蘇良碧

（平朔煤炭工業(yè)公司井工設(shè)備維修中心，山西朔州036006）

395BI電鏟電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造

蘇良碧

（平朔煤炭工業(yè)公司井工設(shè)備維修中心，山西朔州036006）

介紹了395BI電鏟原有電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)給設(shè)備維修和配件供應(yīng)造成的困難，分析了原有電鏟電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)SINADYN-D和功率元器件GTO的工作原理和缺點(diǎn)。提出了使用西門(mén)子新一代驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)SIBAS32和新型功率元器件IGBT，結(jié)合S7400 PLC和SIMOREG直流母線調(diào)節(jié)器對(duì)原有電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造的方法。

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

0 引言

395BI型電鏟為美國(guó)BE公司（現(xiàn)為卡特彼勒公司收購(gòu)）在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種32 m3單斗礦用挖掘機(jī)，該型號(hào)電鏟率先采用了交流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，在當(dāng)時(shí)具有劃時(shí)代意義。其采用的是西門(mén)子公司早期的交流變頻調(diào)速控制系SIMADYND，整流系統(tǒng)采用晶閘管作為功率原件，而逆變部分采用GTO（Gate Turn-Off Thyristor，可關(guān)斷晶閘管）作為功率原件[1]。20世紀(jì)90年代平朔公司引入了3臺(tái)395BI型電鏟，已使用了將近20余年，隨著服役年限的增加，其電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障率長(zhǎng)期居高不下，嚴(yán)重影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，面臨的主要難題有：

1）隨著功率原件GTO的老化，造成了逆變部分阻值不匹配，從而經(jīng)常引發(fā)系統(tǒng)過(guò)流故障，頻繁燒毀逆變器保險(xiǎn)、續(xù)流二極管、緩沖二極管、GTO等電氣原件[2]。

2）電氣驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的電氣配件早已停產(chǎn)，配件只能從廠家訂單生產(chǎn)，存在著配件價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)、維修難度大的問(wèn)題。維修成本隨著使用年限的增加不斷提高，而系統(tǒng)的可靠性卻在不斷的降低。

針對(duì)以上問(wèn)題，平朔集團(tuán)公司對(duì)395BI電鏟電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)改造，將逆變部分GTO升級(jí)為IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管），使用SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)取代原有SINADYN-D驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 原有電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

1.1 電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

395BI電鏟原有電控系統(tǒng)主要由AB公司生產(chǎn)的PLC控制系統(tǒng)和西門(mén)子公司生產(chǎn)的SINADYN-D驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)所組成。電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用交流變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，電鏟電氣系統(tǒng)如圖1所示，主變壓器將6 kV交流電源轉(zhuǎn)變?yōu)?70 V交流電和990 V交流電通過(guò)系統(tǒng)的整流再生部分，整流再生部分由2組可控硅全控橋反向并聯(lián)所組成，整流器將交流電變?yōu)橹绷麟?，?jīng)濾波后送入公共直流母線[3]。

圖1 395BI電鏟電氣系統(tǒng)

逆變部分采用GTO作為功率原件組成PWM脈寬調(diào)制逆變器，逆變部分由4套逆變器所組成，其中兩套逆變器并聯(lián)來(lái)驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)和提升電機(jī)，通過(guò)提升/行走切換接觸器來(lái)實(shí)現(xiàn)提升電機(jī)和行走電機(jī)的供電轉(zhuǎn)換，剩余兩套逆變器分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)推壓電機(jī)和2臺(tái)回轉(zhuǎn)電機(jī)。

電鏟進(jìn)行挖掘作業(yè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)PLC發(fā)出的控制信號(hào)使逆變器不斷的改變輸出頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，直流母線電容通過(guò)不斷的充放電來(lái)調(diào)節(jié)直流母線電壓。當(dāng)某工作機(jī)構(gòu)處于再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，該部分逆變器將再生制動(dòng)所產(chǎn)生的能量回饋到公共直流母線上，這部分能量可供其它工作機(jī)構(gòu)使用，從而使電能得到了充分的利用，剩余的制動(dòng)能量則通過(guò)制動(dòng)電阻消耗掉[4]。

