MT5500B 交流電動輪卡車控制原理與控制功能

王 虎

（準(zhǔn)能集團設(shè)備維修中心，內(nèi)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(shè)備，載重326 t。電動輪卡車能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由4 個主要部分組成。①牽引交流發(fā)電機總成，包括主交流發(fā)電機、牽引系統(tǒng)風(fēng)機、整流器；②逆變器組包括3 個電制動接觸器、每個馬達(dá)3 個分離的逆變器、系統(tǒng)控制器；③帶冷卻風(fēng)機的制動電阻柵系統(tǒng)；④2 個輪馬達(dá)傳動單元。

1 MT5500B 交流電動輪卡車控制原理

交流驅(qū)動電動輪礦用卡車的工作原理是發(fā)動機發(fā)出的機械能通過與飛輪連接的交流發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能（三相交流電），三相交流電經(jīng)過整流器及濾波器轉(zhuǎn)換為直流電，直流電經(jīng)過逆變器（變頻器）轉(zhuǎn)換為三相交流電驅(qū)動輪馬達(dá)，也就是將電能轉(zhuǎn)換為機械能。當(dāng)動力制動（電制動）時，輪馬達(dá)由電動機狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機狀態(tài)，將車輪由于慣性產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能（三相交流電），經(jīng)逆變器反向整流后，轉(zhuǎn)換成直流電，電能經(jīng)電阻柵轉(zhuǎn)變成熱能，釋放到大氣中。整個礦用卡車的驅(qū)動就是一個能量轉(zhuǎn)換的過程。礦用卡車控制系統(tǒng)基本原理如圖1 所示。

圖1 礦用卡車控制系統(tǒng)基本原理

1.1 交流逆變器基本原理

逆變模塊把直流變?yōu)榻涣鳌：线m的脈沖次序控制固態(tài)功率切換設(shè)備的開和關(guān)。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(dāng)于一個電閘，它每秒可以開、關(guān)多次。每個相模塊有4 個IGBT，IGBT 是以串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接。

1.2 MT5500B 交流電動輪卡車系統(tǒng)控制原理

柴油機/電氣組驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動牽引交流發(fā)電機的發(fā)動機組成。牽引交流發(fā)電機輸出三相交流電。交流電通過三相橋式整流器變?yōu)橹绷麟?。直流電再到兩個交流逆變器輸入端。

直流電路包括正負(fù)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(zhuǎn)換為交流有許多種方案。逆變用脈寬調(diào)制（PWM），PWM 在電動機低轉(zhuǎn)速時電流頻率固定，而高轉(zhuǎn)速時可變頻。交流電動機的轉(zhuǎn)速由交流電的頻率決定。低轉(zhuǎn)速時，頻率固定并且與PWM 聯(lián)接，這樣電動機有最大扭矩，可以產(chǎn)生最大加速度；當(dāng)增大電流頻率時，電動機的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)增大。

逆變器的最大頻率是100 Hz，相應(yīng)的電動機的轉(zhuǎn)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(dá)到40 英里/小時。

動力制動時，電動機作為發(fā)電機把礦車的動能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機需要勵磁才能產(chǎn)生交流電。在車加速后，開始動力制動，發(fā)電機可以產(chǎn)生足夠的磁場而開始發(fā)電。一旦發(fā)電機開始發(fā)電，發(fā)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(fā)電機來維持。這樣加速、制動后快速做出反應(yīng)。產(chǎn)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(guān)閉，電阻柵電阻與直流電路接通。這樣電阻柵消耗電動機產(chǎn)生的電能而轉(zhuǎn)化為熱能。通過電風(fēng)機把電阻柵上的熱量散到空氣中。

當(dāng)電阻柵是直流電路的負(fù)載時，礦車將減速直到停止。速度達(dá)到零時，牽引交流發(fā)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(xiàn)從扭矩控制到速度控制的平穩(wěn)過渡。

