王澤中

（中煤平朔集團(tuán)有限公司，山西朔州 036006）

4100XPC 電鏟開斗機(jī)構(gòu)由1 個(gè)7.354 987 kW的永磁同步電機(jī)通過(guò)行星齒輪傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)重型開斗卷筒[1]。開斗機(jī)構(gòu)的主要功能是為了完成電鏟勺斗斗門的開閉，實(shí)現(xiàn)電鏟貨料的卸載工作，在電鏟正常啟動(dòng)后，開斗電機(jī)及滾筒保持鏟斗開門繩上的微張力，保持開門繩張緊，而當(dāng)操作員操作按下開斗按鈕，開斗電機(jī)上的額外扭矩就會(huì)通過(guò)該繩索傳輸?shù)界P斗上的開斗機(jī)構(gòu)，鏟斗門就會(huì)打開。開斗機(jī)構(gòu)主要有開斗電機(jī)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(guò)斗門上的雙滑輪系統(tǒng)與斗栓的橫拉桿連接，電機(jī)上附帶有盤式制動(dòng)裝置，不使用時(shí)抱閘關(guān)閉鎖緊電機(jī)。

1 變頻器電氣控制系統(tǒng)

4100XPC 電鏟的開斗電氣系統(tǒng)采用了西門子變頻器進(jìn)行開斗電機(jī)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(guò)PROFIBUS電纜與變頻器進(jìn)行通訊，并交換信息[2]，AC800M 從變頻器中讀取狀態(tài)字、故障代碼、電機(jī)溫度、電機(jī)電流、母線電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)溫度，并將控制字、扭矩限制和轉(zhuǎn)速限制寫入變頻器。當(dāng)電鏟啟動(dòng)后，主控制器發(fā)出啟動(dòng)指令給變頻器，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，主控制器發(fā)出1 個(gè)30 s 的輔助停機(jī)故障。

圖1 開斗變頻器電氣控制原理圖

1.1 開斗電機(jī)控制方式

開斗變頻器得到主控制器AC800M 傳輸過(guò)來(lái)的啟動(dòng)信號(hào)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(gè)常開觸點(diǎn)閉合，1 個(gè)給變頻器反饋信號(hào)，表明DTCR 吸合；另1 個(gè)常開點(diǎn)串在開斗電機(jī)的抱閘控制電路里，負(fù)責(zé)打開抱閘。DTCR 的常閉觸點(diǎn)串在電機(jī)的加熱器上，電機(jī)啟動(dòng)后關(guān)閉加熱器。

開斗電機(jī)的控制方式為恒轉(zhuǎn)矩控制，即轉(zhuǎn)矩要保持恒定，電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，則導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化[3]，增量式正余弦編碼器將位置和轉(zhuǎn)速信息通過(guò)通訊端口將信號(hào)傳輸?shù)骄幋a器內(nèi)，然后由編碼器反饋回變頻器信號(hào)，調(diào)節(jié)開斗變頻器頻率，保持轉(zhuǎn)矩恒定，實(shí)現(xiàn)變頻器驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)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(shí)，電容器負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電場(chǎng)能，在波谷（電壓較高）時(shí)，電容器將釋放電場(chǎng)能來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充[4]，從而使直流電壓比較平穩(wěn)。直流電路為一個(gè)電壓源。需要注意的是，電容與環(huán)境溫度的關(guān)系很大，當(dāng)溫度為30 ℃以下時(shí)，可用10 年以上，若溫度超過(guò)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(jīng)全波整流電路整流成直流電，然后又經(jīng)逆變電路電路“逆變”成頻率和電壓任意可調(diào)的三相交流電[5]，從U、V、W 端輸出，為電動(dòng)機(jī)提供變頻電源，在變頻器的輸入和輸出之間，經(jīng)歷了“交流-直流-交流”的過(guò)程。開斗變頻器變頻及制動(dòng)方式如圖2。

