MT5500B 交流電動輪卡車控制原理與控制功能

王 虎

（準能集團設備維修中心，內蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

MT5500B 電動輪卡車是哈爾烏素露天礦剝離運輸主要設備，載重326 t。電動輪卡車能量轉換系統由4 個主要部分組成。①牽引交流發電機總成，包括主交流發電機、牽引系統風機、整流器；②逆變器組包括3 個電制動接觸器、每個馬達3 個分離的逆變器、系統控制器；③帶冷卻風機的制動電阻柵系統；④2 個輪馬達傳動單元。

1 MT5500B 交流電動輪卡車控制原理

交流驅動電動輪礦用卡車的工作原理是發動機發出的機械能通過與飛輪連接的交流發電機轉換為電能（三相交流電），三相交流電經過整流器及濾波器轉換為直流電，直流電經過逆變器（變頻器）轉換為三相交流電驅動輪馬達，也就是將電能轉換為機械能。當動力制動（電制動）時，輪馬達由電動機狀態變為發電機狀態，將車輪由于慣性產生的機械能轉換為電能（三相交流電），經逆變器反向整流后，轉換成直流電，電能經電阻柵轉變成熱能，釋放到大氣中。整個礦用卡車的驅動就是一個能量轉換的過程。礦用卡車控制系統基本原理如圖1 所示。

圖1 礦用卡車控制系統基本原理

1.1 交流逆變器基本原理

逆變模塊把直流變為交流。合適的脈沖次序控制固態功率切換設備的開和關。用于每個三相逆變模塊的功率器件是一個絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。IGBT 相當于一個電閘，它每秒可以開、關多次。每個相模塊有4 個IGBT，IGBT 是以串聯或并聯結構連接。

1.2 MT5500B 交流電動輪卡車系統控制原理

柴油機/電氣組驅動系統由驅動牽引交流發電機的發動機組成。牽引交流發電機輸出三相交流電。交流電通過三相橋式整流器變為直流電。直流電再到兩個交流逆變器輸入端。

直流電路包括正負總線，總線把直流電分為六相（每個逆變器有三相）。為了減小脈動和過濾尖峰，直流電路有4 個輸入濾波電容器（每個逆變器有2 個電容）。

直流轉換為交流有許多種方案。逆變用脈寬調制（PWM），PWM 在電動機低轉速時電流頻率固定，而高轉速時可變頻。交流電動機的轉速由交流電的頻率決定。低轉速時，頻率固定并且與PWM 聯接，這樣電動機有最大扭矩，可以產生最大加速度；當增大電流頻率時，電動機的轉速就相應增大。

逆變器的最大頻率是100 Hz，相應的電動機的轉速是3000 r/min。通過齒輪傳動比、輪胎尺寸（直徑）的變化，礦車的速度達到40 英里/小時。

動力制動時，電動機作為發電機把礦車的動能轉化為電能。發電機需要勵磁才能產生交流電。在車加速后，開始動力制動，發電機可以產生足夠的磁場而開始發電。一旦發電機開始發電，發電機就可以自勵。礦車在慣性作用下行駛，磁場就可以通過磁化的發電機來維持。這樣加速、制動后快速做出反應。產生的三相交流電輸出后用各自的三相模塊整流，三相模塊起三相橋式整流的作用，把直流電輸回到直流電路。同時，接觸器關閉，電阻柵電阻與直流電路接通。這樣電阻柵消耗電動機產生的電能而轉化為熱能。通過電風機把電阻柵上的熱量散到空氣中。

當電阻柵是直流電路的負載時，礦車將減速直到停止。速度達到零時，牽引交流發電機向逆變器輸出電流。這樣提供給每個電動齒輪合適的力矩，使礦車不需要摩擦制動就可以駐車的效果。低于1 英里/小時，可以實現從扭矩控制到速度控制的平穩過渡。

2 交流電動輪卡車系統控制功能

2.1 控制礦車狀況

控制礦車狀況的目的是根據大量輸入數據定義礦車的運行模式。輸入包括油門踏板和制動踏板，他是操作指令。控制車前進、停止、倒車。礦車輸入情況控制礦車運行模式：加速前進、加速倒車、前進制動、倒車制動、駐車制動、穩速、滾動。每種情況都給發動機一個轉速調節指令。礦車狀況的控制另一個作用是：控制運行模式，這樣可以消除對設備的潛在損壞。例如：礦車以15英里/小時向前行駛，司機可能將擋位撥到倒擋。這樣會對變速箱造成很大的損環。在這種情況下，通過軟件可以鎖定當前運行狀況，只有當速度低于設定時速才能掛入倒擋。

2.2 設置扭矩指令并發送給逆變器控制模塊

初始的扭矩指令是系統控制器設定，并且把指令傳到2 個逆變器控制模塊。系統控制器利用大量的修正和限制數據（急加速）設定指令。

來自加速踏板的信號設定基本的扭矩指令。軟件把加速踏板的信號傳到加速指令器。用脈動限制器控制斜坡信號，以減小初始加速度。這樣減小驅動設備瞬時扭矩（尤其是變速箱）。扭矩指令傳到2 個逆變器控制模塊，加速指令受到下面標準的限制：

