大型礦用自卸車永磁驅動系統(tǒng)研究

張 亮，張 莉，李 斌，譚國俊

1徐州徐工礦業(yè)機械有限公司 江蘇徐州 221004

2中國礦業(yè)大學電氣工程學院 江蘇徐州 221008

載 重百噸級以上的大型礦用自卸車是露天礦山運輸?shù)闹髁υO備，也是礦山油耗最大的設備，在大型露天煤礦和金屬礦山等場景中應用廣泛[1]。目前，礦用自卸車主要是由電勵磁同步發(fā)電機和 A C 感應驅動電動機及對應的變流系統(tǒng)組成。這種電動機的轉子難以采用液體進行冷卻，普遍采用風冷方式進行冷卻，造成電動機的體積和質量都相對較大；且與機械傳動相比，效率較低。近年來，地鐵、高鐵等軌道交通行業(yè)開始使用永磁驅動的技術路線，借助永磁發(fā)電機和永磁電動機高效節(jié)能的特點取得了良好的經(jīng)濟效益[2]。由于礦車的電傳動系統(tǒng)技術來源于機車行業(yè)，因此借鑒機車行業(yè)，將永磁驅動系統(tǒng)應用在大噸位礦用自卸車上，對礦山的節(jié)能減排意義重大。

筆者在簡單介紹礦用自卸車永磁驅動系統(tǒng)構成的基礎上，闡述了永磁同步牽引電動機的數(shù)學模型和控制策略。根據(jù)永磁同步牽引電動機的特性及礦用自卸車的工況特點，提出了高速段的永磁電動機弱磁控制策略，并在某永磁驅動礦車上驗證了該系統(tǒng)的先進性和有效性。

1 礦用自卸車永磁驅動系統(tǒng)構成

大噸位礦用自卸車一般運距在 3～4 km，滿載上坡至卸料點后，空載返回裝載點，作業(yè)循環(huán)約半小時。因此，礦用自卸車用的驅動電動機是典型的恒轉矩啟動、恒功率運行，且頻繁啟動、制動。為保證礦車的高效作業(yè)，驅動系統(tǒng)必須滿足如下條件：

(1)大轉矩啟動并持續(xù)至恒功點，滿足礦車滿載情況下的平地或坡道起步工況；

(2)最高轉速滿足礦車最高車速 ≥60 k m/h 的要求；

(3)全速度范圍內保持高傳動效率，降低礦車油耗和運營成本；

(4)免維護，體積緊湊，質量輕，堅固耐用，能適應嚴苛的礦山環(huán)境。

在礦車動力曲線要求下，可設計永磁驅動電動機的動力外特性曲線，其典型形式如圖1 所示。

圖1 典型礦車電動機外特性Fig.1 Typical external characteristics of mining truck motor

礦車傳統(tǒng)電傳動驅動系統(tǒng)主要通過發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)電，經(jīng)二極管不控整流器整流后逆變驅動感應電動機；下坡緩行工況下，電動機反向發(fā)電，經(jīng)斬波后，由制動電阻消耗掉。系統(tǒng)在直流母線上掛載若干個輔變系統(tǒng)用來驅動相應的冷卻水泵、風扇電動機等。將傳統(tǒng)電傳動驅動系統(tǒng)的發(fā)電機和電動機分別用永磁發(fā)電機和永磁電動機代替，二極管整流器用四象限 P WM 整流器代替，就構成了礦用自卸車永磁驅動系統(tǒng)，如圖2 所示。為保護系統(tǒng)安全，在永磁發(fā)電機、永磁電動機和變流器之間分別加裝接觸器進行保護控制。

圖2 永磁驅動系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of permanent magnet drive system

2 永磁同步電動機牽引控制策略

2.1 永磁同步電動機數(shù)學模型

為便于控制，建立永磁同步電動機在dq同步旋轉坐標系下的數(shù)學模型，電壓方程和磁鏈方程可分別表示為

式中：ud、uq分別為d軸和q軸上的定子電壓分量，V；Rs為定子相繞組電阻，Ω；id、iq分別為d軸和q軸上的定子電流分量，A；Ld、Lq分別為d軸和q軸上的同步電感，H；p為微分算子；ω為電角速度，rad/s；ψf為永磁體在定子繞組上的磁鏈，W b；ψ d、ψq分別為d軸和q軸上的定子磁鏈分量，Wb。

