P&H4100XPC 电铲直流驱动控制系统故障分析与诊断

苏良碧

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036002）

电铲是千万吨级露天煤矿开采的关键设备，其电气传动系统经历了机组直流传动系统、可控硅直流传动系统、交流变频传动系统3 个阶段，我国早期的WK－10 电铲采用的是机组直流传动系统，美国P＆H 公司的2800XPB、4100XPC 电铲采用的是可控硅直流传动系统，近些年国内外的WK－35、495HR 电铲、4100XPC AC－90 则采用的是交流变频传动系统[1]。关于直流传动与交流传动优劣的争论由来已久，随着电力电子技术器件的飞速发展以及新电机控制算法的不断涌现，交流传动也有取代直流传动的趋势，但在一些对启动特性和调速特性要求较高的场合，直流传动却有着独特的优势。

P＆H 4100XPC 电机驱动控制系统采用了以ABB DCS800 驱动器为核心组成的全数字直流驱动系统，由于直流电机具有启动转矩大，调速范围广，过载能力强等调速性能上独特的优点，所以特别适合露天矿山采掘生产使用。虽然直流电机组成结构复杂、维护保养麻烦，但直流驱动控制系统结构简单、故障率低、故障排查时间短，如果结合日常合适的定期维护、保养和大修工作，系统运行可靠性与稳定性、设备出动效率和平均无故障时间相较于交流驱动控制系统反而要高。

1 电铲电气控制系统

P＆H4100XPC电铲是中煤平朔东露天矿的主要采掘设备，该型号超重型电铲可用于装载坑内超重型载重卡车（间断开采工艺）和破碎传送系统（半连续工艺系统），挖掘高度16.8 m，挖掘半径23.9 m，有效负载99.8～108.9 t，铲斗容量52.8～61.2 m3，采用了传统的双斗杆齿条推压模式，具有生产效率高、作业效率高、操作成本低、故障率低等特点，是适合平朔露天矿区煤炭采掘生产条件的首选机型。

控制系统采用了P＆H 公司自发研制的Centurion 电气控制系统，该系统提供了优异的监控和数据整合功能，控制系统（以AC800 控制器为核心）集成了与电机驱动系统（以DCS800 驱动器为核心）直接通讯的功能，可精确控制电铲各台电机运行，循环周期更短。具有实时多任务能力，实现了最佳的逻辑、算法、监控和控制功能。I／O 模块系统采用Profibus 通信协议，与各种电铲子系统（RPC、驱动、润滑、除尘、MCC）无缝集成。采用低压24 V 直流I／O模块，监测各种传感器信号的实时信号值，判断信号回路的短路与断路状态，便于设备诊断与故障排查。图形用户界面采用直观的图标界面，显示各种采掘过程中的重要信息，包括电铲状态、故障排查信息，以及可选的生产监控数据和操作员反馈信息。

1.1 供电系统

P＆H4100XPC 电铲整个电气系统总共包括8 台直流电机：2 台1 074 kW 行走电机、3 台1 074 kW回转电机、2 台2 354 kW 提升电机、1 台1 074 kW推压电机，通过机械机构将这些电机的旋转运动转换为露天开采所需的直线往复运动和回转运动。电铲的供电电压等级为6 kV，电源通过电缆进入电铲底部的电缆接线箱，经过高压断路开关、集电环、隔离开关到达主变压器与辅助变压器[2]。主变压器将6 kV 电源电压降低为600 V，通过4 套电枢反并联可逆调速系统（右行走/前提升、回转、后提升、推压/左行走）分别为电铲各台电机的电枢提供电源，其中右行走与前提升、左行走与推压电机的电枢回路是互锁的，即电铲在行走的过程中不能同时进行提升/推压作业的，不仅充分利用了驱动整流装置的容量，同时节省了驱动整流装置的数量，避免了电铲供电系统过载。辅助变压器将电源电压降低为365 V、195 V 和120 V，通过3 套整流装置分别为提升、推压／行走、回转电机的磁场提供电源。P＆H4100XPC电铲供电系统图如图1。

