P＆H 4100XPC电铲RPC系统原理解析与故障诊断

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由于露天煤矿开采环境的复杂性 ，在实际工作 中电铲负载变化很大.而且经常出现冲击性负载。电铲在深度挖掘的过程中，直流电机的工作电压很低 ，仅为额定电压的 30%左右 ，而工作电流却是额定电流的 2倍(或者2倍以上)，造成电铲供电系统 的功率因数很低 。

直流电机调速系统所产生的谐波对电铲的影响相当大 ，主要包括：造成电铲工作电压频繁波动 ；干扰电铲上其它相关电气设备的正常工作 ，从而造成电铲误动作 ；引发谐振 .造成谐波放大，产生过 电流、过 电压 ，导致电气设备损坏，使其它设备产生附加损耗 ，降低 电铲 的使用效率。因此 ，用于提高功率因数和谐波抑制的无功功率补偿系统(RPC)，是电铲电气系统的重要组成部分。RPC系统性能的稳定与否，直接影响电铲的使用效率。

1 RPC系统工作原理中煤平朔东露天煤矿 目前有 4台 P&H 4100XPC电修稿 日期 ：2013-05-27作者简介 ：樊红兵(1977-)，男，山西大同人 ，工程 师，学士，毕业于天津轻工业学院。现从事露天煤矿设备维修等方面的工作。

70铲 ，斗容为 58.5m 。由于其斗容巨大 ，工作效率高 ，技术先进 ，在东露天煤矿生产当中发挥了巨大作用 。该 电铲采用晶闸管直流调速系统 ，如图 1所示 。该调速系统的优点是调速范围大、平滑性好 、响应速度快 ，缺点是铜耗大、功率因数低。

1.1 RPC 系统组成结构RPC系 统 主 要 由加法变压 器 、无功 电压互感器 、无 功传感 器 、智能接 口模 块 、RPC触 发板 、脉 冲 变压器 、晶闸管 开 关 电路 、断 路 器 、电抗器和电容器组成。 60COV 图1 4100XPC电铲电机控制系统无功电压互感器向无功传感器提供 115VAC电源，同时为无功传感器提供参考电压。A相加法变压器通过电流互感器测量 1L1和 2L1母线 中的线电流，C相加法变压器通过电流互感器测量 1L3和 2L3母线 的线 电流。

无功功率传感器接收来 自电压互感器中的电压信号和加法变压器 中的电流信号。其输出大小代表了电铲所需的无功功率修正系数 ，该电压信号被传输 到远程 I/0系统模拟输入拈当中，系统根据所收到的无功反馈信号 ，· 产品与市场 ·图 2 RPC晶闸管触发控制系统由数字输出拈向 RPC触发电路板输出数字控制信号。

RPC触发电路板根据所得到的控制信号向脉冲变压器提供控制脉冲.脉冲变压器将控制脉冲转换为可触发RPC晶闸管导通的触发脉冲。每组RPC由3个晶闸管开关电路、1个 1200A电源断路器、3个电抗器 、3个补偿电容器组所组成，如图3所示。

A1 A2 A3 AI A2A3- - ]] ：- LL ]!图 3 单组 RPC结构 图1.2 RPC无功补偿原理RPC系统中的补偿电容器没有投入时 ，通过二极管进 行 充 电 ，保 持 正 向或 反 向 峰 值 电压 ，对 于 P&H4100XPC电铲而言 ，主变二次侧交流母线 的峰值电压为、/2 x600V (约 850V)。补偿 电容器的投入时刻选择 电容器电流通过 自然零点 ，也就是交流母线电压与补偿电容器电压大型极性相同的时刻。电容器的切除靠关断晶闸管 来实现 ，电流过零 时 ，晶闸管承受反 向电压关断，以交流母线 UAB为例说 明 4100XPC补偿电容器的投入与切除过程 ，见图 4。

rR导雨 D导通图 4 补偿 电容器的投入与切除过程当电源电压 UB到达 A点时，补偿电容器组已充 电至峰值电压(、/ UAB)，此时电源电压的相位和大小与电容 电压相等 ，故而流过电容器的电流为零。RPC脉冲触发板触发 晶闸管导通 ，过 A点后补偿 电容器 电压大 于uAB，故补偿电容器放电。过 B点后 uAB<0，促使补偿电容器放电过程加快，到电容电流为零时放电结束 (D点)，但 由于在 C点时晶闸管已撤除脉冲，故晶闸管关断，补偿电容器变换极性，承受反向峰值，到E点时，电容器又通过二极管进行正 向充 电至峰值 (F点 )，流过电容器的电流为零 ，晶闸管触发导通，重复以上过程。以上分析是对交流母线线 电压 U 而言，实际上 RPC每组电容器组接成 形 ，各组电容器相差 120。分别投入。

综上所述 ，RPC系统晶闸管-二极管投切 电容器组的基本原理：①晶闸管在交流母线电压正弦波的正峰值处触发；②补偿电容器组预充电与交流母线电压同极性且幅值相等；③采用晶闸管和二极管反并联的方式来控制补偿电容组投入与切除，可使导通前补偿电容器上的电压维持在交流母线 电压 的峰值。-旦补偿电容器上的电压相比于交流母线 电压峰值有所下降 ，二极管都会使电容器充电至峰值电压。

1.3 RPC 系统分级补偿因为电铲工作 时无功功率随着负载 的变化而变化 。

所 以 RPC系统采用的是分级补偿 。4100XPC电铲上安装 了多组 电容器来满足不 同等级无功补偿需求 ，每组RPC中的电容器并联在-起达到所需要的无功补偿值。

