WK一35电铲电气控制特点以及日常维护的点滴经验

WK一35电铲电气控制特点以及日常维护的点滴经验
摘要：简述WK-35电铲电控系统，动力系统，变频器的基本原理，变频器主电路，变频器的控制方式。

从西门子变频柜内部各组成部件的结构、功能、以及运
行特点等方面入手，通过对各部分的介绍，了解装置的结构特点以及部件的组成，各电路板的用途，易损件及日常维护，目的是对电气维修起到帮助促进的作用，
让大家尽快的熟悉与掌握维修技术。

关键词：电控 PLC 变频器
1 引言
WK-35电铲广泛用于黑代购露天矿、哈尔乌素露天矿、神华北电露天矿、大
唐锡林矿业、新疆等大型露天矿，其先进性、可靠性越来越被用户所认可。

由于
电铲在工作时灰尘、振动较大，而电气连接点又很多，既有电气的连接也有光纤
的连接，既有动力回路的连接也有控制回路的连接，这些连接点很容易发生接触
不良出现故障。

本文通过对电控原理以及6SE70变频器电气控制系统的分析以及
日常维护的叙述，希望对处理电铲电气故障时起到点滴的促进作用。

2 控制系统、原理及控制方式
2.1 电控系统
WK一35电铲的电控系统由“综合监控HMI+PLC+变频传动”组成。

HMI综合监控系统检测和显示电铲的运行状态，PLC实现整铲运行的时序逻辑控制，公用直
流母线变频传动驱动各机构协调动作，实现电铲的可控运行。

2.2 动力系统
由矿山采场变电所提供的高压(6 kV)电源，经过高压集电器、高压控制柜及主
变压器降压后，接至两套AFE整流回馈柜。

两套AFE整流回馈柜并联运行，并联
后的直流输出母线作为公用直流母线，为各机构逆变器提供直流电源，逆变器通
过电动机给电铲各机构提供动力，形成AFE整流／回馈公用直流母线变频调速系统。

能量再生式(回馈式)公用直流母线。

控制系统通过模拟量输入模块获取轴承
及电机绕组的温度等信控制系统以PLC为核心，采用PROFIBUS DP现场总线；经
逻辑比较与数据运算后，通过相同的路径对现场总线控制。

CPU通过PROFIBUS
DP现场总线进行控制。

2.3 变频器基本原理
变频器是由将三相工频电源变换成直流的整流器和将直流变成电压可变的逆
变器组成，进行三相鼠笼或感应电机调速控制的装置。

变频器是通过改变交流电
机电源的频率及电压来实现调速的。

变频器主电路给异步电动机提供调压调频电
源的电力变换部分，称为主电路。

6SE70系列变频器主电路是典型的交直交电压
型变频器。

其主电路由三部分组成：将工频电源变换成直流功率的整流器，吸收
在整流器和逆变器产生的电压脉动的滤波电路，以及将直流功率变换成交流功率
的逆变器。

另外，异步电动机需要制动时，有时要附加制动电路。

2.3.1 整流器
它把工频电源变换为直流功率。

整流得到的直流母线电压为：Ud=1.35×UIN （三相工频电源的有效值）；变频器的整流器其功率方向不可逆，无法进行再生
运转。

为了实现能量对输入电源侧的回馈，需要一组IGBT或两组反并联晶闸管整流器构成可逆整流器，实现功率方向的可逆。

2.3.2 滤波电路
在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器
产生的脉动电流也是直流电压脉动。

为了抑制电压波动，采用电容吸收脉动电压/电流。

2.3.3 逆变器
同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以确定
的时间使6个IGBT器件导通、关断就可以得到三相交流输出，任意两相之间的
电压波形是一些幅值相同宽窄不同的脉冲列。

2.3.4 制动电路
异步电动机在再生制动区域使用时（转差率为负），再生能量存储于滤波电
路中的电容器中，使直流母线电压升高。

一般说来，由机械系统（含电动机）惯
量积蓄的能量比电容器存储的能量大，需要快速制动时，可以用可逆整流器向电
源反馈电能或通过设置制动电路（由开关和电阻组成）把再生功率消耗掉，以免
直流母线电压上升。

2.4 变频器控制方式
变频器对电机的调速控制，是针对电机自身的特性、负载机械的特性、运行
速度对变频器的输出电压（电流）、频率进行最优控制。

2.4.1 V/F（恒压频比）控制
V/F控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机的电压，使电动机磁通
保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率、功率因数不下降。