图1 P＆H4100XPC 电铲供电系统图

1.2 电机驱动控制系统

直流电动机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励4 种，由于他励直流电动机在运行过程中励磁磁场稳定且容易控制，容易实现再生回馈制动的要求，所以P＆H4100XPC 电铲使用的是他励直流电动机，即电动机电枢和励磁绕组是分离的，分别由电枢电源和励磁电源2 个直流电源进行单独供电。电铲电机所使用的驱动控制模块为ABB 公司生产的DCS800 直流驱动控制器，采用直接转矩控制（DTC）方式，2 套DCS800 直流驱动控制器分别对电机电枢和电机磁场进行单独控制，2 套驱动控制器之间采用DDCS 协议通过光纤进行通讯[3]。ABB DCS800 直流传动驱动控制器可以实现电机的速度控制、转矩控制、电枢电流控制、磁场电流控制和电机电压控制等不同控制功能，同时还可以实现堵转保护、超速保护、电枢过流保护、最小磁场电流保护等保护功能，是一款在生产中应用广泛的直流驱动控制器。DCS800 驱动控制器的硬件结构组成如下：

1）SDCS－COM－4 主控制电路板。该电路板是驱动器的主控制电路板，电路板上除了安装有主控制芯片外，还安装了FlashROM 芯片，储存了系统的固件程序、参数设置和故障记录。主控制电路板上还有1 个内部看门狗，用于监测系统程序的运行，当监测到系统程序运行错误时，会复位和封锁整流桥晶闸管的触发脉冲，同时将数字输出和模拟输出清零。主控板上还包括用于显示传动单元状态的7 段数码管、接线端子、模拟和数字输出I/O。

2）SDCS－COM－8 接口电路板。该电路板用于执行DDCS 串行通讯，共配置了4 组光纤通道。其中，CH0 通道用于与上位机AC800M 进行通讯，CH3 通道用于连接电脑软件。

3）SDCS－POW－4 电源板。该电路板用于产生驱动器所有必须的直流电压，提供电源给SDCS－CON－4 电路板和所有其它电路板。

4）SDCS－DSL－4 DCSLINK 电路板。该电路板主要用于传动与传动之间的通讯，以及12 脉冲运行和与励磁模块进行通讯。

5）PIN61 功率接口电路板。该电路板主要用于对电枢反并联可逆电路中的12 个晶闸管输出触发脉冲，脉冲信号经过隔离、分配、放大后输出到晶闸管的门极与阴极，控制正反转反向并联整流桥12 个晶闸管的导通与关断，从而控制整流桥的输出电压与输出电流。P＆H4100XPC 电铲电机驱动控制系统图如图2。

图2 P＆H4100XPC 电铲电机驱动控制系统图

电铲电机驱动控制系统具体控制流程如下：ABB AC800 控制器作为整个电铲电气控制系统的核心，通过数字I/O 模块接收司机室手柄发出的控制信号，将控制信号通过光纤传输给电枢驱动控制模块和磁场驱动控制模块，驱动控制模块根据控制信号向整流桥发出触发脉冲，通过控制整流桥各个晶闸管导通与关断来控制电流的方向与大小，从而控制电机的转速与转矩；电枢整流电路由2 组晶闸管整流器反并联连接组成，而磁场整流电路由内置于驱动器中的单组晶闸管整流器组成，通过改变电枢电流的方向来改变电机的转向，电枢可逆电路是无触点切换可逆电路，切换速度快，适用于电铲电机启动频繁、快速正反转切换的需求；在额定转速以下，采用调节电枢电压的方式进行调速，表现为恒转矩特性，在额定转速以上，采用减弱电机磁场的方式进行调速，电机表现为恒功率特性[4]；电枢驱动控制模块与磁场驱动控制模块通过光纤进行通讯，同时还接收电流反馈信号、电枢差分信号、分流器门级关断信号和电源同步信号，并对电机抱闸进行控制[5]。