1.2 SINADYN-D驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)分析

SINADYN-D驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由德國(guó)西門(mén)子公司在20世紀(jì)80年代末研發(fā)的全數(shù)字控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電氣傳動(dòng)、電力控制及過(guò)程控制系統(tǒng)?？捎糜趯?shí)現(xiàn)快速閉環(huán)控制和邏輯運(yùn)算、開(kāi)環(huán)控制和狀態(tài)監(jiān)視、以及信號(hào)處理和數(shù)據(jù)通訊等功能，主要應(yīng)用于動(dòng)態(tài)性能和控制精度要求高的場(chǎng)合[5]。

提升/行走系統(tǒng)的SIMADYN-D驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖2所示，各部分的功能分別為：PM16處理器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)以及數(shù)據(jù)運(yùn)算；MM21緩沖存儲(chǔ)器模塊支持各處理器通過(guò)內(nèi)部總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是系統(tǒng)各個(gè)處理器的通用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；通訊板CS6用于SIMADYN-D與其他設(shè)備和系統(tǒng)的通訊，以及多個(gè)SINADYN-D系統(tǒng)之間的通訊；逆變器控制系統(tǒng)ICS主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制與順序控制功能，控制脈沖分配器IPD發(fā)出觸發(fā)脈沖；輸入輸出模塊IST主要負(fù)責(zé)采集逆變器的電壓信號(hào)、電流信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)；操作面板OP用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)的讀?。幻}沖分配器IPD用于控制門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)單元GDU，從而按照一定順序觸發(fā)GTO。

圖2 SINADYN-D驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

1.3 GTO驅(qū)動(dòng)電路分析

GTO的驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)單元GDU將主電源模塊MPS的50 V、50 kHz交流電源轉(zhuǎn)換為+15 V和-15 V的直流電源，GDU同時(shí)接收逆變器脈沖分配單元IPD的控制信號(hào)，通過(guò)在GTO門(mén)級(jí)上施加正負(fù)電壓來(lái)控制GTO的導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖3 GTO驅(qū)動(dòng)電路圖

GTO在導(dǎo)通和關(guān)斷的過(guò)程中，需要為門(mén)級(jí)提供一個(gè)很高的脈沖電流，該電流超過(guò)一定時(shí)間，便會(huì)對(duì)電氣控制系統(tǒng)造成一定的損害。同時(shí)GTO的導(dǎo)通關(guān)斷電流大，因而系統(tǒng)對(duì)GTO的阻值要求比較嚴(yán)格，系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)因GTO阻值不匹配而產(chǎn)生的過(guò)流的情況[6]。

2 改造后電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

2.1 電氣驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)概述

改造后的整個(gè)電氣驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由5部分組成：SIMOREG CM 6RA70、S7400 PLC分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)PC、SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，電氣驅(qū)動(dòng)控制原理如圖4所示。

圖4 電氣驅(qū)動(dòng)控制原理

1）Siemens SIMOREG CM 6RA70：用于控制整流系統(tǒng)各個(gè)晶閘管的導(dǎo)通，即負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)整個(gè)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)公共直流母線的電壓和電流。

2）Siemens S7400 PLC：SIMATIC S7-400是用于中、高檔性能范圍的可編程序控制器，具有極高的處理速度、強(qiáng)大的通訊性能和卓越的CPU資源裕量等特點(diǎn)。S7400 PLC是整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主控制器，主要接收外部控制信號(hào)和電氣系統(tǒng)各部分的狀態(tài)信號(hào)，根據(jù)內(nèi)部的控制邏輯向SIMOREG、SIBAS和其它電氣系統(tǒng)發(fā)出控制命令。硬件結(jié)構(gòu)主要由24V電源模塊、CPU模塊、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊所構(gòu)成。

模擬量輸入模塊用于檢測(cè)SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中各個(gè)電機(jī)的速度值與力矩值、所處的工作模式（挖掘或者行走）、各個(gè)動(dòng)作是否處于再生整流模式。

數(shù)字量輸出模塊用于向SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出工作模式指令、動(dòng)作啟動(dòng)/停止命令、抱閘設(shè)置命令、硬件復(fù)位指令、故障觸發(fā)指令、SIMOREG急停指令、系統(tǒng)狀態(tài)等其他的一些指令。

數(shù)字量輸入模塊主要用于監(jiān)測(cè)各個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)、電源、溫度、工作狀態(tài)是否正常，同時(shí)監(jiān)測(cè)SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的故障信號(hào)、工作狀態(tài)信號(hào)、抱閘設(shè)置信號(hào)，電鏟電氣系統(tǒng)的接地故障信號(hào)、保險(xiǎn)監(jiān)測(cè)信號(hào)、各個(gè)電機(jī)的溫度信號(hào)和其他的一些狀態(tài)信號(hào)，以及駕駛室操作手柄的控制信號(hào)。