这种控制属
于开环控制,主要问题是低速性能较差，需要采用定子电压补偿措施，以提高电动
机在低频时转矩输出。

通常把定子电压补偿称之为转矩提升。

2.4.2 矢量控制
矢量控制是一种高性能异步电动机控制方式，它基于电动机的动态数学模型，按转子磁链定向的方式实现了转矩电流和励磁电流的完全解耦，对电动机转矩电
流和励磁电流分别控制，具有直流电动机相类似的控制性能。

3 6SE70装机装柜型(Chassis)变频/逆变器装置的电路板功能介绍
3.1 主要电路板及常用模块
CUVC/CUSA板（主控制板)
PSU（power supply unit 电源供给单元）板
IVI（inverter interface module逆变器接口板)板
ABO（standard module标准板)板
IGD(inverter triggering module 逆变触发板)板
SMU与SML板
PMU(parameter assignment unit参数设置板)板
IGBT模块
预充电电阻
电流互感器
6SE70装机装柜型(Chassis)变频/逆变器的结构特点
3.2电路板及常用模块的主要功能
3.2.1 主控制板功能
CUSA――CUA主板在第二代6SE70产品中的升级版本。

支持正弦型的脉宽调
制方式（SPWM）并具有了更强的处理和接口能力。

不同的主控板具有不同的控
制对象、控制方式与控制特性，这一点对于选型与调试变频器而言，无疑是非常
重要的。

然而对于变频器系统更换模块方式的维修测试而言，采用何种主板并不
重要，变频器与逆变器系统在拔去主板以后，其剩下的装置本体结构都是一样的，
它们可以通过更换主控板改变自己的类型。

在维修工作中有时也用其它类型的主
控板测试某台变频器系统。

但对于整流器，这一点是不成立的，CUR与CUSA绝
对不可互换使用，二者工作原理完全不同。

3.2.2 PSU板的功能
PSU板担负系统控制电源的馈入和变换，这种功能包括两个层面：一是将直
流母线上的电压通过DC/DC变换、转换成24V的直流控制电压或从外部端子（X9－1脚与2脚）引入这一电压。

第二步是将24VDC控制电压转换成其它量值的控
制电压，如：+15V、－15V、＋5V等控制电压作为其它模块的工作电源。

PSU上
面有对进行各相进线电压信号与直流母线电压信号的进行采样和处理的电路。

PSU担负系统风机的控制输出，风机回路的熔断保护也在PSU板上。

PSU板与IVI
板有信号交换的接口。

3.2.3 IVI板的功能
IVI模块完成主控制板部分与系统本体部分的信号交换，它安装于电子箱铁盒
后面并与之固定。

IVI将IGBT的驱动信号从主控制板传输到IGD模块，并将从
IGD送来IGBT的Uce保护信号接收并传送到主控制板。

电流互感器信号的接收和
传送，电流互感器的供电。

装置IGBT散热器上的各个NTC热敏电阻信号的接收、处理和传送。

在此模块上搭载ABO板。

3.2.4 ABO板的功能
ABO板插装于IVI板上，插接形式类似于计算机的内存条，这个板子的主要
功能是装有各种实际值传感器的取样电阻或负载电阻。

系统功率规格不同或相应
的实际值传感器不同时，此板就会不同。

因此不可以随意调换，更换前必须仔细
核对定货号。

3.2.5 IGD板的功能
IGD板是连接IGBT功率元件的栅极驱动电路板。

由于IGBT元件的控制特点，IGD模块与IGBT功率元件之间的连接必须在空间结构上尽可能地紧密，因此不同
功率等级的变频器系统，由于它们的IGBT安装布局差异较大，从而导致IGD模块的形状也有很大差异。

