4100XPC电铲开斗电气控制系统与故障分析

王泽中

（中煤平朔集团有限公司，山西朔州 036006）

4100XPC 电铲开斗机构由1 个7.354 987 kW的永磁同步电机通过行星齿轮传动装置驱动重型开斗卷筒[1]。开斗机构的主要功能是为了完成电铲勺斗斗门的开闭，实现电铲货料的卸载工作，在电铲正常启动后，开斗电机及滚筒保持铲斗开门绳上的微张力，保持开门绳张紧，而当操作员操作按下开斗按钮，开斗电机上的额外扭矩就会通过该绳索传输到铲斗上的开斗机构，铲斗门就会打开。开斗机构主要有开斗电机及滚筒、开门绳、横拉杆及竖销子组成，开门绳一端与卷筒间采用楔套和绳卡的组合式安全连接方式紧固，另一端通过斗门上的双滑轮系统与斗栓的横拉杆连接，电机上附带有盘式制动装置，不使用时抱闸关闭锁紧电机。

1 变频器电气控制系统

4100XPC 电铲的开斗电气系统采用了西门子变频器进行开斗电机的控制，开斗变频器电气控制原理图如图1。电铲主控制器AC800M 通过PROFIBUS电缆与变频器进行通讯，并交换信息[2]，AC800M 从变频器中读取状态字、故障代码、电机温度、电机电流、母线电压、电机转速、驱动温度，并将控制字、扭矩限制和转速限制写入变频器。当电铲启动后，主控制器发出启动指令给变频器，当变频器发生故障时，主控制器发出1 个30 s 的辅助停机故障。

图1 开斗变频器电气控制原理图

1.1 开斗电机控制方式

开斗变频器得到主控制器AC800M 传输过来的启动信号后，给开斗接触器控制继电器DTCR 线圈提供24 V 直流电，DTCR 2 个常开触点闭合，1 个给变频器反馈信号，表明DTCR 吸合；另1 个常开点串在开斗电机的抱闸控制电路里，负责打开抱闸。DTCR 的常闭触点串在电机的加热器上，电机启动后关闭加热器。

开斗电机的控制方式为恒转矩控制，即转矩要保持恒定，电机转速发生变化，则导致电机转矩变化[3]，增量式正余弦编码器将位置和转速信息通过通讯端口将信号传输到编码器内，然后由编码器反馈回变频器信号，调节开斗变频器频率，保持转矩恒定，实现变频器驱动的闭环控制。

1.2 开斗变频器变频方式

该变频器是电压型变频器，在波峰（电压较高）时，电容器负责储存电场能，在波谷（电压较高）时，电容器将释放电场能来进行补充[4]，从而使直流电压比较平稳。直流电路为一个电压源。需要注意的是，电容与环境温度的关系很大，当温度为30 ℃以下时，可用10 年以上，若温度超过50 ℃，使用寿命为2.5 年。

变频器使用的是“交-直-交”变频方式，就是在在R、S、T 端输入频率固定的三相380 V 交流电，首先经全波整流电路整流成直流电，然后又经逆变电路电路“逆变”成频率和电压任意可调的三相交流电[5]，从U、V、W 端输出，为电动机提供变频电源，在变频器的输入和输出之间，经历了“交流-直流-交流”的过程。开斗变频器变频及制动方式如图2。

图2 开斗变频器变频及制动方式

变频器的电源输入端加装了交流电抗器来抑制输入电流中有高次谐波信号的干扰，并使用金属外壳来屏蔽对其他设备的干扰，因为变频器的输入和输出侧有高次谐波信号，产生的电磁场有可能造成其他设备的干扰。同时对变频器控制线路的屏蔽层良好接地，以防止对本变频器控制信号的干扰。

1.3 开斗电机制动原理

开斗电机抱闸继电器的常开触点在电铲启动后闭合，开斗电机抱闸打开。电机抱闸采用电磁制动电磁铁，得电时松开，断电时抱紧。当电铲启动后，开斗变频器工作输出1 个24 V 直流电压给开斗抱闸继电器，该继电器自带1 个24 V 逆变器，将24 V 电源逆变为120 V 交流电，继电器得到120 V 电源后吸合，抱闸打开。停机后，先通过再生制动将转速降低，再将轴抱紧。该抱闸上有1 个手动抱闸开关，可以手动打开抱闸。

