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李白羽
[摘 要]吊斗铲是由比塞洛斯国际公司生产的世界一流矿山挖掘设备，铲斗容积高达到 90立方米。吊斗铲每吨材料挖掘成本极低、平均使用寿命长达 40 年，是行业内效率最高的通用型设备。它采用了无齿轮传动和迈步式行走。设备的总重量大约为500吨，大臂长度为109.7米，工作半径大约110米，挖掘深度和卸料高度分别是71米和45米。在这庞大的设备上对电气传动系统有较高的要求，电机驱动的变频技术有足够的有用功率；要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快；要求系统制动性能好，并能回收能量；要求系统运行可靠，维修方便。变频系统是由西门子提供，吊斗铲变频系统分为AFE（整流/回馈）系统、直流母线系统、逆变系统。
[关键词]吊斗铲 变频技术 AFE 预充电 逆变
中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）06-0296-02
正文
吊斗铲是迄今为止建造的最大单斗挖掘机。迈步式吊斗铲是世界上许多露天矿场使用的最主要挖掘工具。这些高效设备可全天候不间断地工作，8750-65吊斗铲容积最高达到90立方米。吊斗铲每吨（或每公吨）材料挖掘成本极低、平均使用寿命长达40年，是行业内效率最高的通用型设备。抛掷爆破加吊斗铲工艺是露天煤矿开采中一种科学含量大、技术程度高、经济性明显的采掘工艺，适宜在大型特大型矿山开采中使用，目前仅在世界上少数几个国家推广。本世纪初，神华准能公司黑岱沟露天煤矿引进全球首次推出无齿轮传动工艺的新产品8750-65型吊斗铲。
8750-65吊斗铲用于矿岩捣堆，其工作条件非常恶劣，经常出现过大的冲击载荷，甚至堵转。因此，吊斗铲对电气传动系统就有较高的要求：要求电气传动系统的机械特性曲线的包络面积大，有足够的有用功率；要求有良好的调速性能，能四象限运行，能快速地进行加、减速和反转，动态响应速度快；要求系统制动性能好，并能回收能量；要求系统运行可靠，维修方便等。由于吊斗铲对电气传动系统的这些特殊要求，而世界其他吊斗铲目前应用的电气传动系统主要还是直流传动系统，采用晶闸管变流器-直流电动机系统（简称晶闸管直流系统）。但这种系统都存在直流电机的固有的缺点，即维修工作量大、效率较低等。
吊斗铲属于间接变频技术。变频系统分为AFE（整流/回馈）系统、直流母线系统、逆变系统。整流部分采用了AFE整流（PWM整流单元）单元，使用不完的制动能量，可以通过AFE整流单元回馈给电网，这是吊斗铲电气构造上的先进之处。实践证明，吊斗铲采用SIEMENS公司的AFE整流单元交流变频调速系统和以往吊斗铲相比，具有节约电能、调速性能好、可靠性高、维护量小、生产效率高、功率因数高等优点，是公认的吊斗铲电气传动系统的发展方向。
变频技术是电力电子技术的主要组成部分，它主要用于需要交流电源的电压、频率可调（或恒压、恒频）的用電设备，如交流电机、中频电源及各种专用电源的中间环节等。
一、AFE系统
AFE是ActiveFrontEnd的缩写，译为主动前端。从结构上看，采用了IGBT功率元件，它相当于一个逆变器，不同的是输入为交流输出为直流，因为它位于电源进线侧，所以被称为前端。其主动的含义在于，与传统的二极管或可控制硅整流技术相比，主动前端不再是被动地将交流转变成直流，而是具备了很多主动的控制功能。
AFE是PWM整流器.PWM整流器是应用脉宽调制技术发展起来的一种新型电源变流器。其基本原理是通过控制功率开关管的通断状态，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分电流谐波并使功率因数接近于1。
（一）AFE的特点
1、有源可控的IGBT。
2、AFE整流时，电流谐波含量小，其大小不受电网质量或负载轻重影响，故电网侧电流比较小且无电网污染。
3、电流可以实现双向流动，并且不需要制动单，负载可以在四象限运行，实现能量回馈，提高能源效率。
4、直流母线电压与电网电压无关，使系统得到最佳利用，而且不受电网波动的影响，直流电压保持稳定，具有卓越的动态特性。
5、允许电网电压的波动范围宽，使AFE可以安全运行在65%的电源额定电压范围内。
6、AFE可以将弱电网上的低电压相应提高，故允许电源电压低于电机电压。
7、功率因数可调，可进行无功补偿，功率因数接近于1。
（二）AFE系统的组成
AFE系统由AFE电抗器和AFE（整流/回馈）单元组成。
1、AFE电抗器
吊斗铲AFE电抗器采用的是750μH的电感，它的输入侧电压是900VAC。AFE能量回馈系统中，AFE电抗器是至关重要的，因为它不仅影响到电流环节的动、静态响应，同时制约着AFE的输出功率、功率因数。AFE电抗器在电路中起到如下作用：