（1）發動機最大扭矩不允許超過額定扭矩。

（2）交流發電機最大扭矩不允許超過額定輸出功率。

來自制動踏板的信號確定基本的扭矩指令。在緩行時，發動機和交流發電機沒有限制。扭矩是通過電阻柵元件的規格和直流電路電壓來控制。在緩行時扭矩指令不起作用。系統軟件控制3 個制動接觸器。根據需要的扭矩和逆變器的輸出電壓，1 個、2個或3 個緩行接觸器適時激發。

2.3 控制發動機轉速

系統控制器軟件調節發動機轉速。在空檔或裝載制動打開時，發動機轉速調整到650 r/min（怠速）。在前進時，發動機轉速提高到1300 r/min“高怠速”。在“高怠速”時，當踏下加速踏板時，發動機速度能快速做出反應。發動機轉速可以增加到最大1900 r/min。在減速時，發動機轉速調整到1300 r/min。

2.4 控制牽引交流發電機磁場

系統控制器軟件控制牽引交流發電機的輸出。實時監控直流電路電壓和三相交流輸出電流。在加速時，直流電壓調到1400 V。隨著加速扭矩的提高，電流也需要增大。為了保持電壓穩定，系統控制器把交流發電機的實際輸出電壓和電流與其指令電壓和電流相比較，比較電路輸出結果，然后自動調整交流發電機勵磁電流用以控制其磁場。

3 交流電動輪卡車逆變器控制與保護功能

3.1 扭矩和速度控制

逆變器軟件的主要功用是驅動相模塊。它把扭矩指令轉換為門驅動器輸入的開/關脈沖。門驅動器輸出控制IGBT 的打開與關閉。

處理器接收5 個基本參數：來自系統控制器的扭矩、輪馬達的實際轉速、直流電路的電壓、B 相和C 相的電流。通過調整電流頻率可以得到需要的扭矩和轉速。變頻控制不同于穩幅的脈寬調制（PWM）控制。產生的修正正弦波不同于脈沖調制產生的最大100 Hz 的頻率。

3.2 聯動裝置和安全防護

如前所述，每一個相模塊有4 個IGBT 和2 個二極管。逆變器軟件實時監測直流電路的電壓和相電流。一旦有電壓或電流過大，IGBT 脈沖將失去作用。

逆變器軟件同時確保上部2 個IGBT 和串聯的下部2 個IGBT 不同時打開。如果同時打開將使直流電路的正極和負極發生短路，這種情況叫“擊穿”。

光導纖維用于門驅動器和逆變器控制模塊之間的信息傳輸，它提供可靠、快速的傳輸信號。但是要確保上部IGBT 收到的“關閉”信號先于下部IGBT 收到的“打開”信號。這一過程是利用監測指令信號和相應的狀況信號（證實）實現的。一旦狀況信號和指令信號不相符，就發生了嚴重錯誤，逆變器立刻關閉。

3.3 打滑/滑動控制

由于地面和輪胎之間的附著力是變化的，1 個或2 個輪子可能在加速時打滑，或緩行時滑動。逆變器軟件就臨時減小扭矩。這個修正值傳到1 個車輪，或傳到同時打滑/滑動的2 個車輪。如果附著力恢復，扭矩指令也恢復到公稱值。

3.4 故障監測

為了保護硬件，一旦某一功能異常，逆變器軟件開始檢查故障。這些逆變器故障是很嚴重的，導致驅動系統關閉。相應的故障信息發送到記錄故障日志的系統控制器。

3.5 逆變器保護

3.5.1 過電流保護

在實際工作中，大部分負載都是經常變動的，因此在工作過程中或在升、降速過程中，短時間的過電流是難免的。通過改變變頻器的頻率，來降低電流。當工作電流超過限定值時，變頻器自動地適當降低其工作頻率，當工作電流降到限定值以下時，工作頻率再逐漸恢復。

3.5.2 過電壓保護

PWM 調制方式中，電路是以脈沖的方式進行工作的，由于電路中存在著繞組電感和布線電感，所以在每1 個脈沖的上升和下降過程中，可能產生峰值很大的脈沖電壓，這個電壓將疊加在直流電壓上，形成具有破壞性的脈沖高壓。在MT5500 上使用了瞬間斷路器，當直流母線電壓超過1575 V 時，瞬間斷路器打開，電壓經制動電阻消耗，當電壓降到1475 V 時，瞬間斷路器關閉，從而消除電壓峰值。

3.5.3 欠電壓及瞬間停電保護

儲能元件（濾波電容）在高電壓時充電，吸收諧波及電壓波峰，在低電壓時放電，維持系統電壓平穩。關機后電容電壓經電阻釋放。

3.5.4 電磁干擾及諧波防護

高頻化和大容量化使裝置內部電壓、電流發生劇變，不但使器件承受很大的電壓電流應力，還在裝置的輸入輸出引線及周圍空間里產生高頻電磁噪聲，引發電氣設備的誤動作。諧波會使輸入電流波形嚴重失真。電磁干擾電容器的作用是將IGBT 產生的電磁噪聲釋放。

4 結束語

MT5500 電動輪卡車使用先進的交流變頻控制系統，國產交流變頻控制系統目前已經在部分設備投入使用，通過控制原理的分析，對比國產系統運行中各項指標，以便進一步改進，從而降低卡車故障率，保證設備安全可靠運行。通過交流電動輪卡車系統控制功能及逆變器控制與保護功能的分析，為礦用交流電動輪卡車的技術改造和操作、維修提供參考。