大型礦用自卸車永磁驅(qū)動系統(tǒng)研究

張 亮，張 莉，李 斌，譚國俊

1徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司 江蘇徐州 221004

2中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 江蘇徐州 221008

載 重百噸級以上的大型礦用自卸車是露天礦山運(yùn)輸?shù)闹髁υO(shè)備，也是礦山油耗最大的設(shè)備，在大型露天煤礦和金屬礦山等場景中應(yīng)用廣泛[1]。目前，礦用自卸車主要是由電勵磁同步發(fā)電機(jī)和 A C 感應(yīng)驅(qū)動電動機(jī)及對應(yīng)的變流系統(tǒng)組成。這種電動機(jī)的轉(zhuǎn)子難以采用液體進(jìn)行冷卻，普遍采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，造成電動機(jī)的體積和質(zhì)量都相對較大；且與機(jī)械傳動相比，效率較低。近年來，地鐵、高鐵等軌道交通行業(yè)開始使用永磁驅(qū)動的技術(shù)路線，借助永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動機(jī)高效節(jié)能的特點取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。由于礦車的電傳動系統(tǒng)技術(shù)來源于機(jī)車行業(yè)，因此借鑒機(jī)車行業(yè)，將永磁驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用在大噸位礦用自卸車上，對礦山的節(jié)能減排意義重大。

筆者在簡單介紹礦用自卸車永磁驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，闡述了永磁同步牽引電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制策略。根據(jù)永磁同步牽引電動機(jī)的特性及礦用自卸車的工況特點，提出了高速段的永磁電動機(jī)弱磁控制策略，并在某永磁驅(qū)動礦車上驗證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性和有效性。

1 礦用自卸車永磁驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成

大噸位礦用自卸車一般運(yùn)距在 3～4 km，滿載上坡至卸料點后，空載返回裝載點，作業(yè)循環(huán)約半小時。因此，礦用自卸車用的驅(qū)動電動機(jī)是典型的恒轉(zhuǎn)矩啟動、恒功率運(yùn)行，且頻繁啟動、制動。為保證礦車的高效作業(yè)，驅(qū)動系統(tǒng)必須滿足如下條件：

(1)大轉(zhuǎn)矩啟動并持續(xù)至恒功點，滿足礦車滿載情況下的平地或坡道起步工況；

(2)最高轉(zhuǎn)速滿足礦車最高車速 ≥60 k m/h 的要求；

(3)全速度范圍內(nèi)保持高傳動效率，降低礦車油耗和運(yùn)營成本；

(4)免維護(hù)，體積緊湊，質(zhì)量輕，堅固耐用，能適應(yīng)嚴(yán)苛的礦山環(huán)境。

在礦車動力曲線要求下，可設(shè)計永磁驅(qū)動電動機(jī)的動力外特性曲線，其典型形式如圖1 所示。

圖1 典型礦車電動機(jī)外特性Fig.1 Typical external characteristics of mining truck motor

礦車傳統(tǒng)電傳動驅(qū)動系統(tǒng)主要通過發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)二極管不控整流器整流后逆變驅(qū)動感應(yīng)電動機(jī)；下坡緩行工況下，電動機(jī)反向發(fā)電，經(jīng)斬波后，由制動電阻消耗掉。系統(tǒng)在直流母線上掛載若干個輔變系統(tǒng)用來驅(qū)動相應(yīng)的冷卻水泵、風(fēng)扇電動機(jī)等。將傳統(tǒng)電傳動驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和電動機(jī)分別用永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動機(jī)代替，二極管整流器用四象限 P WM 整流器代替，就構(gòu)成了礦用自卸車永磁驅(qū)動系統(tǒng)，如圖2 所示。為保護(hù)系統(tǒng)安全，在永磁發(fā)電機(jī)、永磁電動機(jī)和變流器之間分別加裝接觸器進(jìn)行保護(hù)控制。

圖2 永磁驅(qū)動系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of permanent magnet drive system

2 永磁同步電動機(jī)牽引控制策略

2.1 永磁同步電動機(jī)數(shù)學(xué)模型

為便于控制，建立永磁同步電動機(jī)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，電壓方程和磁鏈方程可分別表示為

式中：ud、uq分別為d軸和q軸上的定子電壓分量，V；Rs為定子相繞組電阻，Ω；id、iq分別為d軸和q軸上的定子電流分量，A；Ld、Lq分別為d軸和q軸上的同步電感，H；p為微分算子；ω為電角速度，rad/s；ψf為永磁體在定子繞組上的磁鏈，W b；ψ d、ψq分別為d軸和q軸上的定子磁鏈分量，Wb。

2.2 永磁同步電動機(jī)矢量控制策略

在上述同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的解耦數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，搭建永磁同步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)，原理框圖如圖3 所示。在轉(zhuǎn)子磁場定向形成的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)，分解定子電流為轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流。圖3 中，轉(zhuǎn)速差經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器輸出為iq*；id、iq與給定值的偏差經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器和反 p ark 變換得到兩相靜止坐標(biāo)系上的電壓uα、uβ，其中，在反 park 變換前再加入ud、uq的解耦部分。由uα、uβ運(yùn)算形成 PWM 波控制逆變器，進(jìn)而由逆變器驅(qū)動永磁同步電動機(jī)運(yùn)行。ed、eq為電流調(diào)節(jié)器的解耦與前饋補(bǔ)償公式，其表達(dá)式分別為