1.3 电枢反并联可逆电路

电枢可逆电路由2 组可逆晶闸管变流器VF、VR 所组成。正向晶闸管变流器VF 为电动机提供正向电枢电流，实现电动机正转。反向晶闸管变流器VR 为电动机提供反向电枢电流，实现电动机反转，电枢反并联可逆电路的2 组晶闸管变流器由同一交流电源供电。电枢反并联可逆电路应用广泛，2 组晶闸管变流器组成的电枢可逆电路是无触点切换可逆电路，切换速度快，适用于要求频繁、快速正反转的可逆调速电路[6]。

电铲在作业时除了要求电机做频繁、快速的正反向可逆工作外，还要求系统具有快速减速或快速停车的功能，最经济有效的办法就是采用发电回馈制动，即让电动机处于发电回馈制动工作状态，将制动期间释放出来的机械能量变换为电能并通过晶闸管装置回送电网，具体实现过程如下：

1）当电动机以转速n1正向稳定运行时，正向组晶闸管VF 工作在整流状态，及系统处于第Ⅰ象限运行，正向组晶闸管VF 的控制角α＜90°，工作在整流状态，电动机处于正转电动状态。输出上正下负的整流电压Udof，电动机处于正转电动运行状态，反电动势E 的极性为上正下负。这时Udof＞E，交流电能通过正向组晶闸管VF 变换为直流电供给电动机，电动机吸收能量，将电能转换成机械动能拖动负载。

2）当电动机从正转n1运行状态快速停车时，通过控制电路使正向组晶闸管VF 不工作，而使反向组晶闸管VR 工作在逆变状态，输出1 个上正下负的逆变电压Udor，此时反电动势E 极性不变仍为上正下负。E＞Udor时，将产生反向电流－Id，使电动机处于发电回馈制动状态，电动机将机械动能变换成电能通过反向晶闸管VR 回馈到电网，从而实现发电回馈制动。此时系统处于第Ⅱ象限运行，反向组晶闸管VR 的控制角α＞90°（即β＜90°），处于逆变状态，电动机仍正转，但电流反向，电动机处于发电回馈制动状态[7]。

电枢反并联可逆电路在正转运行时可利用反向组晶闸管实现发电回馈制动，反转运行时同样可以利用正向组晶闸管实现发电回馈制动，从而实现了电机的四象限运行：正向运行（Ⅰ象限）、正向制动（Ⅱ象限）、反向运行（Ⅲ象限）、反向制动（Ⅳ象限），满足了露天矿山采掘机械的生产需求[8]。电枢反并联可逆调速系统如图3。

图3 电枢反并联可逆调速系统

2 分流器保护电路

当出现电机堵转、晶闸管短路、电缆短路等故障时，整流回路中的电流会急剧上升，损坏系统中的电气元器件，分流器保护电路起到了对电枢回路过流保护与短路保护的功能。分流器保护回路通过电流互感器模块监测电机电枢回路中电流，当电机电枢回路中的电流大于分流器保护模块（DCM）的跳闸电流设置值时，电铲控制系统接收到分流器保护模块发出的跳闸信号，直流驱动器DCS800 停止输出触发脉冲，同时分流器保护模块触发导通保护回路中的晶闸管，使得电路中提前充好电的电容（其电压为值1 300 V 左右）对整流回路进行放电，电容放电的反向电动势使整流电路中的可控硅强行关断。电机电枢回路中的剩余电能则通过制动电阻栅释放掉，电铲按一定顺序自动停机，从而达到了保护电机和整流电路的目的[9]。分流器保护回路如图4。

图4 分流器保护回路

3 常见故障分析及处理方法

1）整流器相序故障。相序故障继电器监测为整流桥供电的三相600VAC 交流电，如果监测到电源相序丢失，系统会瞬时停机。该故障可能产生的原因有：①相位监测继电器供电的保险丝断；②整流桥晶闸管供电的主电枢保险熔断；③整流桥晶闸管短路；④电流反馈信号丢失；⑤桥式整流器反馈故障；⑥DCS800 PIN61 接口电路板触发脉冲错误；⑦脉冲变压器故障；⑧DCS800 AMC－DC 电路板或者CON－2 电路板故障。