该变频器的制动单元是由4 个80 Ω 的电阻并联而成，为20 Ω。由于变频器在减速的过程中，会导致再生制动情况的出现，从而使电流回流到直流电路，从而使直流电路电压升高，制动单元通过检测直流母线电压来控制1 个功率管的通断。在直流母线电压上升至700 V 左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升。

2 变频器常见故障及解决策略

4100XPC 电铲相比2800XP 电铲使用了变频器、电容、制动电阻等电气元件，维修难度有所增加，但只要详细了解了各个故障原因以及开斗变频器控制原理，也能够快速地解决故障。正常情况下，电铲启动后，开斗变频器输出一定电压值，电机抱闸继电器吸合，抱闸打开，开斗钢丝绳自卷紧绷，开斗系统正常工作。若是不正常的话，开斗钢丝绳不自卷，系统会在触摸屏上报出错误信息，可以根据显示部分的信息代码进行判断，如果故障较小可自行处理，对变频器断电，然后复位即可，如果断电后不能恢复正常，就需要对故障进行分析[6]。

2.1 电容器预充电故障

变频器需要在启动后给电容器充到预设电压值，如果直流母线的线电压在3 s 内没有达到预定值，则会出现预充电故障。检查方法：①检查电容器与变频器的3 条连接电路板，确认连接紧固；②变频器参数设定是否与电容器所匹配，确认参数设定正确；③电容器损坏，导致不能完全充电。

针对该故障的解决策略：更换损坏的电容器以及调整好变频器的参数设定，确保启动后电容能够达到程序设定值。

2.2 直流环节超压

由于直流母线电压过高，超过变频器设定的直流母线阀值电压为819 V，导致变频器出现故障停机。原因有：①开斗制动电阻烧毁：由于再生制动导致直流电路容易过电压，故需要配制动电阻，在变频器直流回路中并联1 个制动电阻，通过检测直流母线电压来控制1 个功率管的通断，在直流母线电压上升至700 V 左右时，功率管导通，将再生能量通入电阻，以热能的形式消耗掉，从而防止直流电压的上升，如果开斗制动电阻烧毁，则会报直流环节超压故障；②电容器或变频器整流环节烧毁，导致不能够正常整流和滤波，导致开斗变频器在工作过程中出现高电压。

针对直流环节超压的解决策略：由于原来的制动电阻散热能力差经常烧毁，故后来使用2 个40 Ω的大电阻进行并联来代替，使用效果良好。如果是变频器故障的话，需要更换变频器。

2.3 过 流

变频器监测的电流值超过设置的限制值，就会报出该故障。原因有：①过负载运行：当开斗机构发生机械故障时例如斗门不好开或者绳子跳槽卡在导向轮外，导致开斗电机过负荷运行，就会发生过流故障；②检查变频器输出电源是否有短路或接地的情况；③检查变频器的问题：主要是参数设置和程序问题或者变频器内部损坏；④电机本身轴犯卡:可以手动打开抱闸，然后盘动电机滚筒，看是否电机传动轴犯卡。

针对过流故障的解决策略：脱开负载，观察变频器是否可以正常启动，如果启动正常，故障就出现在电动机或者传输线路上，如果仍然显示过流，问题句出现在变频器本身的逆转模块或驱动电路中[7]。

2.4 驱动器超温

由于开斗变频器运行温度设定在0～40 ℃的区间，开斗变频器需要进行多次的整流和逆变，电子开关元器件会产生大量的热，应注意变频器的环境温度，尽量通风[8]，如果散热不通顺就会造成开斗变频器超温故障。原因有：①进气和环境温度高；②开斗变频器风扇以及控制柜风扇是否运行；③进风口以及出风口是否有异物堵塞；④检查温度传感器连线是否断裂。