圖2 開斗變頻器變頻及制動(dòng)方式

變頻器的電源輸入端加裝了交流電抗器來(lái)抑制輸入電流中有高次諧波信號(hào)的干擾，并使用金屬外殼來(lái)屏蔽對(duì)其他設(shè)備的干擾，因?yàn)樽冾l器的輸入和輸出側(cè)有高次諧波信號(hào)，產(chǎn)生的電磁場(chǎng)有可能造成其他設(shè)備的干擾。同時(shí)對(duì)變頻器控制線路的屏蔽層良好接地，以防止對(duì)本變頻器控制信號(hào)的干擾。

1.3 開斗電機(jī)制動(dòng)原理

開斗電機(jī)抱閘繼電器的常開觸點(diǎn)在電鏟啟動(dòng)后閉合，開斗電機(jī)抱閘打開。電機(jī)抱閘采用電磁制動(dòng)電磁鐵，得電時(shí)松開，斷電時(shí)抱緊。當(dāng)電鏟啟動(dòng)后，開斗變頻器工作輸出1 個(gè)24 V 直流電壓給開斗抱閘繼電器，該繼電器自帶1 個(gè)24 V 逆變器，將24 V 電源逆變?yōu)?20 V 交流電，繼電器得到120 V 電源后吸合，抱閘打開。停機(jī)后，先通過(guò)再生制動(dòng)將轉(zhuǎn)速降低，再將軸抱緊。該抱閘上有1 個(gè)手動(dòng)抱閘開關(guān)，可以手動(dòng)打開抱閘。

該變頻器的制動(dòng)單元是由4 個(gè)80 Ω 的電阻并聯(lián)而成，為20 Ω。由于變頻器在減速的過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致再生制動(dòng)情況的出現(xiàn)，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(dòng)單元通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓來(lái)控制1 個(gè)功率管的通斷。在直流母線電壓上升至700 V 左右時(shí)，功率管導(dǎo)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(dòng)電阻等電氣元件，維修難度有所增加，但只要詳細(xì)了解了各個(gè)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(dòng)后，開斗變頻器輸出一定電壓值，電機(jī)抱閘繼電器吸合，抱閘打開，開斗鋼絲繩自卷緊繃，開斗系統(tǒng)正常工作。若是不正常的話，開斗鋼絲繩不自卷，系統(tǒng)會(huì)在觸摸屏上報(bào)出錯(cuò)誤信息，可以根據(jù)顯示部分的信息代碼進(jìn)行判斷，如果故障較小可自行處理，對(duì)變頻器斷電，然后復(fù)位即可，如果斷電后不能恢復(fù)正常，就需要對(duì)故障進(jìn)行分析[6]。

2.1 電容器預(yù)充電故障

變頻器需要在啟動(dòng)后給電容器充到預(yù)設(shè)電壓值，如果直流母線的線電壓在3 s 內(nèi)沒(méi)有達(dá)到預(yù)定值，則會(huì)出現(xiàn)預(yù)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(rèn)連接緊固；②變頻器參數(shù)設(shè)定是否與電容器所匹配，確認(rèn)參數(shù)設(shè)定正確；③電容器損壞，導(dǎo)致不能完全充電。

針對(duì)該故障的解決策略：更換損壞的電容器以及調(diào)整好變頻器的參數(shù)設(shè)定，確保啟動(dòng)后電容能夠達(dá)到程序設(shè)定值。

2.2 直流環(huán)節(jié)超壓

由于直流母線電壓過(guò)高，超過(guò)變頻器設(shè)定的直流母線閥值電壓為819 V，導(dǎo)致變頻器出現(xiàn)故障停機(jī)。原因有：①開斗制動(dòng)電阻燒毀：由于再生制動(dòng)導(dǎo)致直流電路容易過(guò)電壓，故需要配制動(dòng)電阻，在變頻器直流回路中并聯(lián)1 個(gè)制動(dòng)電阻，通過(guò)檢測(cè)直流母線電壓來(lái)控制1 個(gè)功率管的通斷，在直流母線電壓上升至700 V 左右時(shí)，功率管導(dǎo)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(dòng)電阻燒毀，則會(huì)報(bào)直流環(huán)節(jié)超壓故障；②電容器或變頻器整流環(huán)節(jié)燒毀，導(dǎo)致不能夠正常整流和濾波，導(dǎo)致開斗變頻器在工作過(guò)程中出現(xiàn)高電壓。