（1）隔离电网电势与AFE交流侧电压，通过对AFE交流侧电压（电流）的相位、幅值进行PWM控制，可实现AFE的四象限运行。
（2）滤波作用。它可以滤除电网侧交流侧谐波电流，实现AFE交流侧正弦波电流控制。
（3）可以使AFE具有Boost特性。
（4）使AFE系统具有一定的阻尼特性，使系统稳定工作，同时还能够向AFE网侧传送无功功率。
（5）回馈电压通过电抗器融入电网。
2、AFE（整流/回馈）单元
（1）AFE（整流/回馈）单元结构
吊斗铲AFE单元在结构上和普通IGBT逆变电路是没有区别，由二极管反向并联可控的IGBT组成的桥式电路。它们模块是独立结构，而且可以通用。
（2）AFE的工作原理endprint
在AFE预充电结束后，主回路开始工作。在主回路闭合前，AFE工作处于准备阶段。当AFE交流侧主回路闭合后，AFE系统通过电压同步模块检测电网的电压与相位，电网电压与相位同步完成后，AFE开始工作。
AFE处于同步整流状态时，AFE整流单元从电网侧汲取900V正弦交流电，通过对AFE的控制，经整流后输出1800VDC并保持恒定，各次谐波由滤波电路删除。AFE整流的控制原理。
当AFE工作在有源逆变状态时，系统通过检测直流母线的电压值，然后与预先设定的1800VDC进行比较。当检测到直流母线数值大于1800VDC时，再对系统交流侧的电压、电流以及相位进行检测。通过对AFE的控制，把多余的能量回馈到交流侧电网。
（3）AFE故障分析及总结
根据AFE允许电网电压的波动范圍宽，使AFE可以安全运行在65%的电源额定电压范围内工作这一特点，吊斗铲AFE正常工作外网电压设定是22000V，波动范围可以达到-30%到+10%（15400V到24200V）。当外网电压超出24200V时，AFE出现故障，需要下调外网电压。虽然AFE的最低下限工作电压可以达到15400V，但AFE的控制系统（SIBAS系统，PLC系统，接触器和继电器系统）往往达不到这个下限，一般外网电压低于20000V时，AFE就会出现故障，需要上调外网电压。
二、直流母线系统
直流母线系统由母线预充电电路、滤波电路、斩波电路、DC母线放电电路、CROWBAR电路组成。
（一）AFE预充电电路
1、预充电回路的作用
直流母线电容在接通一瞬间相当于短路，充电电流非常大，可能损害AFE、直流母线和电容。所以为了避免强电流对AFE、直流母线和电容的冲击，必须增加预充电过程。同时在预充电回路中必须串入限流电阻，限制直流母线电容的冲击电流。
2、吊斗铲AFE预充电回路的组成
吊斗铲预充电回路是由2组三相桥式不可控二极管整流电路组成，这2组桥式不可控二极管整流电路串联。整流桥输入侧的电压是500VAC，所以单个整流桥输出的直流电压接近1.35×500=675VDC，两个整流桥串联起来直流母线电压达到1250VDC，并且在预充电回路中串入了1Ω的限流电阻。
3、AFE预充电回路顺序
（1）送电。由PLC程序控制预充电接触器工作。
（2）充电。预充电接触器闭合后，通过预充电回路向直流母线充电。
（3）得电。直流母线得电，直流母线预充电电电压设定值是1280VDC。
（4）切电。当直流母线电压达到1280VDC时，PLC程序控制预充电接触器断电，预充电过程结束。
4、AFE预充电回路工作原理
预充电工作回路由PLC程序和SIBAS程序两部分控制。
PLC程序控制预充电接触器工作，预充电接触器闭合后，通过预充电回路向直流母线充电，直流母线预充电电电压设定值是1280VDC，当直流母线电压达到1280VDC时，PLC程序控制预充电接触器断电，预充电过程结束。
SIBAS接收接触器K084和K086的工作信号，K084为正常停机信号，K086急停信号。只有两个信号正常预充电才能正常工作，当信号不正常时，预充电立即停止工作。
5、故障现象及分析总结
（1）预充电接触器闭合后，预充电回路断路器跳闸（WinCC故障显示），说明预充电回路的变压器或整流二极管有故障。使用万用表进行测量，正常情况变压器的阻值是4欧，二极管正向测量为0，反向测为无穷大。
（2）预充电接触器闭合后，又突然断开，WinCC显示预充电接触器控制故障，说明预充电接触器反馈点有故障。
（二）滤波电路
1、滤波电容的组成
每条直流母线是由4个2000VDC、3mF的电容并联组成滤波电容组，此电容是属于终身免维护。
2、滤波电容在直流母线中起如处作用
（1）缓冲AFE交流侧与直流负载间的能量交换，且稳定AFE直流侧电压，使系统可以稳定工作。
（2）抑制直流侧的谐波。
