395BI电铲电气驱动系统改造

苏良碧

（平朔煤炭工业公司井工设备维修中心，山西朔州036006）

395BI电铲电气驱动系统改造

苏良碧

（平朔煤炭工业公司井工设备维修中心，山西朔州036006）

介绍了395BI电铲原有电气驱动系统给设备维修和配件供应造成的困难，分析了原有电铲电气驱动系统、驱动控制系统SINADYN-D和功率元器件GTO的工作原理和缺点。提出了使用西门子新一代驱动控制系统SIBAS32和新型功率元器件IGBT，结合S7400 PLC和SIMOREG直流母线调节器对原有电气驱动系统进行升级改造的方法。

395BI电铲；SINADYN-D；GTO；SIBAS32；IGBT；S7400 PLC；SIMOREG

0 引言

395BI型电铲为美国BE公司（现为卡特彼勒公司收购）在20世纪80年代设计生产的一种32 m3单斗矿用挖掘机，该型号电铲率先采用了交流驱动控制系统，在当时具有划时代意义。其采用的是西门子公司早期的交流变频调速控制系SIMADYND，整流系统采用晶闸管作为功率原件，而逆变部分采用GTO（Gate Turn-Off Thyristor，可关断晶闸管）作为功率原件[1]。20世纪90年代平朔公司引入了3台395BI型电铲，已使用了将近20余年，随着服役年限的增加，其电气驱动系统的故障率长期居高不下，严重影响了设备的正常运行，面临的主要难题有：

1）随着功率原件GTO的老化，造成了逆变部分阻值不匹配，从而经常引发系统过流故障，频繁烧毁逆变器保险、续流二极管、缓冲二极管、GTO等电气原件[2]。

2）电气驱动控制系统的电气配件早已停产，配件只能从厂家订单生产，存在着配件价格高、供货周期长、维修难度大的问题。维修成本随着使用年限的增加不断提高，而系统的可靠性却在不断的降低。

针对以上问题，平朔集团公司对395BI电铲电气驱动系统进行了升级改造，将逆变部分GTO升级为IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），使用SIBAS驱动控制系统取代原有SINADYN-D驱动控制系统。

1 原有电气驱动系统分析

1.1 电气驱动系统概述

395BI电铲原有电控系统主要由AB公司生产的PLC控制系统和西门子公司生产的SINADYN-D驱动控制系统所组成。电气驱动系统采用交流变频调速传动系统，电铲电气系统如图1所示，主变压器将6 kV交流电源转变为770 V交流电和990 V交流电通过系统的整流再生部分，整流再生部分由2组可控硅全控桥反向并联所组成，整流器将交流电变为直流电，经滤波后送入公共直流母线[3]。

图1 395BI电铲电气系统

逆变部分采用GTO作为功率原件组成PWM脉宽调制逆变器，逆变部分由4套逆变器所组成，其中两套逆变器并联来驱动行走电机和提升电机，通过提升/行走切换接触器来实现提升电机和行走电机的供电转换，剩余两套逆变器分别负责驱动推压电机和2台回转电机。

电铲进行挖掘作业时，驱动控制系统根据PLC发出的控制信号使逆变器不断的改变输出频率来调节电机的转速，直流母线电容通过不断的充放电来调节直流母线电压。当某工作机构处于再生制动状态时，该部分逆变器将再生制动所产生的能量回馈到公共直流母线上，这部分能量可供其它工作机构使用，从而使电能得到了充分的利用，剩余的制动能量则通过制动电阻消耗掉[4]。

1.2 SINADYN-D驱动控制系统分析

SINADYN-D驱动控制系统由德国西门子公司在20世纪80年代末研发的全数字控制系统，该系统广泛应用于电气传动、电力控制及过程控制系统。可用于实现快速闭环控制和逻辑运算、开环控制和状态监视、以及信号处理和数据通讯等功能，主要应用于动态性能和控制精度要求高的场合[5]。

提升/行走系统的SIMADYN-D驱动控制系统如图2所示，各部分的功能分别为：PM16处理器模块负责整个系统控制功能的实现以及数据运算；MM21缓冲存储器模块支持各处理器通过内部总线进行数据传输，是系统各个处理器的通用数据存储器；通讯板CS6用于SIMADYN-D与其他设备和系统的通讯，以及多个SINADYN-D系统之间的通讯；逆变器控制系统ICS主要实现系统闭环控制与顺序控制功能，控制脉冲分配器IPD发出触发脉冲；输入输出模块IST主要负责采集逆变器的电压信号、电流信号和电机转速信号；操作面板OP用于实现系统参数的设置和数据的读取；脉冲分配器IPD用于控制门级驱动单元GDU，从而按照一定顺序触发GTO。

