于第Ⅰ象限運(yùn)行，正向組晶閘管VF 的控制角α＜90°，工作在整流狀態(tài)，電動機(jī)處于正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)。輸出上正下負(fù)的整流電壓Udof，電動機(jī)處于正轉(zhuǎn)電動運(yùn)行狀態(tài)，反電動勢E 的極性為上正下負(fù)。這時Udof＞E，交流電能通過正向組晶閘管VF 變換為直流電供給電動機(jī)，電動機(jī)吸收能量，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械動能拖動負(fù)載。

2）當(dāng)電動機(jī)從正轉(zhuǎn)n1運(yùn)行狀態(tài)快速停車時，通過控制電路使正向組晶閘管VF 不工作，而使反向組晶閘管VR 工作在逆變狀態(tài)，輸出1 個上正下負(fù)的逆變電壓Udor，此時反電動勢E 極性不變?nèi)詾樯险仑?fù)。E＞Udor時，將產(chǎn)生反向電流－Id，使電動機(jī)處于發(fā)電回饋制動狀態(tài)，電動機(jī)將機(jī)械動能變換成電能通過反向晶閘管VR 回饋到電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電回饋制動。此時系統(tǒng)處于第Ⅱ象限運(yùn)行，反向組晶閘管VR 的控制角α＞90°（即β＜90°），處于逆變狀態(tài)，電動機(jī)仍正轉(zhuǎn)，但電流反向，電動機(jī)處于發(fā)電回饋制動狀態(tài)[7]。

電樞反并聯(lián)可逆電路在正轉(zhuǎn)運(yùn)行時可利用反向組晶閘管實(shí)現(xiàn)發(fā)電回饋制動，反轉(zhuǎn)運(yùn)行時同樣可以利用正向組晶閘管實(shí)現(xiàn)發(fā)電回饋制動，從而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的四象限運(yùn)行：正向運(yùn)行（Ⅰ象限）、正向制動（Ⅱ象限）、反向運(yùn)行（Ⅲ象限）、反向制動（Ⅳ象限），滿足了露天礦山采掘機(jī)械的生產(chǎn)需求[8]。電樞反并聯(lián)可逆調(diào)速系統(tǒng)如圖3。

圖3 電樞反并聯(lián)可逆調(diào)速系統(tǒng)

2 分流器保護(hù)電路

當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)、晶閘管短路、電纜短路等故障時，整流回路中的電流會急劇上升，損壞系統(tǒng)中的電氣元器件，分流器保護(hù)電路起到了對電樞回路過流保護(hù)與短路保護(hù)的功能。分流器保護(hù)回路通過電流互感器模塊監(jiān)測電機(jī)電樞回路中電流，當(dāng)電機(jī)電樞回路中的電流大于分流器保護(hù)模塊（DCM）的跳閘電流設(shè)置值時，電鏟控制系統(tǒng)接收到分流器保護(hù)模塊發(fā)出的跳閘信號，直流驅(qū)動器DCS800 停止輸出觸發(fā)脈沖，同時分流器保護(hù)模塊觸發(fā)導(dǎo)通保護(hù)回路中的晶閘管，使得電路中提前充好電的電容（其電壓為值1 300 V 左右）對整流回路進(jìn)行放電，電容放電的反向電動勢使整流電路中的可控硅強(qiáng)行關(guān)斷。電機(jī)電樞回路中的剩余電能則通過制動電阻柵釋放掉，電鏟按一定順序自動停機(jī)，從而達(dá)到了保護(hù)電機(jī)和整流電路的目的[9]。分流器保護(hù)回路如圖4。

圖4 分流器保護(hù)回路

3 常見故障分析及處理方法

1）整流器相序故障。相序故障繼電器監(jiān)測為整流橋供電的三相600VAC 交流電，如果監(jiān)測到電源相序丟失，系統(tǒng)會瞬時停機(jī)。該故障可能產(chǎn)生的原因有：①相位監(jiān)測繼電器供電的保險(xiǎn)絲斷；②整流橋晶閘管供電的主電樞保險(xiǎn)熔斷；③整流橋晶閘管短路；④電流反饋信號丟失；⑤橋式整流器反饋故障；⑥D(zhuǎn)CS800 PIN61 接口電路板觸發(fā)脈沖錯誤；⑦脈沖變壓器故障；⑧DCS800 AMC－DC 電路板或者CON－2 電路板故障。