在电铲整个挖掘周期中，RPC系统按顺序控制导通各组电容器来 实现分 级补偿 ，4100XPC电铲 RPC各组 电容器无功补偿值及投入方式如表 1所示。

表 1 RPC分级投入顺序RPC组 1级 2级 3级 4级 5级 6级 7级 8级1/2组 (750KVAR) 投 投 投 投 投1组(1500KVAR) 投 投 投 投 投 投 投2组 (750KVAR) 投3组 (1500KVAR) 投 投 投4组 (1500KVAR) 投 投 投 投 投补偿容量(KVAR) 750 1500 2250 3Ooo 3750 4500 5250 6o0O1.4 RPC谐波抑制谐波和谐振对供电系统的影响较大，容易产生过负荷 ，引起 RPC断路器跳闸。RPC系统中电容器 和电抗器 串联组成 LC谐振 电路 ，谐振频率在 225Hz左右 ，从而使三相六晶闸管整 流电路所产生的 5、7、1l、13主要谐波得到了很好的抑制。

1.5 RPC l/O 系统RPC I/0系统负责检测其断路器打开/闭合信号、电气柜门联锁信号、电容器压力开关信号、触发电路板OK信号，同时采集无功传感器输入信号、磁场驱动线电压检测信号，向脉冲触发板输出晶闸管导通控制信号。RPC I/0与电铲其它I/0系统和AC800共同组成了71· 产品与市场 ·PPC I/O- Il JC'E10 I图 5 RPC I/0系统Profibus网络系统。

2 RPC常见故障分析与排除2.1 RPC断路器跳闸故障RPC断路器跳 闸会导致 电铲 30秒延时停机 ，可能导致 RPC断路器跳闸的原因有：①可控硅/二极管短路。

可控硅或者二极管短路会使某组 RPC的某条支路-直处于导通状态 。从而使断路器热过载而跳闸。从而造成电压(电流)三相不平衡，使电铲其他部分产生故障；②RPC触发板故障。RPC触发板误触发造成三相电流不平衡 .使断路器跳闸，查看母线排 的接线是否松动 以及连接是否正确；③电抗器发热烧坏。电铲作业时，由于负载波动大 ，无功功率补偿工作时间长 ，电流大 ，所以电抗器绝缘老化快 ，电抗器性能容易发生变化。电抗器性能的变化又可能引起谐波谐振 ，这样就 出现 了恶性循环 ，加速了电抗器发热损坏 ，从而使断路器跳闸。

2.2 RPC柜 l/O通讯丢失故障产生的原因：RPC柜 I/O系统与 AC800的通讯丢失。该故障的排除方法 ：检查 RPC系统 I/O拈通讯电缆连接是否正常.同时检查 AC800通讯电缆的连接是否正常。

2.3 RPC电容压力开关故障RPC电容压力开关为常闭触点 ，如果某个 电容内部发生了故 障，那么就会产生很大的压力使压力开关常闭触点打开，该故障会使电铲瞬时停机，故障排除方法 ：①观察电容两边是否有突出的现象，如果某-个电容与其他电容相比有明显的突出现象 ，那么测量其压力开关触点通断情况，进-步确认该电容器是否正常；②检查电容压力开关的连线是否正常；③检查电容压力开关是否损坏。

2.4 RPC电容器 电流失衡故障此时系统检测到某组 RPC三相电流不平衡 ，该故障的排除方法：①检查连接电容器与母线的熔断器是否正常；②检查电容器与母线的连接是否正常；③2个或者3个脉冲变压器故障，检查脉冲触发器的接线是否正常；④RPC I/O拈故障，模拟输入拈故障可能造成系统检测不到电流 ，检查 RPC I/O系统中的 2输入模拟信号拈是否正常；⑤无功传感器故障，检查无功传感器72I 的接线是否断开、松动，同时检查无功传感器是否正常。

l 2.5 RPC晶闸管导通故障f 此时系统没有发出导通命令 ，却检测到某组 RPC的支路存在导通电流，该故障可能产生的原因：①晶闸l 管或者充电二极管短路；②RPC触发电路板故障；③脉I 冲变压器故障；④I/O拈故障。

2.6 RPC可控硅触发故障(整组 )l 此时系统发出导通命令，却检测到某组 RPC没有l 导通电流，即该组 RPC的三条支路都没有导通，该故1 障可能产生的原因：①RPC I/0拈与RPC触发电路板的连接断开；②某组 RPC断路器打开；③RPC触发电l 路板故障；###RPC I，0拈与RPC触发电路板的电源连1 接故障。

l 2.7 RPC可控硅触发故障(支路 )此时系统发出导通命令 .却检测到某组 RPC的某I 条支路没有导通电流，该故障可能产生的原因：①可控l 硅与脉冲变压器的接线断开；②脉冲变压器故障；③可： 控硅故障；④RPC触发电路板故障；⑤RPC电流传感器l 的接线断开；###RPC I/0拈故障。

l I3 结论： 中煤 平 朔东 露天 煤矿 3台 P&H 4100XPC电铲 自I 2011年组装完成后已使用两年多，还有 1台今年即将组l 装完成。相对于其他电铲而言，4100XPC电铲技术先进、I 故障率低 。为东露天煤矿最主要 的挖掘设备 。但 由于4100XPC电铲 RPC系统组成及原理较为复杂 ，影响其工l 作稳定的因素很多，矿区供电质量、作业条件和环境温l 度等条件对其影响尤为明显，相比较其它电铲故障而： 言，RPC系统故障的发生频率相对较高。同时还会引发1 其他 电铲故 障 (比如 电机电枢过流故障)。因此 ，掌握l RPC系统的组成结构、工作原理和常见故障排查方法 ，l 对于增加电铲平均无故障时间、加快维修人员处理故障速度 、提高生产单位的工作质量和工作效率 ，是十分必l 要的。