針對(duì)直流環(huán)節(jié)超壓的解決策略：由于原來(lái)的制動(dòng)電阻散熱能力差經(jīng)常燒毀，故后來(lái)使用2 個(gè)40 Ω的大電阻進(jìn)行并聯(lián)來(lái)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(guò) 流

變頻器監(jiān)測(cè)的電流值超過(guò)設(shè)置的限制值，就會(huì)報(bào)出該故障。原因有：①過(guò)負(fù)載運(yùn)行：當(dāng)開斗機(jī)構(gòu)發(fā)生機(jī)械故障時(shí)例如斗門不好開或者繩子跳槽卡在導(dǎo)向輪外，導(dǎo)致開斗電機(jī)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行，就會(huì)發(fā)生過(guò)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(wèn)題：主要是參數(shù)設(shè)置和程序問(wèn)題或者變頻器內(nèi)部損壞；④電機(jī)本身軸犯卡:可以手動(dòng)打開抱閘，然后盤動(dòng)電機(jī)滾筒，看是否電機(jī)傳動(dòng)軸犯卡。

針對(duì)過(guò)流故障的解決策略：脫開負(fù)載，觀察變頻器是否可以正常啟動(dòng)，如果啟動(dòng)正常，故障就出現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)或者傳輸線路上，如果仍然顯示過(guò)流，問(wèn)題句出現(xiàn)在變頻器本身的逆轉(zhuǎn)模塊或驅(qū)動(dòng)電路中[7]。

2.4 驅(qū)動(dòng)器超溫

由于開斗變頻器運(yùn)行溫度設(shè)定在0～40 ℃的區(qū)間，開斗變頻器需要進(jìn)行多次的整流和逆變，電子開關(guān)元器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱，應(yīng)注意變頻器的環(huán)境溫度，盡量通風(fēng)[8]，如果散熱不通順就會(huì)造成開斗變頻器超溫故障。原因有：①進(jìn)氣和環(huán)境溫度高；②開斗變頻器風(fēng)扇以及控制柜風(fēng)扇是否運(yùn)行；③進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口是否有異物堵塞；④檢查溫度傳感器連線是否斷裂。

針對(duì)該故障的解決策略：進(jìn)入夏季后要重點(diǎn)檢查通風(fēng)散熱情況，防止發(fā)生變頻器超溫故障。另外冬季環(huán)境溫度低，需要給開斗變頻器使用暖風(fēng)機(jī)供暖，保持溫度在正常使用區(qū)間內(nèi)，防止低溫造成變頻器運(yùn)行不正常，現(xiàn)在平朔露天礦進(jìn)行了技術(shù)改造，自制了一套加熱設(shè)備，幾乎杜絕了溫度過(guò)低造成的變頻器停機(jī)。

2.5 電機(jī)超溫

溫度傳感器用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組上的溫度，當(dāng)開斗電機(jī)的溫度超出系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，觸摸屏上就會(huì)報(bào)出該故障，可以通過(guò)開斗變頻器設(shè)定該溫度值。原因有：①電機(jī)溫度傳感器壞，檢查該傳感器的阻值為500 Ω 左右，若偏差過(guò)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(xiàn)象，溫度傳感器斷路的話顯示溫度為-50 ℃；③檢查電機(jī)負(fù)載情況，是否開斗機(jī)構(gòu)犯卡，造成電機(jī)過(guò)載運(yùn)行造成高溫；④檢查電機(jī)通風(fēng)情況，看電機(jī)散熱槽是否有油污或塵土堆積，造成電機(jī)散熱不好；⑤觸摸屏上扭矩設(shè)定過(guò)大，正常情況下設(shè)定在3.5 左右，但是如果開斗機(jī)構(gòu)犯卡，人為設(shè)定扭矩過(guò)大，雖然可以在短時(shí)間內(nèi)解決開斗工作問(wèn)題，但是長(zhǎng)期運(yùn)行必然會(huì)使電機(jī)繞組溫度升高，如果電機(jī)溫度信號(hào)錯(cuò)誤的話，甚至可能燒毀電機(jī)。

