大型礦用自卸卡車無觸點式接觸器設計

郭俊義

(國家能源準能集團公司設備維修中心，內蒙古自治區 鄂爾多斯 010300)

0 引言

我國擁有豐富的礦產資源，迄今為止已發現170多種礦產資源。其中，錫、銻、稀土、菱鎂礦等礦產資源儲藏量排名世界第一，礦產資源總量排名世界第二，我國已經成為礦產資源大國。礦用自卸卡車是礦產資源開采的重要交通工具，隨著礦產資源開采量的飛速提升，大型礦用自卸卡車得到大力推廣。目前準能兩個露天煤礦就擁有220～350噸級的礦用自卸卡車180多臺。

大型礦用自卸卡車驅動系統和制動系統使用的接觸器為機械式接觸器。機械式接觸器開關流通電流能力大、裝置簡單，但缺點在于其機械動作會引起電壓和電流的大幅度抖動及拉弧、燒毀觸點的故障[1]。相關領域學者對接觸器展開了研究。趙升等[2]設計了電磁-永磁復合型接觸器結構，將電磁、永磁以及機械運動進行整合計算，通過計算參數獲得電磁-永磁復合型接觸器控制電路的控制邏輯，完成電磁-永磁復合型接觸器的設計，該接觸器提高了效率和精度，但沒有解決壽命短的問題。方朝林等[3]提出了基于混合換流技術的接觸器無弧控制策略，將強迫過零和自然換流的優點進行融合，結合新型電路拓撲結構，經過理論分析實現接觸器無弧控制，該方法可以有效提升機械運行壽命，但沒有解決維護成本高的問題。為了解決以上問題，本文設計了大型礦用自卸卡車無觸點接觸器。

1 大型礦用自卸卡車無觸點式接觸器工作原理

大型礦用自卸卡車RP1/RP2制動接觸器工作原理：司機踩下動態制動踏板(動態手柄)—制動接觸器吸合—卡車運行中的機械能通過電動輪轉化為直流電輸入電阻柵—電阻柵風機導通給電阻柵散熱[4]。通過能量守恒定律得出：礦用卡車動態制動能量變化為礦用卡車運行的機械能—電能—熱能，最后通過電阻柵風機將熱能吹入空氣，礦用重型卡車的動態制動工作電路如圖1所示。

根據圖1可以看出，DCP為直流母線正極，DCN為直流母線負極，VAM3是電壓衰減模塊(變比為200∶1)，主要監測直流母線兩側電壓是否正常。

圖1 礦用重型卡車動態制動工作電路圖

FDR、GRR分別是濾波放電電阻、接地故障電阻。當礦用重型卡車直流母線出現接地，接地電流>641mA時，會報出接地故障代碼，根據對應的數據判斷是直流母線正極或負極接地。

BM1、BM2、BM11、BM21分別代表1號、2號電阻柵風機以及1號、2號電阻柵電流互感器。

RP1、RP2為礦用重型卡車制動回路控制開關，當RP1、RP2接觸器吸合時制動回路接通，礦用重型卡車動態制動回路接通，無觸點式接觸器主要用于取代RP1、RP2接觸器。

2 大型礦用自卸卡車無觸點接觸器整體組成

大型礦用自卸卡車無觸點接觸器整體組成包括控制單元、散熱單元、IGBT單元、安裝座4個部分，無觸點式接觸器模塊如圖2所示。

圖2 無觸點式接觸器模塊

控制單元主要包括主控制器、4G模塊；散熱單元包括冷卻風扇、散熱器；IGBT單元包括IGBT、驅動板、復合母排[5]。

3 大型礦用自卸卡車無觸點式接觸器控制單元設計

無觸點式接觸器控制單元主要包括主控制器、4G模塊。主控制器主要用于實現邏輯控制；4G模塊主要用于向云端服務器傳輸數據。

3.1 主控制器硬件設計

控制板核心控制器為STM32F405VGT6，芯片采用ARMCortex-M4內核1兆字節的Flash，168MHz的CPU，滿足控制要求。CPLD選用EPM507T100I5N，其功耗低、可靠性高。

采用控制板集成8路數字量I/O通道，實現數字量信號的輸入和輸出，使用4路模擬量通道，實現電壓和電流信號的采集；兩路PT100溫度采集信號，用于監測散熱器溫度；1路CAN通道；1路串口通道。控制板還安裝了4個歐姆龍的繼電器，模擬接觸器的常開、常閉觸點。主控制器硬件設計如圖3所示。