2 交流電動輪卡車系統(tǒng)控制功能

2.1 控制礦車狀況

控制礦車狀況的目的是根據(jù)大量輸入數(shù)據(jù)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?？刂栖嚽斑M(jìn)、停止、倒車。礦車輸入情況控制礦車運行模式：加速前進(jìn)、加速倒車、前進(jìn)制動、倒車制動、駐車制動、穩(wěn)速、滾動。每種情況都給發(fā)動機一個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)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(shè)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(huán)。在這種情況下，通過軟件可以鎖定當(dāng)前運行狀況，只有當(dāng)速度低于設(shè)定時速才能掛入倒擋。

2.2 設(shè)置扭矩指令并發(fā)送給逆變器控制模塊

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

來自加速踏板的信號設(shè)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(qū)動設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的限制：

（1）發(fā)動機最大扭矩不允許超過額定扭矩。

（2）交流發(fā)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(fā)動機和交流發(fā)電機沒有限制。扭矩是通過電阻柵元件的規(guī)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(tǒng)軟件控制3 個制動接觸器。根據(jù)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(fā)。

2.3 控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速

系統(tǒng)控制器軟件調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速。在空檔或裝載制動打開時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整到650 r/min（怠速）。在前進(jìn)時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速提高到1300 r/min“高怠速”。在“高怠速”時，當(dāng)踏下加速踏板時，發(fā)動機速度能快速做出反應(yīng)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以增加到最大1900 r/min。在減速時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速調(diào)整到1300 r/min。

2.4 控制牽引交流發(fā)電機磁場

系統(tǒng)控制器軟件控制牽引交流發(fā)電機的輸出。實時監(jiān)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(diào)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(wěn)定，系統(tǒng)控制器把交流發(fā)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(jié)果，然后自動調(diào)整交流發(fā)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(hù)功能

3.1 扭矩和速度控制

逆變器軟件的主要功用是驅(qū)動相模塊。它把扭矩指令轉(zhuǎn)換為門驅(qū)動器輸入的開/關(guān)脈沖。門驅(qū)動器輸出控制IGBT 的打開與關(guān)閉。

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

3.2 聯(lián)動裝置和安全防護(hù)

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(jiān)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(lián)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(fù)極發(fā)生短路，這種情況叫“擊穿”。

光導(dǎo)纖維用于門驅(qū)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(guān)閉”信號先于下部IGBT 收到的“打開”信號。這一過程是利用監(jiān)測指令信號和相應(yīng)的狀況信號（證實）實現(xiàn)的。一旦狀況信號和指令信號不相符，就發(fā)生了嚴(yán)重錯誤，逆變器立刻關(guān)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(fù)，扭矩指令也恢復(fù)到公稱值。

3.4 故障監(jiān)測

為了保護(hù)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(yán)重的，導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)閉。相應(yīng)的故障信息發(fā)送到記錄故障日志的系統(tǒng)控制器。

3.5 逆變器保護(hù)

3.5.1 過電流保護(hù)

在實際工作中，大部分負(fù)載都是經(jīng)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(dāng)工作電流超過限定值時，變頻器自動地適當(dāng)降低其工作頻率，當(dāng)工作電流降到限定值以下時，工作頻率再逐漸恢復(fù)。

3.5.2 過電壓保護(hù)

PWM 調(diào)制方式中，電路是以脈沖的方式進(jìn)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(chǎn)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(dāng)直流母線電壓超過1575 V 時，瞬間斷路器打開，電壓經(jīng)制動電阻消耗，當(dāng)電壓降到1475 V 時，瞬間斷路器關(guān)閉，從而消除電壓峰值。

3.5.3 欠電壓及瞬間停電保護(hù)

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(tǒng)電壓平穩(wěn)。關(guān)機后電容電壓經(jīng)電阻釋放。

3.5.4 電磁干擾及諧波防護(hù)

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

4 結(jié)束語

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