2.2 永磁同步電動機矢量控制策略

在上述同步旋轉坐標系下的解耦數(shù)學模型基礎上，搭建永磁同步電動機矢量控制系統(tǒng)，原理框圖如圖3 所示。在轉子磁場定向形成的同步旋轉坐標系內，分解定子電流為轉矩電流和勵磁電流。圖3 中，轉速差經(jīng) PI 調節(jié)器輸出為iq*；id、iq與給定值的偏差經(jīng) PI 調節(jié)器和反 p ark 變換得到兩相靜止坐標系上的電壓uα、uβ，其中，在反 park 變換前再加入ud、uq的解耦部分。由uα、uβ運算形成 PWM 波控制逆變器，進而由逆變器驅動永磁同步電動機運行。ed、eq為電流調節(jié)器的解耦與前饋補償公式，其表達式分別為

圖3 PMSM 控制系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of PMSM control system

式中：-ωLqiq、ωLdid為dq軸系之間電壓解耦項；ωψf為反電動勢前饋補償項。

3 永磁同步電動機弱磁控制

永磁同步電動機的磁場由固定在轉子上的永磁體產(chǎn)生，因此不能像感應電動機一樣通過轉子電流來調節(jié)。從圖1 電動機外特性曲線可以看出，礦車需大轉矩啟動，且調速范圍較大，因此，永磁驅動電動機在高速段需采用弱磁控制，以實現(xiàn)擴大調速范圍和降低系統(tǒng)容量的目的。

當永磁電動機平穩(wěn)運行時，定子端電壓不能超過變頻器最大輸出電壓，即

穩(wěn)態(tài)時，式(1)和式(2)中的電流微分項等于零，且在電動機轉速較高時，定子電阻上的壓降遠小于電抗上的壓降，可忽略不計。綜合以上及式(3)、(4)、(6)可得

進而得到

式中：ψs為永磁同步電動機的定子磁鏈，Wb。

由于

式中：n為電動機極對數(shù)；ωr為機械轉速，rad/s。因此，當電動機轉速較低時，滿足式(8)的要求。但當永磁電動機轉速繼續(xù)升高到式(8)兩邊相等時，電動機定子端電壓等于變頻器所能輸出的最大電壓，電動機轉速受此電壓限制，若想進一步增加轉速，就需調節(jié)定子磁鏈。即通過加大定子直軸去磁電流分量來削弱電動機氣隙合成磁場，使電動機定子電壓平衡，這就是弱磁控制。需注意的是，永磁體在較大弱磁電流的作用下會造成退磁，因此需要保證此電流的最大值在永磁體可承受的范圍內。

由上述分析，搭建永磁同步電動機弱磁控制策略框圖，如圖4 所示。其中，MTPA(Maximum Torque Per A mpere)模塊的作用是使單位電流產(chǎn)生最大的轉矩，具體見式(10)[3]。

圖4 PMSM 弱磁控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of PMSM flux-weakening control system

4 仿真和試驗結果

根據(jù)圖4 搭建 MATLAB 仿真，在 0～0.2 s 時，將負載轉矩設置為 0，即空載啟動；在 0.2 s 時，負載轉矩突變?yōu)?57.3 N·m，為額定轉矩的一半，此時功率為 30 kW。仿真結果如圖5 所示。

圖5(a)給出了弱磁環(huán)與 MTPA 的輸出id給定波形。圖5(b)、(c)給出了q、d軸電流給定及跟蹤波形。從仿真結果可以看出，該弱磁控制策略可以有效地對永磁電動機高速段進行控制。

在此基礎上搭建試驗平臺，相關結果如圖6 所示。從試驗波形可以看出，該控制策略下系統(tǒng)運行平穩(wěn)，響應迅速，具備裝機驗證的能力。

圖6 PMSM 弱磁控制試驗結果Fig.6 Experiment results of PMSM flux-weakening control system

5 礦車裝機實測運行

在前面論證工作的基礎上，設計并搭建了全球首臺百噸級永磁驅動礦車，整機裝機功率大于 700 kW，整備質量大于 200 t，由 2 個 400 k W 的永磁電動機驅動。圖7 給出了礦山運行時的母線電壓以及轉矩給定與反饋。可以看出，永磁驅動礦車運行平穩(wěn)，跟蹤響應快速。經(jīng)一年的礦山試驗，裝載永磁系統(tǒng)的礦車和傳統(tǒng)礦車相比，油耗降低約 8%～10%，取得了理想的節(jié)能減排效果。

圖7 礦車運行數(shù)據(jù)采集Fig.7 Data collection during mining truck operation

6 結語

驅動系統(tǒng)作為電傳動礦用自卸車的核心系統(tǒng)，決定了整車的動力性能和經(jīng)濟性能。筆者針對礦車用永磁電動機，搭建了其數(shù)學模型，并提出了高速區(qū)的弱磁控制策略，經(jīng)仿真、試驗和裝機實測驗證了系統(tǒng)方案和技術路線的可行性，并取得了良好的節(jié)油效果，為大噸位礦用自卸車驅動系統(tǒng)升級為永磁驅動系統(tǒng)做出了有益的探索。