MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統(tǒng)研制

張樂平 陳曉可

摘要：針對MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統(tǒng)存在電制動力矩不足的問題，提出對其交流傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。文中介紹了該交流傳動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及基本功能，研究了對其牽引逆變器、制動斬波回路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計的具體設(shè)計方法，最后通過樣機(jī)實驗對其效果進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明：通過對該型車交流傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后，其制動效果得到明顯提升，且工作性能穩(wěn)定，取得了滿意的控制效果。

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

中圖分類號：U272.6+4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0200-04

0? 引言

礦山重型電動輪自卸車因具有運(yùn)輸效率高、運(yùn)量大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，已成為年開采量千萬噸級以上露天礦山的理想運(yùn)輸工具;而作為電動輪自卸車的動力傳動方式，鑒于交流傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[4-6]，目前也已發(fā)展為其動力傳動的主流。

MT5500型電動輪自卸車目前是我國大型露天煤礦的主力車型之一，其交流傳動系統(tǒng)采用國外某公司配套產(chǎn)品。然而在實際使用過程中，其交流傳動控制系統(tǒng)便暴露出電制動力矩不足等問題，尤其是在車輛滿載下坡過程中，如果不采取提前降速（需降至低于10公里/小時）措施的話，則難以實現(xiàn)在坡道上很好的控制住車速，給安全生產(chǎn)帶來極大隱患。為此，針對目前交流傳動控制系統(tǒng)存在的上述問題，對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，并通過樣機(jī)實驗對其效果進(jìn)行了驗證，結(jié)果證明了該改進(jìn)設(shè)計的有效性和可行性。

1? 交流傳動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

交流傳動系統(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（含勵磁裝置、牽引逆變器、制動斬波控制回路）、制動電阻箱、電動輪及車載管理監(jiān)控系統(tǒng)等。其基本工作原理是：該傳動系統(tǒng)采用柴油機(jī)作為動力來源，即由柴油機(jī)帶動同步發(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?，再由牽引逆變器將其變換為可變壓變頻的交流電，驅(qū)動裝在后輪電動輪內(nèi)的牽引電機(jī)，牽引電機(jī)再通過齒輪減速裝置減速后驅(qū)動車輛運(yùn)行。每個電動輪由一獨(dú)立的牽引逆變器控制，以便為牽引和制動提供單獨(dú)扭矩控制。車輛運(yùn)行在制動工況下，牽引電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，三相交流電通過逆變器回饋到直流母線，通過制動電阻消耗其制動能量，實現(xiàn)無摩擦的電制動方式。交流傳動系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2? 牽引逆變器設(shè)計

牽引逆變器主要由牽引相模塊、控制單元、整流器、制動接觸器等組成，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，給牽引電動機(jī)供電;而在電制動模式下，其基本功能則是將電機(jī)的動能轉(zhuǎn)化為電能，在制動電阻柵上消耗掉。

2.1 牽引相模塊設(shè)計

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IGBT模塊、一個門極驅(qū)動器、一個二極管及兩個吸收電容。其中：4個IGBT模塊V1-V4組成一個上下橋，門極驅(qū)動器集成有V1-V4的門極驅(qū)動模塊DDB1-DDB4，二極管D1和兩個電容C1及C2與外部的電阻構(gòu)成吸收回路，吸收IGBT關(guān)斷時的過電壓。

2.2 控制單元設(shè)計

控制單元包括一個系統(tǒng)控制單元（SCU）和兩個逆變控制單元（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)勵磁，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能;② 實現(xiàn)自卸車牽引、制動特性計算，根據(jù)負(fù)載進(jìn)行實時功率控制，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 實時監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)出現(xiàn)異常時，能實現(xiàn)系統(tǒng)故障的自動診斷與快速保護(hù)。此外，該控制單元還優(yōu)化了自卸車的防溜車設(shè)計，實現(xiàn)了空轉(zhuǎn)滑行控制等功能，即在溜車保護(hù)模式中，其電制動力會自動調(diào)節(jié)，使車輛自動投入電制動，從而使車輛制動時不至于溜車而造成安全事故。

