930E 礦用自卸卡車制動能量回收與利用系統(tǒng)

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(qū)動系統(tǒng)主要采用能耗制動的方式進行制動，即電動輪中的動能轉(zhuǎn)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(xiàn)節(jié)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(xué)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(tǒng)，在卡車制動時通過DC/DC 變換電路將制動能量傳輸?shù)絻δ芟到y(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)中，通過以上方式可有效實現(xiàn)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(tǒng)工作原理

1.1 930E 礦用自卸卡車電氣系統(tǒng)

小松（KOMATSU）公司生產(chǎn)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(diào)速控制系統(tǒng)，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(qū)動系統(tǒng)主要由發(fā)動機、發(fā)電機、整流器、逆變器、制動電阻柵等組成，930E 礦用卡車變頻驅(qū)動系統(tǒng)如圖1。

圖1 930E 礦用卡車變頻驅(qū)動系統(tǒng)

1）卡車工作于正常牽引模式時，燃油發(fā)動機帶動同軸的發(fā)電機進行發(fā)電，整流電路將發(fā)電機所發(fā)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(wěn)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(tǒng)控制下，直流電再次轉(zhuǎn)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(zhuǎn)磁場。磁感應(yīng)線切割轉(zhuǎn)子繞組中的鼠籠導(dǎo)條并形成與定子繞組磁場方向相同的旋轉(zhuǎn)磁場，定子中的磁場吸引（排斥）轉(zhuǎn)子中的磁場，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并輸出與定子磁場方向相同的扭矩，帶動電動輪轉(zhuǎn)動，卡車實現(xiàn)牽引過程。

2）卡車工作于動態(tài)制動模式時，卡車由于慣性的作用帶動電動輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速高于電動輪定子磁場的旋轉(zhuǎn)速度，此時轉(zhuǎn)子鼠籠導(dǎo)條切割定子旋轉(zhuǎn)磁場的磁感應(yīng)線，在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子吸引（排斥）定子磁場，轉(zhuǎn)子輸出與定子方向相反的扭矩，轉(zhuǎn)子起到制動的作用，此時電動輪可以看做是發(fā)電機，即將卡車在行駛過程中產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)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(fēng)機散熱，從而達到減速的目的[2]。

1.2 變頻驅(qū)動系統(tǒng)制動方式

1）能耗制動。該制動方式通過逆變技術(shù)將制動電能轉(zhuǎn)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(chǎn)生的的動能，實現(xiàn)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(yōu)點：組成結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、對電網(wǎng)無污染。由于礦用卡車多采用的是發(fā)動機－發(fā)電機－電動機結(jié)構(gòu)的調(diào)速系統(tǒng)，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?；仞佒苿邮菍⒅苿舆^程中所產(chǎn)生的能量通過有源逆變技術(shù)轉(zhuǎn)換為與供電電源同頻率同相位的交流電回饋電網(wǎng)，從而實現(xiàn)回饋制動的過程?；仞佒苿拥膬?yōu)點是：可以使電機在四象限運行，制動能量直接回饋電網(wǎng)，能量回收速度快、效率高、利用率大?；仞佒苿拥娜秉c是：對供電電源的要求比較高，只有在電網(wǎng)電壓穩(wěn)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(shè)備。在回饋制動的過程中，如果電網(wǎng)電壓故障時間大于2 ms，就可能造成系統(tǒng)換向失敗，產(chǎn)生故障，造成電氣元器件損壞。同時其控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配件成本較高，系統(tǒng)故障率高，在回饋過程中會對供電電網(wǎng)造成污染。

3）直流制動。實現(xiàn)該制動方式需要變頻器的輸出接近為0，同時電動機的轉(zhuǎn)速下降到一定數(shù)值時，變頻系統(tǒng)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割靜止磁場產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，使電動機迅速停止旋轉(zhuǎn)。該制動方式適用于需要平穩(wěn)無沖擊、準(zhǔn)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(guī)則旋轉(zhuǎn)，需要保持電機靜止的場合[3]，例如礦井中使用的中大型風(fēng)機，在變頻器停止輸出的狀態(tài)下，風(fēng)管中由于壓差所造成的的風(fēng)很可能造成風(fēng)葉自由旋轉(zhuǎn)甚至反轉(zhuǎn)，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(tǒng)