针对该故障的解决策略：进入夏季后要重点检查通风散热情况，防止发生变频器超温故障。另外冬季环境温度低，需要给开斗变频器使用暖风机供暖，保持温度在正常使用区间内，防止低温造成变频器运行不正常，现在平朔露天矿进行了技术改造，自制了一套加热设备，几乎杜绝了温度过低造成的变频器停机。

2.5 电机超温

温度传感器用于检测电机转子绕组上的温度，当开斗电机的温度超出系统设定值时，触摸屏上就会报出该故障，可以通过开斗变频器设定该温度值。原因有：①电机温度传感器坏，检查该传感器的阻值为500 Ω 左右，若偏差过大，则温度传感器坏，更换温度传感器；②检查温度传感器的接线情况，是否有断路、短路或虚接的现象，温度传感器断路的话显示温度为-50 ℃；③检查电机负载情况，是否开斗机构犯卡，造成电机过载运行造成高温；④检查电机通风情况，看电机散热槽是否有油污或尘土堆积，造成电机散热不好；⑤触摸屏上扭矩设定过大，正常情况下设定在3.5 左右，但是如果开斗机构犯卡，人为设定扭矩过大，虽然可以在短时间内解决开斗工作问题，但是长期运行必然会使电机绕组温度升高，如果电机温度信号错误的话，甚至可能烧毁电机。

针对电机超温的解决策略：分清楚是电机过载的原因还是温度传感器的原因，然后再进行相应的处理。

2.6 编码器故障

变频器需要从编码器中读取电机温度、电机转速以及位置信号，当AC800 得不到编码器的上述信息就会报出编码器信号。原因有：①开斗变频器编码器屏蔽线问题：开斗电机编码器线比较细小，有时会发生编码器线从端子排断开的情况；②编码器板问题：编码器损坏或程序丢失，导致发生该问题；③变频器内部参数设置有问题；④开斗电机内部编码器问题：编码器固定在电机传动轴上，编码器损坏后，系统得不到正确的数值，导致出现错误。

针对该故障的解决策略：是要解决开斗变频器与电机编码器之间的信号正确传输，看问题到底出现在哪一部分，再做具体处理。

2.7 开斗电机电路断路器跳闸

开斗电机热过载或断路器跳闸，就会造成30 s 的延时停机。原因有：①开斗电机问题或轴承犯卡，电流过大，造成热过载跳；②电源故障，检查辅助柜开斗接触器三相电压是否平衡，要打开柜门必须把断路器开关打到开的位置；检查断路器互锁电路或过载电路的接线；③IO 模块输出问题，启动电铲后检查辅助柜I/O 模块的120 VAC 输出是否正常，接触器上的线圈电源是否得电。

针对该故障的解决策略：正常情况下维修人员可以复位开斗电路断路器，如果又跳闸，就需要进一步调查分清楚到底是哪部分出现了问题导致断路器跳闸，再做具体处理。

2.8 通讯故障

该变频器使用PROFIBUS 总线通讯方式进行通讯，使用的通讯介质RPOFIBUS 双绞线，该变频器上有3 个LED 指示灯（红、黄、绿）用来显示通讯状态，正常情况下3 个指示灯以同频率闪烁，当指示灯不闪烁或只有2 个指示灯闪烁时，显示有通讯故障。原因有：①AC800M 与开斗变频器连接的PROFIBUS总线插头松动或插头里面接线断开或PROFIBUS 拨码开关拨动错误；②编码器板问题，变频器编码器板出现故障导致通讯异常；③AC800 或变频器程序设定问题，导致AC800 与变频器通讯出现异常。

针对该故障的解决策略：确保AC800 与变频器的程序灌装正确并保证通讯连接正常，方可排除该故障。

3 结语

4100XPC 电铲开斗电机的电气控制系统采用先进的变频系统，调节精度更好，开斗更加柔和，能够有效地延长电铲开斗机构的机械寿命，缺点是一定程度上增加了电气维修的难度，但是只要详细的了解了电铲开斗电机的电气控制系统原理，并结合一定的现场维修经验，也能够迅速的解决相关问题。另外该开斗控制系统已经在国内外其他一些电铲设备上（WK35/WK55 等）推广开来，并得到了良好的经济效益。