MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)研制

張樂(lè)平 陳曉可

摘要：針對(duì)MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)存在電制動(dòng)力矩不足的問(wèn)題，提出對(duì)其交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。文中介紹了該交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及基本功能，研究了對(duì)其牽引逆變器、制動(dòng)斬波回路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)其效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)該型車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，其制動(dòng)效果得到明顯提升，且工作性能穩(wěn)定，取得了滿(mǎn)意的控制效果。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)輪自卸車(chē);交流傳動(dòng)控制系統(tǒng);改進(jìn)設(shè)計(jì);樣機(jī)研制

中圖分類(lèi)號(hào)：U272.6+4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）05-0200-04

0? 引言

礦山重型電動(dòng)輪自卸車(chē)因具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，已成為年開(kāi)采量千萬(wàn)噸級(jí)以上露天礦山的理想運(yùn)輸工具;而作為電動(dòng)輪自卸車(chē)的動(dòng)力傳動(dòng)方式，鑒于交流傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，目前也已發(fā)展為其動(dòng)力傳動(dòng)的主流。

MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)目前是我國(guó)大型露天煤礦的主力車(chē)型之一，其交流傳動(dòng)系統(tǒng)采用國(guó)外某公司配套產(chǎn)品。然而在實(shí)際使用過(guò)程中，其交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)便暴露出電制動(dòng)力矩不足等問(wèn)題，尤其是在車(chē)輛滿(mǎn)載下坡過(guò)程中，如果不采取提前降速（需降至低于10公里/小時(shí)）措施的話(huà)，則難以實(shí)現(xiàn)在坡道上很好的控制住車(chē)速，給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大隱患。為此，針對(duì)目前交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)存在的上述問(wèn)題，對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)其效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果證明了該改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性和可行性。

1? 交流傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

交流傳動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括：柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、通風(fēng)機(jī)、整流裝置、變流器柜（含勵(lì)磁裝置、牽引逆變器、制動(dòng)斬波控制回路）、制動(dòng)電阻箱、電動(dòng)輪及車(chē)載管理監(jiān)控系統(tǒng)等。其基本工作原理是：該傳動(dòng)系統(tǒng)采用柴油機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，即由柴油機(jī)帶動(dòng)同步發(fā)電機(jī)發(fā)電，同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電首先經(jīng)整流裝置變?yōu)橹绷麟姾螅儆蔂恳孀兤鲗⑵渥儞Q為可變壓變頻的交流電，驅(qū)動(dòng)裝在后輪電動(dòng)輪內(nèi)的牽引電機(jī)，牽引電機(jī)再通過(guò)齒輪減速裝置減速后驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)行。每個(gè)電動(dòng)輪由一獨(dú)立的牽引逆變器控制，以便為牽引和制動(dòng)提供單獨(dú)扭矩控制。車(chē)輛運(yùn)行在制動(dòng)工況下，牽引電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，三相交流電通過(guò)逆變器回饋到直流母線(xiàn)，通過(guò)制動(dòng)電阻消耗其制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦的電制動(dòng)方式。交流傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2? 牽引逆變器設(shè)計(jì)

牽引逆變器主要由牽引相模塊、控制單元、整流器、制動(dòng)接觸器等組成，其主電路如圖2所示。

在牽引模式下，逆變器的基本功能是控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，并將直流電壓變換成幅值和頻率都可調(diào)的三相交流電，給牽引電動(dòng)機(jī)供電;而在電制動(dòng)模式下，其基本功能則是將電機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，在制動(dòng)電阻柵上消耗掉。

2.1 牽引相模塊設(shè)計(jì)

牽引相模塊的電氣原理圖如圖3所示。

在牽引相模塊內(nèi)部集成有4個(gè)IGBT模塊、一個(gè)門(mén)極驅(qū)動(dòng)器、一個(gè)二極管及兩個(gè)吸收電容。其中：4個(gè)IGBT模塊V1-V4組成一個(gè)上下橋，門(mén)極驅(qū)動(dòng)器集成有V1-V4的門(mén)極驅(qū)動(dòng)模塊DDB1-DDB4，二極管D1和兩個(gè)電容C1及C2與外部的電阻構(gòu)成吸收回路，吸收IGBT關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓。

2.2 控制單元設(shè)計(jì)

控制單元包括一個(gè)系統(tǒng)控制單元（SCU）和兩個(gè)逆變控制單元（ICU），其原理框圖如圖4所示。

其中：系統(tǒng)控制單元（SCU）的基本功能主要包括：① 控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能;② 實(shí)現(xiàn)自卸車(chē)牽引、制動(dòng)特性計(jì)算，根據(jù)負(fù)載進(jìn)行實(shí)時(shí)功率控制，確保柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、逆變器和牽引電機(jī)的功率匹配;③ 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障的自動(dòng)診斷與快速保護(hù)。此外，該控制單元還優(yōu)化了自卸車(chē)的防溜車(chē)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了空轉(zhuǎn)滑行控制等功能，即在溜車(chē)保護(hù)模式中，其電制動(dòng)力會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，使車(chē)輛自動(dòng)投入電制動(dòng)，從而使車(chē)輛制動(dòng)時(shí)不至于溜車(chē)而造成安全事故。

逆變控制單元（ICU）的基本功能是：發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)整流裝置變?yōu)橹绷麟姾螅刂颇孀兤鲗⒅绷麟娮儞Q為可變壓變頻的交流電，驅(qū)動(dòng)裝在后輪電動(dòng)輪內(nèi)的牽引電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)自卸車(chē)的運(yùn)行控制。在整個(gè)控制單元中包括兩組逆變控制單元，每個(gè)逆變控制單元控制一組逆變器以驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)輪，當(dāng)一組牽引電機(jī)或逆變器模塊故障時(shí)，可通過(guò)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)故障的自動(dòng)隔離而不影響另外一組牽引電機(jī)和逆變器的正常工作。

