220 t級礦用自卸車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)

譚 鑫,宮海龍,王 亮,劉維維,欒慶偉

(1. 哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司,哈爾濱 150028;2. 哈爾濱電氣集團(tuán)先進(jìn)電機(jī)技術(shù)有限公司,哈爾濱 150028;3. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

我國是富煤、少氣、缺油國家,煤炭產(chǎn)業(yè)在我國能源領(lǐng)域中占據(jù)重要位置。由于礦山運(yùn)輸環(huán)境較為惡劣,運(yùn)載需求高,需要運(yùn)輸工具具有傳動效率高、載重量大的特點(diǎn),而裝備了電驅(qū)動系統(tǒng)的大型礦用自卸車,能夠符合礦山運(yùn)輸?shù)奶厥庑枨?成為主要的運(yùn)輸工具。

目前國內(nèi)絕大多數(shù)的大型礦用自卸車使用的都是交流發(fā)電機(jī)-整流逆變器-交流電動機(jī)形式的電驅(qū)動系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由主發(fā)電機(jī)、車載變頻器和電動輪總成組成。主發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)拖動,發(fā)出的三相交流電通過車載變頻器整流逆變,驅(qū)動電動輪牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn),再經(jīng)由行星減速器、扭力管等傳動裝置驅(qū)動車輛工作。

以前國內(nèi)的礦用自卸車電驅(qū)動系統(tǒng)市場主要被GE、西門子等國外公司壟斷,采購和維修成本都很高。近年來,國內(nèi)一些公司對礦用車電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了國產(chǎn)化替代研究。如文獻(xiàn)[1]對國外某型號的主發(fā)電機(jī)進(jìn)行了分析并加以改進(jìn);文獻(xiàn)[2]對載重量為300 t的自卸車的交流傳動系統(tǒng)做了國產(chǎn)化研究;文獻(xiàn)[3]對電動輪牽引電機(jī)進(jìn)行分析設(shè)計(jì),并做國產(chǎn)化替代。

本文針對哈電集團(tuán)自主研制的,用于載重量220 t的礦用自卸車的電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了介紹,介紹了電驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和主要部件參數(shù),并開展單機(jī)試驗(yàn)和系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,整套電驅(qū)動系統(tǒng)能夠平穩(wěn)運(yùn)行,為該系統(tǒng)在整車上的應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦用自卸車的電驅(qū)動系統(tǒng)主要由主發(fā)電機(jī),車載變頻器和電動輪總成組成。主發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)拖動,主發(fā)電機(jī)帶有諧波繞組,諧波繞組進(jìn)入車載變頻器,經(jīng)整流后回到主發(fā)電機(jī),給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁,發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電進(jìn)入變頻器,經(jīng)整流后為變頻器提供1 400 V直流電,再通過逆變?yōu)閮膳_電動輪牽引電機(jī)提供三相交流電。整個電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 礦用車電驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1．1 主發(fā)電機(jī)

主發(fā)電機(jī)采用電勵磁同步電機(jī),主要參數(shù)見表1。

表1 主發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

主發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2,主軸驅(qū)動端(圖2左端)通過法蘭盤與柴油機(jī)連接,非驅(qū)動端掛有風(fēng)扇,給主發(fā)電機(jī)、車載變頻器和電動輪冷卻。發(fā)電機(jī)采用單軸承支撐,選用大游隙的深溝球軸承,并使用高速潤滑脂。定子鐵心采用穿心螺桿結(jié)構(gòu),鐵心軛部設(shè)有軸向通風(fēng)孔,沖片選擇低損耗硅鋼片50W270。轉(zhuǎn)子磁極采用向心圓弧型式,磁極通過成對的鍵固定在轉(zhuǎn)子磁軛上。定子部分使用200級絕緣,轉(zhuǎn)子部分使用H級絕緣。

圖2 主發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1．2 車載變頻器

車載變頻器集成了勵磁控制模塊、整流模塊、逆變功率模塊、逆變控制模塊、系統(tǒng)控制模塊等,變頻器采用SVPWM調(diào)制方式,輸出兩路方波電壓,分別控制兩臺電動輪。車載變頻器的主電路原理圖見圖3,主要參數(shù)見表2。