圖3 PMSM 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of PMSM control system

式中：-ωLqiq、ωLdid為dq軸系之間電壓解耦項；ωψf為反電動勢前饋補(bǔ)償項。

3 永磁同步電動機(jī)弱磁控制

永磁同步電動機(jī)的磁場由固定在轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，因此不能像感應(yīng)電動機(jī)一樣通過轉(zhuǎn)子電流來調(diào)節(jié)。從圖1 電動機(jī)外特性曲線可以看出，礦車需大轉(zhuǎn)矩啟動，且調(diào)速范圍較大，因此，永磁驅(qū)動電動機(jī)在高速段需采用弱磁控制，以實現(xiàn)擴(kuò)大調(diào)速范圍和降低系統(tǒng)容量的目的。

當(dāng)永磁電動機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時，定子端電壓不能超過變頻器最大輸出電壓，即

穩(wěn)態(tài)時，式(1)和式(2)中的電流微分項等于零，且在電動機(jī)轉(zhuǎn)速較高時，定子電阻上的壓降遠(yuǎn)小于電抗上的壓降，可忽略不計。綜合以上及式(3)、(4)、(6)可得

進(jìn)而得到

式中：ψs為永磁同步電動機(jī)的定子磁鏈，Wb。

由于

式中：n為電動機(jī)極對數(shù)；ωr為機(jī)械轉(zhuǎn)速，rad/s。因此，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速較低時，滿足式(8)的要求。但當(dāng)永磁電動機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到式(8)兩邊相等時，電動機(jī)定子端電壓等于變頻器所能輸出的最大電壓，電動機(jī)轉(zhuǎn)速受此電壓限制，若想進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速，就需調(diào)節(jié)定子磁鏈。即通過加大定子直軸去磁電流分量來削弱電動機(jī)氣隙合成磁場，使電動機(jī)定子電壓平衡，這就是弱磁控制。需注意的是，永磁體在較大弱磁電流的作用下會造成退磁，因此需要保證此電流的最大值在永磁體可承受的范圍內(nèi)。

由上述分析，搭建永磁同步電動機(jī)弱磁控制策略框圖，如圖4 所示。其中，MTPA(Maximum Torque Per A mpere)模塊的作用是使單位電流產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，具體見式(10)[3]。

圖4 PMSM 弱磁控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of PMSM flux-weakening control system

4 仿真和試驗結(jié)果

根據(jù)圖4 搭建 MATLAB 仿真，在 0～0.2 s 時，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為 0，即空載啟動；在 0.2 s 時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?57.3 N·m，為額定轉(zhuǎn)矩的一半，此時功率為 30 kW。仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5(a)給出了弱磁環(huán)與 MTPA 的輸出id給定波形。圖5(b)、(c)給出了q、d軸電流給定及跟蹤波形。從仿真結(jié)果可以看出，該弱磁控制策略可以有效地對永磁電動機(jī)高速段進(jìn)行控制。

在此基礎(chǔ)上搭建試驗平臺，相關(guān)結(jié)果如圖6 所示。從試驗波形可以看出，該控制策略下系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)迅速，具備裝機(jī)驗證的能力。

圖6 PMSM 弱磁控制試驗結(jié)果Fig.6 Experiment results of PMSM flux-weakening control system

5 礦車裝機(jī)實測運(yùn)行

在前面論證工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計并搭建了全球首臺百噸級永磁驅(qū)動礦車，整機(jī)裝機(jī)功率大于 700 kW，整備質(zhì)量大于 200 t，由 2 個 400 k W 的永磁電動機(jī)驅(qū)動。圖7 給出了礦山運(yùn)行時的母線電壓以及轉(zhuǎn)矩給定與反饋?？梢钥闯觯来膨?qū)動礦車運(yùn)行平穩(wěn)，跟蹤響應(yīng)快速。經(jīng)一年的礦山試驗，裝載永磁系統(tǒng)的礦車和傳統(tǒng)礦車相比，油耗降低約 8%～10%，取得了理想的節(jié)能減排效果。

圖7 礦車運(yùn)行數(shù)據(jù)采集Fig.7 Data collection during mining truck operation

6 結(jié)語

驅(qū)動系統(tǒng)作為電傳動礦用自卸車的核心系統(tǒng)，決定了整車的動力性能和經(jīng)濟(jì)性能。筆者針對礦車用永磁電動機(jī)，搭建了其數(shù)學(xué)模型，并提出了高速區(qū)的弱磁控制策略，經(jīng)仿真、試驗和裝機(jī)實測驗證了系統(tǒng)方案和技術(shù)路線的可行性，并取得了良好的節(jié)油效果，為大噸位礦用自卸車驅(qū)動系統(tǒng)升級為永磁驅(qū)動系統(tǒng)做出了有益的探索。