3? 制動(dòng)斬波回路設(shè)計(jì)

原MT5500自卸車(chē)制動(dòng)斬波回路采用接觸器和瞬態(tài)斬波器實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)在大電流下斷開(kāi)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的拉弧現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響接觸器的使用壽命，導(dǎo)致故障率大幅上升。為此，對(duì)制動(dòng)斬波回路進(jìn)行了改進(jìn)，其電氣原理圖如圖5所示。圖5中，采用接觸器B1和兩個(gè)IGBT模塊作為制動(dòng)回路的控制開(kāi)關(guān)，由于IGBT模塊斬波電流可控，避免了機(jī)械開(kāi)關(guān)B1在大電流情況下的斷開(kāi)控制，從而可有效延長(zhǎng)接觸器的使用壽命，達(dá)到降低制動(dòng)斬波回路故障率的目的。

4? 基于諧波消除的矢量控制策略

由于逆變器輸出諧波將給牽引電機(jī)帶來(lái)電磁噪聲污染、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不利影響，因此研究采用一種能有效抑制諧波的控制方法就顯得尤為重要。

根據(jù)MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)交流傳動(dòng)系統(tǒng)的控制要求，針對(duì)其牽引逆變器提出采用基于諧波消除的矢量控制方法，取得了較好的控制效果。其基本原理是：根據(jù)擬定需要消除的諧波次數(shù)，同時(shí)根據(jù)逆變器輸出波形的要求，得到其開(kāi)關(guān)角，再根據(jù)所得開(kāi)關(guān)角對(duì)其牽引逆變器實(shí)施控制，從而可達(dá)到降低其輸出諧波的目的。有關(guān)諧波消除的示意圖如圖6所示。

5? 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證上述交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)的效果，構(gòu)建交流傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)如圖8所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共有四對(duì)異步電機(jī)串聯(lián)，每對(duì)異步電機(jī)中一臺(tái)工作于牽引狀態(tài)，相當(dāng)于自卸車(chē)的牽引電機(jī)，另一臺(tái)則工作于制動(dòng)狀態(tài)，相當(dāng)于自卸車(chē)的負(fù)載，工作于牽引狀態(tài)的電機(jī)由被試變頻器供電。

利用該套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別針對(duì)所研制的牽引逆變器進(jìn)行短時(shí)供電中斷實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)壓跳變實(shí)驗(yàn)與換流實(shí)驗(yàn)。其中：

短時(shí)供電中斷實(shí)驗(yàn)在于驗(yàn)證牽引逆變器在短時(shí)中斷供電后能否恢復(fù)正常運(yùn)行，具體方法為：使?fàn)恳孀兤鲙ж?fù)載穩(wěn)定運(yùn)行，突然中斷供電，并于5s后恢復(fù)供電，測(cè)得相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。可見(jiàn)，牽引逆變器在供電恢復(fù)后，能自動(dòng)啟動(dòng)并恢復(fù)至原工作狀態(tài)。

網(wǎng)壓跳變實(shí)驗(yàn)在于驗(yàn)證牽引逆變器在網(wǎng)壓發(fā)生跳變時(shí)能否保持正常運(yùn)行，其具體方法為：牽引逆變器正常輸入電壓為1100V，在運(yùn)行中突然將其電壓增至1400V，經(jīng)2s后又降至1100V，測(cè)得相關(guān)實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。可見(jiàn)，在網(wǎng)壓發(fā)生跳變過(guò)程中，牽引逆變器工作正常，保護(hù)無(wú)誤動(dòng)。

換流實(shí)驗(yàn)在于驗(yàn)證牽引逆變器從牽引到制動(dòng)的運(yùn)行性能，其具體方法為：令牽引逆變器輸入電壓為1400V，并使逆變器以最大基準(zhǔn)轉(zhuǎn)矩將牽引電機(jī)從啟動(dòng)達(dá)到最高速度，然后再制動(dòng)到電機(jī)停止，測(cè)得相關(guān)波形如圖11所示。可見(jiàn)，整個(gè)過(guò)程牽引逆變器工作正常。

6? 整車(chē)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文針對(duì)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)的效果，針對(duì)MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)改進(jìn)前后的制動(dòng)效果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件設(shè)為：自卸車(chē)滿(mǎn)載并行駛在水平路面上，在將自卸車(chē)加速至30km/h后，以最大電制動(dòng)功率開(kāi)始制動(dòng)，測(cè)試從電制動(dòng)開(kāi)始至完全停車(chē)的距離。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：在交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)改進(jìn)前，自卸車(chē)的制動(dòng)距離為45.6m;而在改進(jìn)后，其制動(dòng)距離降至39.5m，即下降了6.1m。可見(jiàn)，在針對(duì)MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，其制動(dòng)距離得以明顯下降，因而有效提高了其制動(dòng)性能。

MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)制動(dòng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)情況如圖12所示。

7? 結(jié)論

針對(duì)MT5500型電動(dòng)輪自卸車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)存在電制動(dòng)力矩不足的問(wèn)題，提出對(duì)其交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。文中介紹了該交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及基本功能，研究了通過(guò)對(duì)其牽引逆變器、制動(dòng)斬波回路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以克服其電制動(dòng)力矩不足的具體設(shè)計(jì)方法，最后通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)其效果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)該型車(chē)交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，其制動(dòng)效果得到明顯提升，且工作性能穩(wěn)定，確保了電動(dòng)輪自卸車(chē)的安全運(yùn)行。

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