图2 SINADYN-D驱动控制系统

1.3 GTO驱动电路分析

GTO的驱动电路如图3所示，门级驱动单元GDU将主电源模块MPS的50 V、50 kHz交流电源转换为+15 V和-15 V的直流电源，GDU同时接收逆变器脉冲分配单元IPD的控制信号，通过在GTO门级上施加正负电压来控制GTO的导通和关断。

图3 GTO驱动电路图

GTO在导通和关断的过程中，需要为门级提供一个很高的脉冲电流，该电流超过一定时间，便会对电气控制系统造成一定的损害。同时GTO的导通关断电流大，因而系统对GTO的阻值要求比较严格，系统经常出现因GTO阻值不匹配而产生的过流的情况[6]。

2 改造后电气驱动系统分析

2.1 电气驱动控制系统概述

改造后的整个电气驱动控制系统主要由5部分组成：SIMOREG CM 6RA70、S7400 PLC分布式控制系统、工业计算机PC、SIBAS驱动控制系统，电气驱动控制原理如图4所示。

图4 电气驱动控制原理

1）Siemens SIMOREG CM 6RA70：用于控制整流系统各个晶闸管的导通，即负责调节整个电气驱动系统公共直流母线的电压和电流。

2）Siemens S7400 PLC：SIMATIC S7-400是用于中、高档性能范围的可编程序控制器，具有极高的处理速度、强大的通讯性能和卓越的CPU资源裕量等特点。S7400 PLC是整个驱动控制系统的主控制器，主要接收外部控制信号和电气系统各部分的状态信号，根据内部的控制逻辑向SIMOREG、SIBAS和其它电气系统发出控制命令。硬件结构主要由24V电源模块、CPU模块、网络通讯模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块所构成。

模拟量输入模块用于检测SIBAS驱动控制系统中各个电机的速度值与力矩值、所处的工作模式（挖掘或者行走）、各个动作是否处于再生整流模式。

数字量输出模块用于向SIBAS驱动控制系统发出工作模式指令、动作启动/停止命令、抱闸设置命令、硬件复位指令、故障触发指令、SIMOREG急停指令、系统状态等其他的一些指令。

数字量输入模块主要用于监测各个系统的风机、电源、温度、工作状态是否正常，同时监测SIBAS驱动控制系统的故障信号、工作状态信号、抱闸设置信号，电铲电气系统的接地故障信号、保险监测信号、各个电机的温度信号和其他的一些状态信号，以及驾驶室操作手柄的控制信号。

3）工业计算机PC：也被称为诊断计算机、维修站，安装有SIMATIC WinCC组态软件、SiBAS 32 Monitor软件、STEP 7编程软件和其他的一些数据传输与通讯软件。维修人员可通过显示屏观测电铲工作状态、系统参数、实时数据、故障历史纪录等信息，使用SiBAS 32 Monitor软件可观测SiBAS驱动系统各个参数信号，使用STEP 7编程软件可观测S7 400 PLC各个变量的状态及逻辑控制顺序，这都极大的方便了维修人员排查电气故障。

4）SIBAS驱动控制系统：SIBAS是一种高级的微机控制系统，它的全称为“SIEMENS BAHN AUTOMATISIERUNGS SYSTEM（西门子32位微处理器铁路自动控制系统）”，最初是西门子公司为铁路机车研发的控制系统，其最大的优点是适用于各种电力机车的控制，无论是相控整流机车、斩波机车。在其硬件结构基本不变的情况下，通过改变相应的控制程序实现了对交流驱动电铲的控制[7]。

2.2 SIBAS驱动系统分析

SIBAS驱动控制系统是一种多处理器协同工作的控制系统，SIBAS驱动控制系统如图5所示，其硬件结构主要由以下几部分组成：

图5 SIBAS驱动控制系统结构

1）电源启动单元：为整个驱动控制系统的所有电源模块提供供电电源，具有欠压监视功能，电压不正常则停止输出电源。

2）中央处理器ZR：主要与各从站处理器（SIP）进行数据通讯，发送各种控制指令，实现电铲各驱动系统的速度控制和总驱动逻辑控制。

3）数字信号处理器SIP：是一个高速数据处理单元，作为从站处理器，主要负责推压、提升、行走、回转各逆变单元的电流环控制。

4）二进制输入模块ICBP：用于接收二进制输入信号，主要接收S7400PLC发出的模式切换、硬件复位、电源下降、抱闸设置信号、驱动启动信号，以及驱动电源接触器K05、停止按钮继电器K06、急停开关继电器K07的状态信号。

5）二进制输出接触器模块BOCD：用于发出二进制输出信号，通过直接或者驱动继电器的方式向S7400PLC发出设置机械抱闸、驱动开启、驱动故障、斩波器故障、最小励磁、SIBAS正常等状态信号。