IGD模块的栅极驱动特性是与相对应型号的IGBT电特性直
接有关的。

所以，即便是相同结构尺寸、相同功率，但是硬件版本形态不同的系统，它们的IGD模块也不一定能够互相替换。

必须在替换前严格核对IGD模块上
的定货号与硬件版本号。

IGD模块负有双向信号的传递任务。

它一方面将IGBT的
栅极驱动信号传送到IGBT元件；另一方面将IGBT元件上的Vce监控等信号交换
到控制主板上去。

IGD模块的上一级控制模块是IVI模块。

它们之间的信号传送采用的是光纤传送方式。

3.2.6 缓冲电路SMU与SML板的功能
SMU与SML缓冲电路相对而言结构简单，它是IGBT的吸收回路,每个桥臂的
每个IGBT元件均有一块。

缓冲电路SMU与SML模块用以控制关断浪涌电压和续流二极管，恢复浪涌电压，有时也被设计用于减少IGBT的开关损耗。

采用缓冲电路很大程度上取决于功率电路的结构布局，并且和IGBT的工作开关频率也有关系。

它需要控制IGBT上的瞬态电压。

SMU与SML缓冲电路被设计成适应于大电流应
用的电路中，快恢复二极管可以钳位瞬变电压防止缓冲电路的电容与母线寄生电
感作用而产生振荡，在极大功率的IGBT有时也使用阻容二极管（RCD）来抑制主
缓冲电路的寄生振荡。

SMU与SML缓冲电路分别适用于IGBT的上、下桥臂，二
者结构不同不可互换。

若系统运行中，谐波成分较大时，也会导致它们的损坏。

3.2.7 IGBT模块的特点
IGBT模块是6SE70系列产品中的AFE，逆变器，所使用的主要功率器件。

基
本上都是采用集成了桥臂续流二极管的模块式封装。

�在使用中也有一些特点需要加以注意：IGBT器件的过电流能力一般，仅为2倍的额定值且时间≤20μs。

因此，线路上的快速熔断器一类的保护是不能保护IGBT的，需要借助于系统方面软、硬件结合的保护功能。

IGBT器件在C、E端已
加有高电压的情况下，不允许G、E端开路，否则会损坏器件。

IGBT器件在存贮
与运输过程中，必须防止静电导致的损坏，一般情况下，这时都要把它们的G、E 两极可靠地短路。

另外，在操作过程中切忌用手触摸G端。

3.2.8 预充电电阻
预充电电阻是限制系统启动过程中由于直流母线电容组充电而引起的过电流。

正常情况下，启动结束后，被预充电控制继电器的接点短路，或在可控硅主桥的
工作状态建立后，二极管桥被反偏截止后断流。

预充电电阻不能被用于正常带负载，在电容组充电完成后，这些电阻如未被短掉或断流，则系统启动运行后，它
们立即会烧红、冒烟直到烧断。

3.2.9 电流互感器CT的特点
电流互感器是系统中重要的实际值测量元件。

它不仅要提供电流实际值，在
无传感器的矢量控制方式中也需要和被控电机的矢量模型结合，从而提供速度实
际值与电机反电势实际值等测量计算值。

同时，它还要参与逆变器主回路的IGBT
器件的保护。

因此，逆变器侧所使用的电流互感器精度高，反应速度快，一般是
采用霍尔效应原理传感器并在电流互感器的封装中集成有信号处理电路，因此它
在工作时还必须有±15V的工作电源。

4 变频器的易损件及日常维护
4.1 易损件
1.IGBT模块
2.IGD板
3.CUSA板
4.电源板PSU
5.VDU及电容组(建议更换电容组后一并更换VDU)
4.2 检查项目
1.环境温度，湿度，导电粉尘等
2.主回路电压，控制回路电压是否正常。

3.主回路接线端子与接地端子间电阻，接触是否良好，由无松动迹象。

4.柜内母排有无移位现象，是否有异物，线路表皮有无破损，变色等。

5.电容器组有无漏液，破损，膨胀，安全阀是否突出。

6.整流与逆变模块有无短路，断路，裂缝或变色。

7.预充电电阻有无变色，破裂，断裂。

8.拨动风机转动是否灵活，是否有异响，异常震动。

9.电路板元件有无相碰，线路板有无锈蚀，有无集尘。

10.电动机及电缆的接线端子是否松动，过热现象，对地的绝缘电阻。

11.装置运行时是否有异常声响，异常震动，异常味道及异常温升。

12.装置运行时风机是否有异常声响，异常震动。

风量是否足。

4.3 检查安全注意事项
1.必须有明显的供电断开点。

2.停电后至少等待五分钟以上。

3.运行时要关闭柜门。

5 结论
本文详细分析了电铲的电控原理、6SE70变频器电气控制系统以及日常维护工作，希望对处理电铲电气故障时起到点滴的促进作用。

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[5]赵影.电机与电力拖动[M].北京：国防工业出版社，2005.
作者简介：杜大帅（1989-），2013年毕业于哈尔滨理工大学电气工程及其自动化专业，现任中国神华哈尔乌素分公司设备维修中心穿采车间电工。