表2 車載變頻器主要參數(shù)

圖3 車載變頻器主電路原理圖

1．3 電動輪總成

電動輪總成包括電動輪牽引電機(jī)、行星減速器、機(jī)架、輪轂等部分。其中,電動輪牽引電機(jī)采用異步電機(jī),可運(yùn)行在牽引工況和制動工況,其主要參數(shù)見表3。

表3 電動輪牽引電機(jī)主要參數(shù)

電動輪總成的結(jié)構(gòu)示意圖見圖4。電動輪總成傳動機(jī)構(gòu)包括兩級減速,兩級減速的總減速比為31.875。第一級減速為牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過花鍵與太陽輪連接,太陽輪帶動周圍三個大行星齒輪轉(zhuǎn)動;第二級減速為與大行星齒輪同軸的三個小行星齒輪與內(nèi)齒圈配合,帶動內(nèi)齒圈轉(zhuǎn)動,進(jìn)而帶動輪轂旋轉(zhuǎn)。

圖4 電動輪總成結(jié)構(gòu)示意圖

牽引電機(jī)采用軸向通風(fēng)冷卻,定轉(zhuǎn)子沖片軛部都設(shè)置通風(fēng)孔,兩端的軸承端蓋也帶有通風(fēng)口,轉(zhuǎn)子的非驅(qū)動端設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板。轉(zhuǎn)子使用銅導(dǎo)條,端環(huán)外熱套非導(dǎo)磁高強(qiáng)度不銹鋼護(hù)環(huán),以降低端環(huán)應(yīng)力。電機(jī)兩端分別使用圓柱滾子軸承和深溝球軸承,承受徑向和軸向載荷。

2 單機(jī)試驗(yàn)

主發(fā)電機(jī)和電動輪牽引電機(jī)試制完成后,分別進(jìn)行了單機(jī)試驗(yàn)。

2．1 主發(fā)電機(jī)單機(jī)試驗(yàn)

使用一臺性能滿足要求的異步電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)的拖動電機(jī),進(jìn)行主發(fā)電機(jī)的單機(jī)試驗(yàn)。在單機(jī)試驗(yàn)時,暫不通過諧波繞組整流給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁,而是直接使用廠內(nèi)的直流電源給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁。試驗(yàn)內(nèi)容包括發(fā)電機(jī)空載特性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)短路特性試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)溫升試驗(yàn)、超速試驗(yàn)等。

主發(fā)電機(jī)的空載特性曲線和穩(wěn)態(tài)三相短路特性曲線見圖5。其中,縱坐標(biāo),即空載電壓和穩(wěn)態(tài)短路電流使用標(biāo)幺值,橫坐標(biāo),即勵磁電流使用實(shí)際值。由于空載特性試驗(yàn)中剩磁電壓不高,所以未對空載特性曲線進(jìn)行修正。

圖5 主發(fā)電機(jī)空載特性和穩(wěn)態(tài)短路特性曲線

SCR=0．839

定子繞組溫升試驗(yàn)采用GB/T 1029《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》中的間接法,分別測量穩(wěn)態(tài)短路溫升ΔθK,空轉(zhuǎn)溫升Δθ0,1．05倍額定電壓空載溫升ΔθU1。按照公式:

式中:k為常數(shù)235;ΔθC為室溫。

計(jì)算得到定子繞組端部(出風(fēng)側(cè))溫升為95.6 K。穩(wěn)態(tài)短路時,使用熱成像儀通過機(jī)殼兩側(cè)的出風(fēng)孔觀測到的定子繞組端部溫度分布。

轉(zhuǎn)子繞組溫升采用電阻法,分別測量試驗(yàn)前和穩(wěn)態(tài)短路試驗(yàn)后轉(zhuǎn)子電阻,計(jì)算得到轉(zhuǎn)子繞組溫升為100 K。