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?，控制逆變器將直流電變換為可變壓變頻的交流電，驅(qū)動裝在后輪電動輪內(nèi)的牽引電機(jī)，以實現(xiàn)自卸車的運(yùn)行控制。在整個控制單元中包括兩組逆變控制單元，每個逆變控制單元控制一組逆變器以驅(qū)動一個電動輪，當(dāng)一組牽引電機(jī)或逆變器模塊故障時，可通過系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)置來實現(xiàn)故障的自動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? 制動斬波回路設(shè)計

原MT5500自卸車制動斬波回路采用接觸器和瞬態(tài)斬波器實現(xiàn)制動控制，由于機(jī)械開關(guān)在大電流下斷開會產(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，對制動斬波回路進(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IGBT模塊作為制動回路的控制開關(guān)，由于IGBT模塊斬波電流可控，避免了機(jī)械開關(guān)B1在大電流情況下的斷開控制，從而可有效延長接觸器的使用壽命，達(dá)到降低制動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)帶來電磁噪聲污染、轉(zhuǎn)矩脈動等不利影響，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型電動輪自卸車交流傳動系統(tǒng)的控制要求，針對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)，同時根據(jù)逆變器輸出波形的要求，得到其開關(guān)角，再根據(jù)所得開關(guān)角對其牽引逆變器實施控制，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)實驗

為驗證上述交流傳動控制系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計的效果，構(gòu)建交流傳動實驗系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證，該實驗系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，樣機(jī)實驗如圖8所示。該實驗系統(tǒng)共有四對異步電機(jī)串聯(lián)，每對異步電機(jī)中一臺工作于牽引狀態(tài)，相當(dāng)于自卸車的牽引電機(jī)，另一臺則工作于制動狀態(tài)，相當(dāng)于自卸車的負(fù)載，工作于牽引狀態(tài)的電機(jī)由被試變頻器供電。

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

短時供電中斷實驗在于驗證牽引逆變器在短時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，測得相關(guān)實驗波形如圖9所示?？梢?，牽引逆變器在供電恢復(fù)后，能自動啟動并恢復(fù)至原工作狀態(tài)。

網(wǎng)壓跳變實驗在于驗證牽引逆變器在網(wǎng)壓發(fā)生跳變時能否保持正常運(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，測得相關(guān)實驗波形如圖10所示?？梢?，在網(wǎng)壓發(fā)生跳變過程中，牽引逆變器工作正常，保護(hù)無誤動。

換流實驗在于驗證牽引逆變器從牽引到制動的運(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)從啟動達(dá)到最高速度，然后再制動到電機(jī)停止，測得相關(guān)波形如圖11所示?？梢?，整個過程牽引逆變器工作正常。

6? 整車實驗

為進(jìn)一步驗證本文針對交流傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計的效果，針對MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統(tǒng)改進(jìn)前后的制動效果進(jìn)行對比實驗。實驗條件設(shè)為：自卸車滿載并行駛在水平路面上，在將自卸車加速至30km/h后，以最大電制動功率開始制動，測試從電制動開始至完全停車的距離。

實驗結(jié)果為：在交流傳動控制系統(tǒng)改進(jìn)前，自卸車的制動距離為45.6m;而在改進(jìn)后，其制動距離降至39.5m，即下降了6.1m?？梢姡卺槍T5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后，其制動距離得以明顯下降，因而有效提高了其制動性能。

MT5500型電動輪自卸車制動實驗現(xiàn)場情況如圖12所示。

7? 結(jié)論

針對MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統(tǒng)存在電制動力矩不足的問題，提出對其交流傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。文中介紹了該交流傳動控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及基本功能，研究了通過對其牽引逆變器、制動斬波回路進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計以克服其電制動力矩不足的具體設(shè)計方法，最后通過樣機(jī)實驗對其效果進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明：通過對該型車交流傳動控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計后，其制動效果得到明顯提升，且工作性能穩(wěn)定，確保了電動輪自卸車的安全運(yùn)行。

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