6）模拟量输入/输出模块IOA：用于接收来自驾驶室手柄10 V参考电压信号和各电机数字测速信号。

7）输入电压/频率模块IVF：用于接收各逆变器的直流母线电压和三相电流信号、斩波器电流信号、SIMOREG急停信号、保险监测信号，同时向信号测试箱提供测试信号。

8）PT100温度输入模块ITSP：主要用于检测各IGBT模块的温度。

9）输出脉冲放大器模块OPA：用于向IGBT模块提供40 mA的触发脉冲信号，同时接收从IGBT模块返回的触发确认信号。

10）输出测量放大器模块OMES：主要用于向信号测试箱提供测试信号。

11）逆变器监控模块UWS：用来监控各逆变器的相关参数，提供过压和过流保护，从而消除逆变器的过负荷状态[8]。

SIBAS驱动控制系统采用了矢量控制模式，使电机在静态和动态下得到了精确的控制转矩。所采用的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制）优化脉宽调制法大大减小了谐波电流和峰值电流，减小了电机的附加损耗，提高了逆变器的利用率，降低了逆变器和电机中的噪声。通过采用SPWM优化脉宽调制法和矢量控制，提高了电机的转矩特性和逆变器的利用率，降低了电机的损耗，从而使逆变系统达到了最佳状态。

2.3 IGBT驱动电路分析

逆变单元由6个IGBT所组成，直流母线中的直流电被IGBT逆变器转换为幅值相同而宽度按正弦规律变化的脉冲，代替正弦波电流来驱动异步交流电动机，西门子变频器逆变电路通常采用SPWM调制法，IGBT模块原理如图6所示。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）是一种是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

图6 IGBT模块原理

3 结语

在395BI电铲电气驱动系统改造升级后，由于采用了全新的SIBAS驱动控制系统和SIMATIC S7-400控制系统，控制算法得到了全面的提升，硬件接线复杂程度降低，提高了系统的可靠性与稳定性，缩短了故障排查时间。诊断计算机直观的显示了电铲运行状态、系统的状态参数和故障信息等，方便了维修人员进行故障排查。IGBT具有驱动功率小、开关速度快、饱和压降低、容量大等优点，替代GTO作为逆变器功率元器件后，系统很少发生过流故障。通过本次改造与升级，395BI电铲生产效率明显得到了提升，而故障率相应得到了下降，缩短了维修时间，降低了维修难度，减少了维修成本，解决了配件供货周期长、价格高、难度大的问题，具有较高的推广价值与意义。

［1］于德君.变频调速技术在395BI电铲上的应用［J］.中国城市经济，2011（18）：192.

［2］闫志军.395BI电铲驱动功率系统(GTO&IGBT)升级意义的分析［J］.内蒙古科技济，2009，4（7）：185-188.

［3］徐志平.395B电铲直流母线过压或欠压故障分析［J］.露天采矿技术，2016，31（9）：69-71.

［4］于德君.变频调速技术在矿用大功率电铲中的应用与发展［J］.科技创新与应用，2012（5）：29-30.

［5］戴鹏，姜建国.SIMADYND数控系统在煤矿中的应用［J］.煤矿设计，1997（5）：28-31.

［6］卢云峰.395BI电铲驱动GTO升级IGBT后频繁烧IGBT故障的分析［J］.煤炭科技，2009（6）：22-23.

［7］张华明.西门子SIBAS 32自动控制系统在495HD型电铲上的应用研究［J］.神华科技，2009（12）：74-76.

［8］杨进京.SIBAS在495HR电动挖掘机中的应用［J］.矿山机械，2008（10）：57-61.

【责任编辑：陈毓】

Improvement of 395BI electric shovel electrical drive system

SU Liangbi
(Underground Equipment Maintenance Center,Pingshuo Coal Industry Company,Shuozhou 036006,China)

This article introduces the equipment maintenance and spare parts supply difficulties of 395BI electric shovel original electrical drive system,and analyses the principle and disadvantage of the original electrical drive system,the SINADYN-D drive control system and the power components GTO.The author presents a new method to upgrade the original electric drive system by using SIEMENS's new generation of driving control system SIBAS32 and a new power component IGBT,combining with S7400 PLC and SIMOREG DC bus regulator.

395BI electric shovel;SINADYN-D;GTO;SIBAS32;IGBT;S7400 PLC;SIMOREG

TD422.2+1

B

1671-9816（2017）05-0061-05

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.05.017

苏良碧.395BI电铲电气驱动系统改造［J］.露天采矿技术，2017，32（5）：61-64.

2017-03-05

苏良碧（1985—），山西朔州人，工程师，硕士，毕业于内蒙古大学控制工程专业，现从事煤矿机械机电系统维修与升级改造工作。