在試驗(yàn)條件下,主發(fā)電機(jī)的振動、噪聲均滿足要求,1.1倍額定轉(zhuǎn)速下可以安全平穩(wěn)運(yùn)行。

2．2 電動輪牽引電機(jī)試驗(yàn)

電動輪牽引電機(jī)的單機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容包括空載試驗(yàn)、額定點(diǎn)試驗(yàn)、堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)、過載試驗(yàn)等。

測量電動輪牽引電機(jī)在額定頻率,不同電壓下的空載電流、空載損耗,見表4。按照GB/T 1032《三相異步電動機(jī)試驗(yàn)方法》,計(jì)算得到電機(jī)機(jī)械損耗2.17 kW,鐵耗14 kW。

表4 電動輪牽引電機(jī)空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

電動輪牽引電機(jī)在牽引工況(作電動機(jī))額定點(diǎn)(電壓1 140 V,定子頻率60 Hz,輸出功率750 kW)運(yùn)行時,電機(jī)定子電流475.4 A,轉(zhuǎn)矩6 028.7 N·m,定子繞組溫升59.3 K。

電動輪牽引電機(jī)在制動工況(作發(fā)電機(jī))額定點(diǎn)(電壓1 140 V,定子頻率60 Hz,輸出功率1 435 kW)運(yùn)行時,電機(jī)定子電流862.5 A,轉(zhuǎn)矩12 080.8 N·m,定子繞組溫升55.7 K。

電動輪牽引電機(jī)在過載工況下進(jìn)行了兩組試驗(yàn):一是電機(jī)運(yùn)行在840 kW,1 140 V,60 Hz工況,二是電機(jī)運(yùn)行在840 kW,750 V,40 Hz工況。兩種工況下電機(jī)的效率均能達(dá)到94.5%以上,溫升不超過絕緣等級限值,證明了電機(jī)能夠滿足車輛中低速、過載運(yùn)行的要求。

試驗(yàn)結(jié)果表明,電動輪牽引電機(jī)在牽引工況和制動工況下轉(zhuǎn)矩均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,效率均大于95%。

3 電驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)

在單機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在廠內(nèi)進(jìn)行了主發(fā)電機(jī)-車載變頻器-電動輪總成的電驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn)。聯(lián)合試驗(yàn)的重點(diǎn)在于測試車載變頻器與主發(fā)電機(jī)、電動輪之間通信是否正常,勵磁模塊、控制模塊等能否正常工作。

聯(lián)合試驗(yàn)中,拖動電機(jī)帶動主發(fā)電機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后,變頻器先使用外接的24 V直流電源,給主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子起勵,然后再切入到對主發(fā)電機(jī)諧波繞組整流給轉(zhuǎn)子勵磁的階段。通過車載變頻器調(diào)整電動輪轉(zhuǎn)速,使電動輪在100～2 400 r/min(正/反轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)速內(nèi)空載運(yùn)行,見圖6。

圖6 電動輪空轉(zhuǎn)工況下主發(fā)電機(jī)線電壓、諧波繞組電壓、電動輪線電壓波形

當(dāng)主發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到1 100 V,電動輪牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 400 r/min時,主發(fā)電機(jī)的勵磁電流為133.48 A,見圖7。

圖7 電動輪空轉(zhuǎn)工況下電動輪電流、主發(fā)電機(jī)諧波繞組電流波形

在廠內(nèi)試驗(yàn)條件下,電動輪驅(qū)動系統(tǒng)能夠順利平穩(wěn)運(yùn)行,試驗(yàn)結(jié)果符合預(yù)期。

4 結(jié)論

經(jīng)對哈電自主研制的220 t級礦用自卸車電驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行廠內(nèi)試驗(yàn),各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值相符。通過單機(jī)試驗(yàn),得到了主發(fā)電機(jī)和電動輪牽引電機(jī)的主要性能指標(biāo);通過系統(tǒng)聯(lián)合試驗(yàn),證明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。目前哈電制造的電動輪牽引電機(jī)已在礦山穩(wěn)定運(yùn)行了10 000小時,效果良好,證明了哈電產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性。