針對(duì)電機(jī)超溫的解決策略：分清楚是電機(jī)過(guò)載的原因還是溫度傳感器的原因，然后再進(jìn)行相應(yīng)的處理。

2.6 編碼器故障

變頻器需要從編碼器中讀取電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及位置信號(hào)，當(dāng)AC800 得不到編碼器的上述信息就會(huì)報(bào)出編碼器信號(hào)。原因有：①開斗變頻器編碼器屏蔽線問(wèn)題：開斗電機(jī)編碼器線比較細(xì)小，有時(shí)會(huì)發(fā)生編碼器線從端子排斷開的情況；②編碼器板問(wèn)題：編碼器損壞或程序丟失，導(dǎo)致發(fā)生該問(wèn)題；③變頻器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置有問(wèn)題；④開斗電機(jī)內(nèi)部編碼器問(wèn)題：編碼器固定在電機(jī)傳動(dòng)軸上，編碼器損壞后，系統(tǒng)得不到正確的數(shù)值，導(dǎo)致出現(xiàn)錯(cuò)誤。

針對(duì)該故障的解決策略：是要解決開斗變頻器與電機(jī)編碼器之間的信號(hào)正確傳輸，看問(wèn)題到底出現(xiàn)在哪一部分，再做具體處理。

2.7 開斗電機(jī)電路斷路器跳閘

開斗電機(jī)熱過(guò)載或斷路器跳閘，就會(huì)造成30 s 的延時(shí)停機(jī)。原因有：①開斗電機(jī)問(wèn)題或軸承犯卡，電流過(guò)大，造成熱過(guò)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(guān)打到開的位置；檢查斷路器互鎖電路或過(guò)載電路的接線；③IO 模塊輸出問(wèn)題，啟動(dòng)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(duì)該故障的解決策略：正常情況下維修人員可以復(fù)位開斗電路斷路器，如果又跳閘，就需要進(jìn)一步調(diào)查分清楚到底是哪部分出現(xiàn)了問(wèn)題導(dǎo)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(jìn)行通訊，使用的通訊介質(zhì)RPOFIBUS 雙絞線，該變頻器上有3 個(gè)LED 指示燈（紅、黃、綠）用來(lái)顯示通訊狀態(tài)，正常情況下3 個(gè)指示燈以同頻率閃爍，當(dāng)指示燈不閃爍或只有2 個(gè)指示燈閃爍時(shí)，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(dòng)或插頭里面接線斷開或PROFIBUS 撥碼開關(guān)撥動(dòng)錯(cuò)誤；②編碼器板問(wèn)題，變頻器編碼器板出現(xiàn)故障導(dǎo)致通訊異常；③AC800 或變頻器程序設(shè)定問(wèn)題，導(dǎo)致AC800 與變頻器通訊出現(xiàn)異常。

針對(duì)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(jié)語(yǔ)

4100XPC 電鏟開斗電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的變頻系統(tǒng)，調(diào)節(jié)精度更好，開斗更加柔和，能夠有效地延長(zhǎng)電鏟開斗機(jī)構(gòu)的機(jī)械壽命，缺點(diǎn)是一定程度上增加了電氣維修的難度，但是只要詳細(xì)的了解了電鏟開斗電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)原理，并結(jié)合一定的現(xiàn)場(chǎng)維修經(jīng)驗(yàn)，也能夠迅速的解決相關(guān)問(wèn)題。另外該開斗控制系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外其他一些電鏟設(shè)備上（WK35/WK55 等）推廣開來(lái)，并得到了良好的經(jīng)濟(jì)效益。