MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統研制

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存在電制動力矩不足的問題，提出對其交流傳動控制系統進行改進設計。文中介紹了該交流傳動控制系統的總體結構及基本功能，研究了對其牽引逆變器、制動斬波回路進行改進設計的具體設計方法，最后通過樣機實驗對其效果進行了驗證，結果表明：通過對該型車交流傳動控制系統進行改進設計后，其制動效果得到明顯提升，且工作性能穩定，取得了滿意的控制效果。

關鍵詞：電動輪自卸車;交流傳動控制系統;改進設計;樣機研制

中圖分類號：U272.6+4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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輸效率高、運量大、經濟性好等優點[1-3]，已成為年開采量千萬噸級以上露天礦山的理想運輸工具;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構簡單、成本低、維護方便等優點[4-6]，目前也已發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，其交流傳動系統采用國外某公司配套產品。然而在實際使用過程中，其交流傳動控制系統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，則難以實現在坡道上很好的控制住車速，給安全生產帶來極大隱患。為此，針對目前交流傳動控制系統存在的上述問題，對其控制系統進行了改進設計，并通過樣機實驗對其效果進行了驗證，結果證明了該改進設計的有效性和可行性。

1? 交流傳動系統總體結構

交流傳動系統總體結構如圖1所示。主要包括：柴油機、同步發電機、通風機、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控系統等。其基本工作原理是：該傳動系統采用柴油機作為動力來源，即由柴油機帶動同步發電機發電，同步發電機發出的交流電首先經整流裝置變為直流電后，再由牽引逆變器將其變換為可變壓變頻的交流電，驅動裝在后輪電動輪內的牽引電機，牽引電機再通過齒輪減速裝置減速后驅動車輛運行。每個電動輪由一獨立的牽引逆變器控制，以便為牽引和制動提供單獨扭矩控制。車輛運行在制動工況下，牽引電機工作在發電狀態，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，實現無摩擦的電制動方式。交流傳動系統技術參數如表1所示。

2? 牽引逆變器設計

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轉速和發電機的勵磁，并將直流電壓變換成幅值和頻率都可調的三相交流電，給牽引電動機供電;而在電制動模式下，其基本功能則是將電機的動能轉化為電能，在制動電阻柵上消耗掉。

2.1 牽引相模塊設計

牽引相模塊的電氣原理圖如圖3所示。

在牽引相模塊內部集成有4個IGBT模塊、一個門極驅動器、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，門極驅動器集成有V1-V4的門極驅動模塊DDB1-DDB4，二極管D1和兩個電容C1及C2與外部的電阻構成吸收回路，吸收IGBT關斷時的過電壓。

2.2 控制單元設計

控制單元包括一個系統控制單元（SCU）和兩個逆變控制單元（ICU），其原理框圖如圖4所示。

其中：系統控制單元（SCU）的基本功能主要包括：① 控制柴油機轉速及發電機勵磁，將機械能轉化為電能;② 實現自卸車牽引、制動特性計算，根據負載進行實時功率控制，確保柴油機、發電機、逆變器和牽引電機的功率匹配;③ 實時監測系統運行狀態，在系統運行狀態出現異常時，能實現系統故障的自動診斷與快速保護。此外，該控制單元還優化了自卸車的防溜車設計，實現了空轉滑行控制等功能，即在溜車保護模式中，其電制動力會自動調節，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：發電機發出的交流電經整流裝置變為直流電后，控制逆變器將直流電變換為可變壓變頻的交流電，驅動裝在后輪電動輪內的牽引電機，以實現自卸車的運行控制。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動一個電動輪，當一組牽引電機或逆變器模塊故障時，可通過系統上位機設置來實現故障的自動隔離而不影響另外一組牽引電機和逆變器的正常工作。

3? 制動斬波回路設計

原MT5500自卸車制動斬波回路采用接觸器和瞬態斬波器實現制動控制，由于機械開關在大電流下斷開會產生嚴重的拉弧現象，從而嚴重影響接觸器的使用壽命，導致故障率大幅上升。為此，對制動斬波回路進行了改進，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，由于IGBT模塊斬波電流可控，避免了機械開關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帶來電磁噪聲污染、轉矩脈動等不利影響，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MT5500型電動輪自卸車交流傳動系統的控制要求，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：根據擬定需要消除的諧波次數，同時根據逆變器輸出波形的要求，得到其開關角，再根據所得開關角對其牽引逆變器實施控制，從而可達到降低其輸出諧波的目的。有關諧波消除的示意圖如圖6所示。

5? 樣機實驗

為驗證上述交流傳動控制系統改進設計的效果，構建交流傳動實驗系統進行實驗驗證，該實驗系統基本結構示意圖如圖7所示，樣機實驗如圖8所示。該實驗系統共有四對異步電機串聯，每對異步電機中一臺工作于牽引狀態，相當于自卸車的牽引電機，另一臺則工作于制動狀態，相當于自卸車的負載，工作于牽引狀態的電機由被試變頻器供電。

利用該套實驗系統，分別針對所研制的牽引逆變器進行短時供電中斷實驗、網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正常運行，具體方法為：使牽引逆變器帶負載穩定運行，突然中斷供電，并于5s后恢復供電，測得相關實驗波形如圖9所示?？梢?，牽引逆變器在供電恢復后，能自動啟動并恢復至原工作狀態。

網壓跳變實驗在于驗證牽引逆變器在網壓發生跳變時能否保持正常運行，其具體方法為：牽引逆變器正常輸入電壓為1100V，在運行中突然將其電壓增至1400V，經2s后又降至1100V，測得相關實驗波形如圖10所示。可見，在網壓發生跳變過程中，牽引逆變器工作正常，保護無誤動。

換流實驗在于驗證牽引逆變器從牽引到制動的運行性能，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轉矩將牽引電機從啟動達到最高速度，然后再制動到電機停止，測得相關波形如圖11所示?？梢?，整個過程牽引逆變器工作正常。

6? 整車實驗

為進一步驗證本文針對交流傳動控制系統進行改進設計的效果，針對MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統改進前后的制動效果進行對比實驗。實驗條件設為：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。

實驗結果為：在交流傳動控制系統改進前，自卸車的制動距離為45.6m;而在改進后，其制動距離降至39.5m，即下降了6.1m?？梢?，在針對MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統進行改進設計后，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場情況如圖12所示。

7? 結論

針對MT5500型電動輪自卸車交流傳動控制系統存在電制動力矩不足的問題，提出對其交流傳動控制系統進行改進設計。文中介紹了該交流傳動控制系統的總體結構及基本功能，研究了通過對其牽引逆變器、制動斬波回路進行改進設計以克服其電制動力矩不足的具體設計方法，最后通過樣機實驗對其效果進行了驗證，結果表明：通過對該型車交流傳動控制系統進行改進設計后，其制動效果得到明顯提升，且工作性能穩定，確保了電動輪自卸車的安全運行。

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