（3）在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给作为感性负载的电动机提供必要的无功功率。因而中间直流电路的电容容量必须较大，起到储能作用，所以中间直流电路的电容又称储能电容。
（三）斩波电路
斩波电路同样由IGBT控制，分为母线将压电路和励磁斩波电路。
1、母线将压电路
DC母线斩波电路是斩波电阻通过斩波IGBT模块连接到DC母线上。斩波电阻是一个阻值很小的电阻，只有2Ω。虽然阻值很小，但耐高温，最高温度可达750℃。斩波电阻在电路中具有以下作用。
（1）正常停机的情况，斩波电阻释放母线的能量。
（2）在正常情况下，AFEs处理所有的回馈能量。在特殊的情况下，AFEs不能有效处理所有回馈能量，斩波电阻帮助AFEs处理回馈的能量。
（3）母线电压故障现象及分析总结
直流线线电压超出1800VDV时，斩波电阻工作，并且斩波电阻工作时间很短。出现这种现象是因为AFE没有工作，AFE没有工作原因很多，但大多是由于AFE主回路3台变压器控制接触器K081、K082和K085吸合后没有反馈信号。通过用SIBASMonitor监测接触器K081、K082和K085的工作信号，主回路3台变压器吸合后，K081、K082和K085的信号是“1”，如果信号为“0”，则K081、K082和K085工作不正常。
2、励磁斩波电路
吊斗铲提升、回拉电机使用的是同步电动机，定子绕组不但通入三相交流电，而且转子绕组也需要通入直流电。而且电机的直流电有着不同等级，从而通过调节励磁电流来调节同步电动机的无功电流和功率因数，从而提高电网的功率因数。endprint
（三）DC母线放电电路
DC母线放电电路是由4个阻值10KΩ，功率225W的电阻组成。它们连接在DC母线的正极和负极之间。DC放电电阻的作用是设备在急停或立即停机的情况下，DC母线斩波电路处于不工作状态，由DC放电电阻将直流母线电容的电压释放。
（四）CROWBAR电路
CROWBAR电路是当设备出现严重故障或直流母线电压达到2200VDC时，CROWBAR电路动作，释放母线能量。
CROWBAR电路动作一般由于AFE同步电压模块工作不正常导致的，当出现CROWBAR电路动作时，用万用表测量AFE同步电压模块输入端和输出端的电压，正常情况输入端电压为120VAV，输出电压为24VDC。
三、逆变系统
（一）逆变系统的组成及原理
逆变单元采用了IGBT模块组成的桥式逆变电路，将母线1800VDC逆变成提升、回拉和回转、行走所需的电压和频率。
它采用了SPWM控制方式，SPWM，正弦脉宽调制技术，通过对一系列宽窄不等的脉冲进行调制来等效正弦波形，（幅值、相位、和频率）。
（二）逆变电路中续流二极管的功能
1、电动机的绕组是电感性的，其电流具有无功分量。续流二极管为无功电流返回直流电源提供“通路”
2、当频率下降时，电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管返回直流通路。
3、在逆变的过程中，同一桥臂的两个逆变管处于不停交替导通和截止的状态。在交替导通和截止的换相过程中，也不时地需要续流二极管提供通路。
（三）逆变系统的控制回路
吊斗铲逆变控制回路采用了双闭环控制回路，它由西门子的SIBAS系统控制，主要由脉冲触发回路、电流反馈回路和速度反馈回路组成。
1、逆变系统脉冲触发回路。
脉冲触发回路由SIP、UWS和Fring Pulse Amplifier组成。
SIP产生脉冲触发信号，发送到UWS卡进行检测，UWS卡检测的信号正常后发送到Fring Pulse Amplifier，Fring Pulse Amplifier提供40mA的电流信号控制IGBT的通断。
2、电流反馈电回路路
电流反馈回路是通过CT（电流互感器）反馈到SIBAS系统的U/F卡。然后从U/F卡将信号分配到UWS、SIP和Out Measuring Amplifier。UWS用于保护，SIP用于控制，Out Measuring Amplifier用于外部测试。
3、速度反馈回路
将测速电机的脉冲信号通过AnalogI/O模板传入SIP，并将脉冲信号转化成速度信号。
4、逆变系统故障现象及分析总结
逆变系统常见的故障就是IGBT损坏，根据损坏程度的不同可以分为二种。
（1）IGBT击穿，由于IGBT外网电压波动太大，常常出现IGBT击穿现象，当IGBT击穿后设备出现立即停机，并且出现故障时能听到直流母线短路的声音。
（2）IGBT误触发，由于IGBT的性能下降，SIBAS没有给出触发信号，IGBT就导通，出现这种现象会导致负载侧（电机）抖动。
参考文献
[1] 變频调速控制系统的设计与维护.山东科学技术出版社，2005年3月.
[2] SPWM变频调速应用技术.机械工业出版社，1997年12月.endprint