2）电机电枢过流故障。电枢过流保护由分流器保护模块及相关保护电路提供，如果电流反馈信号超过分流器模块的跳闸设定值，系统会自动瞬时停机。该故障可能产生的原因有：①由晶闸管误触发导致的过流；②整流桥中的晶闸管或者电流反馈电路中的二极管短路；③dv/dt（微分保护）电路故障；④分流器保护模块（DCM）跳闸设定值设置错误；⑤电机堵转电流设定值设置错误；⑥分流器保护电路中电流互感器故障；⑦分流器保护模块故障；⑧电机负载或者电枢电缆故障。

3）电机电枢过电压故障。当电机在额定转速上运行时，DCS800 电机磁场驱动控制器就会减小电机的磁场，以保持电机磁场电压在最大值保持恒定，这防止了电机电枢出现过电压并确保电机最大可能的磁通量。该故障可能产生的原因有：①参数［P28.22］与系统配置设置不符；②需要重新设置励磁电流实际值参数以及完整的励磁电源参数；③负载拖动电机加速；④电机超速；电枢电压反馈故障；⑤SDCS－CON－2 电路板和SDCS－PIN 电路板之间的连接故障；⑥SDCS－PIN 电路板电压计算编码器故障。

4）接地故障。接地故障监测是通过整流器交流侧的零序电流互感器T1 来实现的，互感器的二次侧与SDCS－IOB－3 板的模拟输入通道AI4 相连接，如果三相电源的零序电流不为0，那么就会检测到接地故障。接地故障将切断主接触器、磁场接触器和风扇接触器的通电信号。该故障处理办法：①断开电源并排查电枢和励磁电路中是否存在零序电压；②安装完成后对整个电气系统进行1 次全面的绝缘测试；③检查零序电流互感器；④更换电流互感器和SDCSIOB－3 电路板。

5）电机超速故障。在DCS800 驱动器处于转矩参考控制模式且负载意外下降的情况下，会使速度反馈值高于驱动器参数［P20.11］设置值，DCS800 驱动器就会触发超速保护，该故障会使系统切断主接触器的通电信号。该故障可能产生的原因有：①速度控制器回路故障；②驱动器速度输出故障；③磁场参数值设置错误；④负载拖动电机加速。

6）电机堵转故障。为了避免电机堵转导致的电机过热，堵转保护会使整流器跳闸。电机堵转故障可能是由于电铲机械系统堵转或者持续性过载所造成的。电机启动后，如果电流值超过了参数［P28.17］的设定值，且持续时间值大于参数［P28.15］的设定值，同时速度反馈值低于参数［P28.16］的设定值，那么系统就会触发堵转保护，该故障会使系统切断主接触器的通电信号。该故障可能产生的原因有：①电机堵转；②电机启动电流值过大；③磁场电流参数设置错误；④电流/转矩限制；⑤参数［P15.08］设置错误。

4 结语

P＆H4100XPC 电铲采用以ABB DCS800 为核心构成数字全直流驱动控制系统，除了具有启动转矩大、调速范围广、过载能力强等直流调速系统的独特优点外，还可实现电铲各台电机频繁、快速的正反向可逆工作，具有快速减速或快速停车的功能，实现了电机系统的四象限运行与回馈制动功能，电铲各部分驱动控制系统通过通信网络整合成为1 个整体系统。实践证明，该类型直流驱动系统满足了电铲露天矿山的生产作业需求，最大程度优化了系统的工作效率。维修人员有必要掌握电铲驱动系统各部分的组成结构、工作原理与系统特点，还需掌握电气故障产生的原理、特点与处理方法，方便深入进行故障分析、诊断与排除，提升电铲的使用率与无故障时间。