930E 礦用自卸卡車制動能量回收與利用系統

蘇良碧

（中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036002）

礦用自卸卡車在運行的過程中，大概25%的能量消耗在制動過程中。電氣驅動系統主要采用能耗制動的方式進行制動，即電動輪中的動能轉換為電能再通過電阻柵進行消耗，如果對卡車所消耗的制動能量進行有效回收利用，實現節能降耗的同時還可以減少污染氣體的排放。中煤平朔集團與武漢科技大學共同成功研制了1 套礦用自卸卡車制動能量回收與利用系統，在卡車制動時通過DC/DC 變換電路將制動能量傳輸到儲能系統中儲存起來，在卡車需要電能時再將這部分能量回饋到電氣驅動系統中，通過以上方式可有效實現礦用自卸卡車制動能量的回收與利用[1]。

1 礦用卡車制動系統工作原理

1.1 930E 礦用自卸卡車電氣系統

小松（KOMATSU）公司生產的930E 型礦用自卸卡車是中煤平朔集團的主要露天采礦機械，該型號礦用卡車采用了最新型的交流變頻調速控制系統，具有安全性好、載重量大、運行速度快的特點。該型號礦用自卸卡車的電氣驅動系統主要由發動機、發電機、整流器、逆變器、制動電阻柵等組成，930E 礦用卡車變頻驅動系統如圖1。

圖1 930E 礦用卡車變頻驅動系統

1）卡車工作于正常牽引模式時，燃油發動機帶動同軸的發電機進行發電，整流電路將發電機所發出的交流電整流為直流電輸送到公共直流母線上，通過中間電容進行穩壓濾波后，輸送到由功率元器件IGBT 所組成的逆變器電路，在INVERTEX 系統控制下，直流電再次轉換為交流電輸送到電動輪定子繞組中，并在定子繞組中形成旋轉磁場。磁感應線切割轉子繞組中的鼠籠導條并形成與定子繞組磁場方向相同的旋轉磁場，定子中的磁場吸引（排斥）轉子中的磁場，轉子旋轉并輸出與定子磁場方向相同的扭矩，帶動電動輪轉動，卡車實現牽引過程。

2）卡車工作于動態制動模式時，卡車由于慣性的作用帶動電動輪轉子旋轉，其轉速高于電動輪定子磁場的旋轉速度，此時轉子鼠籠導條切割定子旋轉磁場的磁感應線，在轉子中產生旋轉磁場，轉子吸引（排斥）定子磁場，轉子輸出與定子方向相反的扭矩，轉子起到制動的作用，此時電動輪可以看做是發電機，即將卡車在行駛過程中產生的動能轉換為三相交流電，通過逆變器電路將能量逆向整流后消耗在公共直流母線中的制動電阻柵上。制動能量以熱量的形式通過風機散熱，從而達到減速的目的[2]。

1.2 變頻驅動系統制動方式

1）能耗制動。該制動方式通過逆變技術將制動電能轉換為直流電回饋到直流母線，通過直流回路中的制動電阻來吸收電機在制動過程中所產生的的動能，實現變頻器快速制動的過程，制動電氣回路主要由斬波器與制動電阻所組成。能耗制動的優點：組成結構簡單、成本低廉、對電網無污染。由于礦用卡車多采用的是發動機－發電機－電動機結構的調速系統，因此非常適用于采用能耗制動的方式。能耗制動的缺點是：運行效率低，能耗大，礦車在頻繁制動的過程中需要消耗大量的制動能量，同時需要更大容量的制動電阻。

2）回饋制動。回饋制動是將制動過程中所產生的能量通過有源逆變技術轉換為與供電電源同頻率同相位的交流電回饋電網，從而實現回饋制動的過程。回饋制動的優點是：可以使電機在四象限運行，制動能量直接回饋電網，能量回收速度快、效率高、利用率大。回饋制動的缺點是：對供電電源的要求比較高，只有在電網電壓穩定的情況下（電壓波動小于15%），才可以使用回饋制動，因此適用于外接大容量供電電源的采掘機械，例如電鏟、采煤機等設備。在回饋制動的過程中，如果電網電壓故障時間大于2 ms，就可能造成系統換向失敗，產生故障，造成電氣元器件損壞。同時其控制結構復雜，配件成本較高，系統故障率高，在回饋過程中會對供電電網造成污染。

3）直流制動。實現該制動方式需要變頻器的輸出接近為0，同時電動機的轉速下降到一定數值時，變頻系統向電動機定子繞組中通入直流電，在定子繞組中形成靜止磁場，旋轉的轉子切割靜止磁場產生制動轉矩，使電動機迅速停止旋轉。該制動方式適用于需要平穩無沖擊、準確停車的場合，例如行吊、起重機、提升機等；或者適用于電機啟動前由于外界等因素造成電機不規則旋轉，需要保持電機靜止的場合[3]，例如礦井中使用的中大型風機，在變頻器停止輸出的狀態下，風管中由于壓差所造成的的風很可能造成風葉自由旋轉甚至反轉，此時就需要使用到直流制動。

2 930E 礦用自卸卡車制動能量回收與利用系統

制動能量的回收與利用一直是變頻驅動系統研究的重點與難點，利用儲能技術很好地解決了這一難題，具體設計思路為：將卡車制動過程中所產生的能量儲存在儲能系統當中，當卡車需要動能時再將這一部分能量回饋到驅動系統當中，從而減少能量的損耗，實現了能源利用的最大化。常見的儲能技術有電池儲能、電容器儲能、電感器儲能等[4]，本項目采用由超級電容與蓄電池所組成的儲能結構。