圖3 主控制器硬件設計

3.2 主控制器軟件設計

控制系統通過數字量I/O通道，采集整車微機控制器發出的吸合信號。電流傳感器信號通過模擬通道輸入控制器。當控制器收到吸合信號，且電流、溫度無異常時，利用光纖將PWM脈沖信號輸送至IGBT驅動板，驅動板將接收到的信號轉化為動作的反饋信號，再利用光纖傳送至控制板，實時監測IGBT的工作狀態。

3.3 4G模塊硬件設計

4G控制板的結構由上層控制板和下層控制板組成，上層控制板主要由4G卡槽、1路串口通道構成。下層控制板集成STM32F405VGT6控制芯片、SD槽；1路CAN通道。

3.4 4G模塊軟件設計

采集到的實時數據經控制板CAN端口傳輸到4G芯片，由4G芯片將信息發送到云端服務器，用戶可以從客戶端直接登錄云端服務器讀取車輛運行信息。在4G信號較弱的環境下信號會存儲到板載的SD卡中，確保所有信息不會丟失，當4G信號恢復時，軟件會檢索SD卡中的信息和云端服務器信息，及時將未發送到云端服務器的信息發送上去。

4 大型礦用自卸卡車無觸點接觸器散熱單元設計

無觸點接觸器散熱單元包括冷卻風扇、散熱器。由于無觸點接觸器需要安裝在電器柜內，需在電器柜側門上加裝進風口，在電器柜頂蓋上加裝出風口。風自側門進入，流經風扇、散熱片，最后從頂蓋的出風口排到外界，使電器與外界實現熱量傳遞，防止電器內部熱量過高。改造后的結構如圖4、圖5所示。

圖4 改造后電器柜側門、頂蓋

圖5 改造后頂蓋出風口

由于IGBT功率模塊采用強制性風冷散熱設計，對散熱器設計及選材極其嚴格，不僅要保證散熱器的散熱能力，也要保證散熱器具備耐絕緣、耐高溫、耐高壓能力，除此之外散熱器還要抗振動、沖擊能力強，以滿足礦用自卸卡車工況要求。

針對散熱器的抗震動、沖擊能力進行仿真，并對其進行分析，結果如圖6-圖8所示。

圖6 應力示意圖

圖7 應力位移示意圖

圖8 應力應變示意圖

通過分析圖6、圖7及圖8可知，散熱片材質為6063鋁合金。鑒于使用環境簡化受力，于安裝座頂部施加640N·m轉矩進行分析。其最大值位置的應力值為14.49MPa，位移量為0.015mm，應變為1.355×10-4，遠小于材料屈服強度，且在允許變形量范圍內。

風扇型號為D5920N-05W-B75供電電壓24V 。風扇風量-風壓特性如圖9所示。

圖9 風扇風量-風壓特性

分析圖9曲線可知，當靜壓為0.0 Pa(0.0 mmH2O)時，風量為8.96 m3/min(320.0CFM)；隨著靜壓的增大風量逐漸減小，當靜壓為235.2 Pa(24.0mmH2O)時，風量為0.0 m3/min(0.0 CFM)。即風扇的最大風量為320.0 CFM，滿足設計需求。

5 大型礦用自卸卡車無觸點接觸器IGBT單元設計

IGBT的全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是MOSFET和BJT的組合體，既有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又有BJT的雙載流子達到大電流(低導通壓降)，使IGBT的驅動功率小、飽和壓降低。在直流電壓為600V及以上的變流系統中被廣泛應用[6]。本項目選用ABB 公司IGBT模塊，其最大耐壓等級≥3300V，最大通過電流≥1500A。IGBT模塊如圖10所示。

圖10 IGBT模塊

驅動板應具有良好的電子性能，確保光信號傳輸穩定，有足夠輸出電隔離能力。還要確保IGBT保護功能的完整性，來保證IGBT的可靠工作[7]。本項目選用的驅動板如圖11所示。

圖11 驅動板

低感母排通常用于高集成、低電感要求的回路中，主要結構包括導電體、絕緣體、支撐構件、連接螺栓，其阻抗低、抗干擾能力強、裝配簡單，被廣泛應用于電力機車、風力發電等方面。本文對低感母排的低阻抗特性研究，是功率模塊設計關鍵。IGBT、驅動板、復合母排的實際安裝結構如圖12所示。

圖12 低感母排

6 結語

IGBT是MOSFET和BJT的組合體，擁有電壓高、電流大、頻率高、導通電阻小等特點，分斷時不會導致電壓和電流的大幅度抖動及拉弧、燒毀觸點的故障。IGBT無觸點接觸器使用壽命超過機械式接觸器壽命，并且可以降低維護頻率，從而有效減小了維修人員勞動強度。