2）電機(jī)電樞過流故障。電樞過流保護(hù)由分流器保護(hù)模塊及相關(guān)保護(hù)電路提供，如果電流反饋信號超過分流器模塊的跳閘設(shè)定值，系統(tǒng)會自動瞬時停機(jī)。該故障可能產(chǎn)生的原因有：①由晶閘管誤觸發(fā)導(dǎo)致的過流；②整流橋中的晶閘管或者電流反饋電路中的二極管短路；③dv/dt（微分保護(hù)）電路故障；④分流器保護(hù)模塊（DCM）跳閘設(shè)定值設(shè)置錯誤；⑤電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流設(shè)定值設(shè)置錯誤；⑥分流器保護(hù)電路中電流互感器故障；⑦分流器保護(hù)模塊故障；⑧電機(jī)負(fù)載或者電樞電纜故障。

3）電機(jī)電樞過電壓故障。當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時，DCS800 電機(jī)磁場驅(qū)動控制器就會減小電機(jī)的磁場，以保持電機(jī)磁場電壓在最大值保持恒定，這防止了電機(jī)電樞出現(xiàn)過電壓并確保電機(jī)最大可能的磁通量。該故障可能產(chǎn)生的原因有：①參數(shù)［P28.22］與系統(tǒng)配置設(shè)置不符；②需要重新設(shè)置勵磁電流實(shí)際值參數(shù)以及完整的勵磁電源參數(shù)；③負(fù)載拖動電機(jī)加速；④電機(jī)超速；電樞電壓反饋故障；⑤SDCS－CON－2 電路板和SDCS－PIN 電路板之間的連接故障；⑥SDCS－PIN 電路板電壓計(jì)算編碼器故障。

4）接地故障。接地故障監(jiān)測是通過整流器交流側(cè)的零序電流互感器T1 來實(shí)現(xiàn)的，互感器的二次側(cè)與SDCS－IOB－3 板的模擬輸入通道AI4 相連接，如果三相電源的零序電流不為0，那么就會檢測到接地故障。接地故障將切斷主接觸器、磁場接觸器和風(fēng)扇接觸器的通電信號。該故障處理辦法：①斷開電源并排查電樞和勵磁電路中是否存在零序電壓；②安裝完成后對整個電氣系統(tǒng)進(jìn)行1 次全面的絕緣測試；③檢查零序電流互感器；④更換電流互感器和SDCSIOB－3 電路板。

5）電機(jī)超速故障。在DCS800 驅(qū)動器處于轉(zhuǎn)矩參考控制模式且負(fù)載意外下降的情況下，會使速度反饋值高于驅(qū)動器參數(shù)［P20.11］設(shè)置值，DCS800 驅(qū)動器就會觸發(fā)超速保護(hù)，該故障會使系統(tǒng)切斷主接觸器的通電信號。該故障可能產(chǎn)生的原因有：①速度控制器回路故障；②驅(qū)動器速度輸出故障；③磁場參數(shù)值設(shè)置錯誤；④負(fù)載拖動電機(jī)加速。

6）電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障。為了避免電機(jī)堵轉(zhuǎn)導(dǎo)致的電機(jī)過熱，堵轉(zhuǎn)保護(hù)會使整流器跳閘。電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障可能是由于電鏟機(jī)械系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)或者持續(xù)性過載所造成的。電機(jī)啟動后，如果電流值超過了參數(shù)［P28.17］的設(shè)定值，且持續(xù)時間值大于參數(shù)［P28.15］的設(shè)定值，同時速度反饋值低于參數(shù)［P28.16］的設(shè)定值，那么系統(tǒng)就會觸發(fā)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，該故障會使系統(tǒng)切斷主接觸器的通電信號。該故障可能產(chǎn)生的原因有：①電機(jī)堵轉(zhuǎn)；②電機(jī)啟動電流值過大；③磁場電流參數(shù)設(shè)置錯誤；④電流/轉(zhuǎn)矩限制；⑤參數(shù)［P15.08］設(shè)置錯誤。

4 結(jié)語

P＆H4100XPC 電鏟采用以ABB DCS800 為核心構(gòu)成數(shù)字全直流驅(qū)動控制系統(tǒng)，除了具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、過載能力強(qiáng)等直流調(diào)速系統(tǒng)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)外，還可實(shí)現(xiàn)電鏟各臺電機(jī)頻繁、快速的正反向可逆工作，具有快速減速或快速停車的功能，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行與回饋制動功能，電鏟各部分驅(qū)動控制系統(tǒng)通過通信網(wǎng)絡(luò)整合成為1 個整體系統(tǒng)。實(shí)踐證明，該類型直流驅(qū)動系統(tǒng)滿足了電鏟露天礦山的生產(chǎn)作業(yè)需求，最大程度優(yōu)化了系統(tǒng)的工作效率。維修人員有必要掌握電鏟驅(qū)動系統(tǒng)各部分的組成結(jié)構(gòu)、工作原理與系統(tǒng)特點(diǎn)，還需掌握電氣故障產(chǎn)生的原理、特點(diǎn)與處理方法，方便深入進(jìn)行故障分析、診斷與排除，提升電鏟的使用率與無故障時間。