3）工業(yè)計(jì)算機(jī)PC：也被稱(chēng)為診斷計(jì)算機(jī)、維修站，安裝有SIMATIC WinCC組態(tài)軟件、SiBAS 32 Monitor軟件、STEP 7編程軟件和其他的一些數(shù)據(jù)傳輸與通訊軟件。維修人員可通過(guò)顯示屏觀測(cè)電鏟工作狀態(tài)、系統(tǒng)參數(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、故障歷史紀(jì)錄等信息，使用SiBAS 32 Monitor軟件可觀測(cè)SiBAS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)信號(hào)，使用STEP 7編程軟件可觀測(cè)S7 400 PLC各個(gè)變量的狀態(tài)及邏輯控制順序，這都極大的方便了維修人員排查電氣故障。

4）SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)：SIBAS是一種高級(jí)的微機(jī)控制系統(tǒng)，它的全稱(chēng)為“SIEMENS BAHN AUTOMATISIERUNGS SYSTEM（西門(mén)子32位微處理器鐵路自動(dòng)控制系統(tǒng)）”，最初是西門(mén)子公司為鐵路機(jī)車(chē)研發(fā)的控制系統(tǒng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是適用于各種電力機(jī)車(chē)的控制，無(wú)論是相控整流機(jī)車(chē)、斬波機(jī)車(chē)。在其硬件結(jié)構(gòu)基本不變的情況下，通過(guò)改變相應(yīng)的控制程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)交流驅(qū)動(dòng)電鏟的控制[7]。

2.2 SIBAS驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是一種多處理器協(xié)同工作的控制系統(tǒng)，SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)如圖5所示，其硬件結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：

圖5 SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）電源啟動(dòng)單元：為整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的所有電源模塊提供供電電源，具有欠壓監(jiān)視功能，電壓不正常則停止輸出電源。

2）中央處理器ZR：主要與各從站處理器（SIP）進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，發(fā)送各種控制指令，實(shí)現(xiàn)電鏟各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的速度控制和總驅(qū)動(dòng)邏輯控制。

3）數(shù)字信號(hào)處理器SIP：是一個(gè)高速數(shù)據(jù)處理單元，作為從站處理器，主要負(fù)責(zé)推壓、提升、行走、回轉(zhuǎn)各逆變單元的電流環(huán)控制。

4）二進(jìn)制輸入模塊ICBP：用于接收二進(jìn)制輸入信號(hào)，主要接收S7400PLC發(fā)出的模式切換、硬件復(fù)位、電源下降、抱閘設(shè)置信號(hào)、驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)信號(hào)，以及驅(qū)動(dòng)電源接觸器K05、停止按鈕繼電器K06、急停開(kāi)關(guān)繼電器K07的狀態(tài)信號(hào)。

5）二進(jìn)制輸出接觸器模塊BOCD：用于發(fā)出二進(jìn)制輸出信號(hào)，通過(guò)直接或者驅(qū)動(dòng)繼電器的方式向S7400PLC發(fā)出設(shè)置機(jī)械抱閘、驅(qū)動(dòng)開(kāi)啟、驅(qū)動(dòng)故障、斬波器故障、最小勵(lì)磁、SIBAS正常等狀態(tài)信號(hào)。

6）模擬量輸入/輸出模塊IOA：用于接收來(lái)自駕駛室手柄10 V參考電壓信號(hào)和各電機(jī)數(shù)字測(cè)速信號(hào)。

7）輸入電壓/頻率模塊IVF：用于接收各逆變器的直流母線電壓和三相電流信號(hào)、斬波器電流信號(hào)、SIMOREG急停信號(hào)、保險(xiǎn)監(jiān)測(cè)信號(hào)，同時(shí)向信號(hào)測(cè)試箱提供測(cè)試信號(hào)。

8）PT100溫度輸入模塊ITSP：主要用于檢測(cè)各IGBT模塊的溫度。

9）輸出脈沖放大器模塊OPA：用于向IGBT模塊提供40 mA的觸發(fā)脈沖信號(hào)，同時(shí)接收從IGBT模塊返回的觸發(fā)確認(rèn)信號(hào)。

10）輸出測(cè)量放大器模塊OMES：主要用于向信號(hào)測(cè)試箱提供測(cè)試信號(hào)。

11）逆變器監(jiān)控模塊UWS：用來(lái)監(jiān)控各逆變器的相關(guān)參數(shù)，提供過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)，從而消除逆變器的過(guò)負(fù)荷狀態(tài)[8]。

SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了矢量控制模式，使電機(jī)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下得到了精確的控制轉(zhuǎn)矩。所采用的SPWM（Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脈沖寬度調(diào)制）優(yōu)化脈寬調(diào)制法大大減小了諧波電流和峰值電流，減小了電機(jī)的附加損耗，提高了逆變器的利用率，降低了逆變器和電機(jī)中的噪聲。通過(guò)采用SPWM優(yōu)化脈寬調(diào)制法和矢量控制，提高了電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性和逆變器的利用率，降低了電機(jī)的損耗，從而使逆變系統(tǒng)達(dá)到了最佳狀態(tài)。

2.3 IGBT驅(qū)動(dòng)電路分析

逆變單元由6個(gè)IGBT所組成，直流母線中的直流電被IGBT逆變器轉(zhuǎn)換為幅值相同而寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖，代替正弦波電流來(lái)驅(qū)動(dòng)異步交流電動(dòng)機(jī)，西門(mén)子變頻器逆變電路通常采用SPWM調(diào)制法，IGBT模塊原理如圖6所示。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）是一種是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)。GTR飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動(dòng)電流較大；MOSFET驅(qū)動(dòng)功率很小，開(kāi)關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。IGBT綜合了以上兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)如交流電機(jī)、變頻器、開(kāi)關(guān)電源、照明電路、牽引傳動(dòng)等領(lǐng)域。

圖6 IGBT模塊原理

3 結(jié)語(yǔ)

在395BI電鏟電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造升級(jí)后，由于采用了全新的SIBAS驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和SIMATIC S7-400控制系統(tǒng)，控制算法得到了全面的提升，硬件接線復(fù)雜程度降低，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，縮短了故障排查時(shí)間。診斷計(jì)算機(jī)直觀的顯示了電鏟運(yùn)行狀態(tài)、系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)和故障信息等，方便了維修人員進(jìn)行故障排查。IGBT具有驅(qū)動(dòng)功率小、開(kāi)關(guān)速度快、飽和壓降低、容量大等優(yōu)點(diǎn)，替代GTO作為逆變器功率元器件后，系統(tǒng)很少發(fā)生過(guò)流故障。通過(guò)本次改造與升級(jí)，395BI電鏟生產(chǎn)效率明顯得到了提升，而故障率相應(yīng)得到了下降，縮短了維修時(shí)間，降低了維修難度，減少了維修成本，解決了配件供貨周期長(zhǎng)、價(jià)格高、難度大的問(wèn)題，具有較高的推廣價(jià)值與意義。

［1］于德君.變頻調(diào)速技術(shù)在395BI電鏟上的應(yīng)用［J］.中國(guó)城市經(jīng)濟(jì)，2011（18）：192.

［2］閆志軍.395BI電鏟驅(qū)動(dòng)功率系統(tǒng)(GTO&IGBT)升級(jí)意義的分析［J］.內(nèi)蒙古科技濟(jì)，2009，4（7）：185-188.

［3］徐志平.395B電鏟直流母線過(guò)壓或欠壓故障分析［J］.露天采礦技術(shù)，2016，31（9）：69-71.

［4］于德君.變頻調(diào)速技術(shù)在礦用大功率電鏟中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012（5）：29-30.

［5］戴鵬，姜建國(guó).SIMADYND數(shù)控系統(tǒng)在煤礦中的應(yīng)用［J］.煤礦設(shè)計(jì)，1997（5）：28-31.

［6］盧云峰.395BI電鏟驅(qū)動(dòng)GTO升級(jí)IGBT后頻繁燒IGBT故障的分析［J］.煤炭科技，2009（6）：22-23.

［7］張華明.西門(mén)子SIBAS 32自動(dòng)控制系統(tǒng)在495HD型電鏟上的應(yīng)用研究［J］.神華科技，2009（12）：74-76.

［8］楊進(jìn)京.SIBAS在495HR電動(dòng)挖掘機(jī)中的應(yīng)用［J］.礦山機(jī)械，2008（10）：57-61.

【責(zé)任編輯：陳毓】

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

蘇良碧.395BI電鏟電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（5）：61-64.

2017-03-05

蘇良碧（1985—），山西朔州人，工程師，碩士，畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)控制工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事煤礦機(jī)械機(jī)電系統(tǒng)維修與升級(jí)改造工作。