制動能量的回收與利用一直是變頻驅(qū)動系統(tǒng)研究的重點與難點，利用儲能技術(shù)很好地解決了這一難題，具體設(shè)計思路為：將卡車制動過程中所產(chǎn)生的能量儲存在儲能系統(tǒng)當(dāng)中，當(dāng)卡車需要動能時再將這一部分能量回饋到驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)中，從而減少能量的損耗，實現(xiàn)了能源利用的最大化。常見的儲能技術(shù)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(jié)構(gòu)。

2.1 能量回收與利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)大型礦用自卸車電氣制動系統(tǒng)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(dāng)中；當(dāng)?shù)V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(dāng)中[5]。DC/DC 雙向變換電路具體組成結(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 能量回收回饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

H 橋電路使能量實現(xiàn)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(dāng)?shù)V用卡車處于剎車或者下坡狀態(tài)時，此時電動輪的實際轉(zhuǎn)速大于設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高定子于磁場轉(zhuǎn)速，電動機處于正轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，此時功率元器件S2與S3導(dǎo)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(wěn)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(dāng)中，從而完成了能量的回收與儲存過程。

2）能量回饋過程。當(dāng)?shù)V用卡車處于加速行駛狀態(tài)時，此時電動輪的轉(zhuǎn)速低于設(shè)定轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于磁場轉(zhuǎn)速，功率元器件S1與S4導(dǎo)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(wěn)定，蓄電池中的能量流動到超級電容當(dāng)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(jù)礦車的運行狀態(tài)將超級電容中的能量回饋到變頻驅(qū)動系統(tǒng)當(dāng)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(tǒng)的核心控制器主要由DSP+FPGA 所組成，該硬件架構(gòu)利用到了DSP 芯片復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力與FPGA 芯片的快速數(shù)據(jù)處理速度，具有結(jié)構(gòu)靈活、通用性強、模塊化設(shè)計、算法效率高的特點。DSP 控制器主要負(fù)責(zé)進行數(shù)據(jù)處理、邏輯運算、算法控制，主要負(fù)責(zé)控制與監(jiān)測各個接觸器（K1、K2、K3、K4）的運行狀態(tài)，以及監(jiān)測卡車電機電壓電流等信號；FPGA 主要負(fù)責(zé)對H橋DCDC 變換電路的4 個IGBT 進行開關(guān)控制（輸出高速PWM 脈沖控制IGBT 的關(guān)斷），以及進行高速模擬量信號采樣，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)需要監(jiān)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(fā)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(shù)字量輸入信號。電機側(cè)接觸器反饋信號K1、蓄電池側(cè)接觸器K2反饋信號、預(yù)充電接觸器K3反饋信號、直流母線接觸器K4反饋信號、系統(tǒng)運行信號、系統(tǒng)復(fù)位等信號。

3）數(shù)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(tǒng)首先通過AD 模數(shù)轉(zhuǎn)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(tài)及蓄電池的充放電狀態(tài)進行分析與判斷，然后根據(jù)相應(yīng)的算法控制H 橋電路的運行實現(xiàn)能量的回收與回饋[8]，控制程序設(shè)計圖如圖4。

圖4 控制程序設(shè)計圖

1）制動能量回收與利用效率最優(yōu)化。由于礦車現(xiàn)場工作環(huán)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(shù)變化很大，這需要根據(jù)礦用卡車的運行狀態(tài)及道路狀況制定合適的控制策略，在適當(dāng)?shù)臅r間實現(xiàn)能量的回收回饋過程，從而實現(xiàn)制動能量回收與利用效率最大化[9]。

2）蓄電池荷電狀態(tài)工作區(qū)間最優(yōu)化。蓄電池荷電狀態(tài)的運行區(qū)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(qū)間的最優(yōu)化能有效的延遲蓄電池的使用壽命，增加儲能系統(tǒng)的可靠性與經(jīng)濟性。

3）卡車牽引電機工作區(qū)間的最優(yōu)化。每種型號的電機都有各自的特性曲線圖，在電機轉(zhuǎn)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(yōu)區(qū)間上，能使電機的工作效率最優(yōu)化。

4 結(jié)語

根據(jù)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(tǒng)進行了研究。通過在中煤平朔集團露天采礦現(xiàn)場實際驗證，系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)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(chǎn)生的的能量進行了有效回收與利用，在節(jié)能減排、資源利用與回收、減少環(huán)境污染方面具有積極意義。