2.1 能量回收與利用系統結構原理

根據大型礦用自卸車電氣制動系統的特點，本項目利用DC/DC 雙向變換電路將制動能量回收儲存到超級電容和蓄電池當中；當礦用卡車加速行駛過程中需要使用動能時，超級電容與蓄電池中的能量再通過DC/DC 雙向變換電路回饋到直流母線當中[5]。DC/DC 雙向變換電路具體組成結構為H 橋變換電路，該電路由4 個IGBT 所組成，輸入端與卡車電氣驅動系統的直流母線相連接，輸出端與儲能蓄電池相連接，能量回收回饋系統結構圖如圖2。

圖2 能量回收回饋系統結構圖

H 橋電路使能量實現了雙向流動，能量回收與回饋的具體過程如下：

1）能量回收過程。當礦用卡車處于剎車或者下坡狀態時，此時電動輪的實際轉速大于設定轉速，電機轉子轉速高定子于磁場轉速，電動機處于正轉制動狀態，此時功率元器件S2與S3導通[6]。電路的左半部分組成BOOST 電路，該電路使直流母線電壓升高并保持穩定，超級電容作為前級儲能元件用于吸收波峰電壓與浪涌電流。電路的右半部分組成BUCK電路，該電路使直流母線電壓得到降低并將最終的制動能量儲存到蓄電池當中，從而完成了能量的回收與儲存過程。

2）能量回饋過程。當礦用卡車處于加速行駛狀態時，此時電動輪的轉速低于設定轉速，電機轉子轉速低于磁場轉速，功率元器件S1與S4導通。電路的右半部分組成BOOST 電路，該部分電路將蓄電池的電壓升高并保持直流母線電壓穩定，蓄電池中的能量流動到超級電容當中。電路的左半部分組成BUCK電路，該部分將直流母線的電壓進行降壓，并根據礦車的運行狀態將超級電容中的能量回饋到變頻驅動系統當中，完成能量的回饋過程[7]，制動能量的回饋過程與回收過程恰好相反。

2.2 硬 件

礦用自卸卡車制動能量回收與利用系統的核心控制器主要由DSP+FPGA 所組成，該硬件架構利用到了DSP 芯片復雜數據處理能力與FPGA 芯片的快速數據處理速度，具有結構靈活、通用性強、模塊化設計、算法效率高的特點。DSP 控制器主要負責進行數據處理、邏輯運算、算法控制，主要負責控制與監測各個接觸器（K1、K2、K3、K4）的運行狀態，以及監測卡車電機電壓電流等信號；FPGA 主要負責對H橋DCDC 變換電路的4 個IGBT 進行開關控制（輸出高速PWM 脈沖控制IGBT 的關斷），以及進行高速模擬量信號采樣，控制系統結構如圖3。

圖3 控制系統結構圖

本系統需要監測的輸入量信號以及輸出控制信號主要包括：

1）模擬量輸入信號。電機電流、蓄電池電流、發電機電流、電機電壓、直流母線電壓、蓄電池電壓、剎車踏板電壓、油門踏板電壓、超級電容電流、超級電容電壓等信號。

2）數字量輸入信號。電機側接觸器反饋信號K1、蓄電池側接觸器K2反饋信號、預充電接觸器K3反饋信號、直流母線接觸器K4反饋信號、系統運行信號、系統復位等信號。

3）數字量輸出信號。接觸器（K1、K2、K3、K4）控制信號、能量回收（蓄電池儲能）信號、能量回饋信號、正常運行信號、故障信號、停機信號。

2.3 軟 件

能量回收回饋控制系統首先通過AD 模數轉換電路采集電機、直流母線、蓄電池的電壓信號，通過所采集到的信號對電動輪的運行狀態及蓄電池的充放電狀態進行分析與判斷，然后根據相應的算法控制H 橋電路的運行實現能量的回收與回饋[8]，控制程序設計圖如圖4。

圖4 控制程序設計圖

1）制動能量回收與利用效率最優化。由于礦車現場工作環境惡劣，道路崎嶇不平，坡度較大，造成電動輪的各項電氣參數變化很大，這需要根據礦用卡車的運行狀態及道路狀況制定合適的控制策略，在適當的時間實現能量的回收回饋過程，從而實現制動能量回收與利用效率最大化[9]。

2）蓄電池荷電狀態工作區間最優化。蓄電池荷電狀態的運行區間在很大程度上影響到蓄電池的使用壽命與使用效率，電池工作區間的最優化能有效的延遲蓄電池的使用壽命，增加儲能系統的可靠性與經濟性。

3）卡車牽引電機工作區間的最優化。每種型號的電機都有各自的特性曲線圖，在電機轉速一定的情況下，都會確定出一些效率最高的點，這些點稱為電機的最佳效率工作點，所連成的曲線稱為電機最佳效率曲線。在滿足電機性能的情況下，使電機盡可能工作在特性曲線最優區間上，能使電機的工作效率最優化。

4 結語

根據礦用自卸卡車電氣制動的特點與過程，對制動能量回收與回饋系統進行了研究。通過在中煤平朔集團露天采礦現場實際驗證，系統的可靠性與穩定性均達到了實際使用需求，對礦用卡車在制動過程中所產生的的能量進行了有效回收與利用，在節能減排、資源利用與回收、減少環境污染方面具有積極意義。