一種水冷電機的驅動控制裝置的研究

任 鎖 張 飛 許文杰

（北方魏家峁煤電有限責任公司）

0 引言

從功能提升，系統集成、結構緊湊等方面，結合行業技術進步的優點，自行開發了適用于礦山開采及隧道工程使用的輪軌礦車水冷型電驅控制裝置，該裝置能夠適應各種坡度及載重條件的動力輸出使用工況，為礦山開采及隧道工程的安全運行提供了可靠的保障。

1 輪軌礦車的驅動控制裝置介紹

礦山按開采形式有露天礦及井下礦，其中井下礦是最普遍的挖掘開采形式，井下礦的礦石多采用輪軌礦車轉運，由于礦車載重量大、工作時間長，因此對礦車的工作效率及穩定性要求高。以往礦車多采用機械式驅動，在坡道較陡且載重量大的情況下，驅動效率低，需要很大的馬力才能前進；隨著電氣技術的發展，電動式驅動逐漸取代了機械式驅動；由于井下開采工作環境特殊復雜，對整個電機驅動控制系統要求很高，要求長壽命、易維護、高可靠性。目前驅動電機多采用風冷散熱形式，電機體積大，可靠性低，需要經常保養維護，使用成本高；因此為提高工作效率及保證整個電機驅動系統的工作穩定性，并且實現設備小型化，開發一種水冷電機的驅動控制裝置來滿足礦車的生產使用。

2 水冷電機的驅動控制裝置的概述

該套裝置中的電機控制器和水冷電機作為主驅動部件為輪軌礦車提供驅動力，電機控制器采用水冷冷卻方式，和被驅動的水冷電機的冷卻回路串聯，構成閉式水管；電機控制器通過PWM發波對電機進行調速控制，為電機提供可調的電壓及頻率，來滿足輪軌在恒功率和恒轉矩輸出工況下的使用；電機控制器的核心功率器件采用高頻高壓的絕緣柵雙極晶體管IGBT作為開關管，完成直流到交流的逆變輸出過程；整個裝置的散熱采用水冷方式，功率密度大，換熱效率高，冷卻管路采用閉式，可以有效避免復雜工作環境對冷媒介質的影響，從而保證整個設備的冷卻循環系統安全可靠，換熱器采用風、水熱交換形式，采用風機自然風強迫風冷的換熱方式，該方式簡單，可靠，成本低。該系統裝置鑒于以上優點，對該控制裝置的深入研究就非常實用，也非常必要。

3 水冷電機的驅動控制裝置的設計

為解決目前礦山開采礦車遇到的實際問題，現開發的水冷電機的驅動控制裝置，由1套殼體組件、2個水冷電機控制器（逆變器）、1個風水冷換熱器、2個水泵、2個交流水冷電機、1個VCU整車控制器、1臺系統輔助電源及1個系統接線箱等組成。

殼體組件的構成如圖1所示。整體呈長方體，包含有后進風板，前出風板、左右側板、頂蓋板，內部焊接骨架；該殼體采用防水結構，可以有效防止雨水進入裝置內部，前出風板上設置有圓形冷卻液液位觀察窗，可以實時監控換熱器內部冷卻液的液位變化情況，前出風板上設置有通風防雨百葉，可以有效防止雨水進入。頂蓋板上設置有冷卻液補液添加口，便于添加冷卻液。焊接骨架采用方鋼焊接組立，底部有支撐。

圖1 殼體組件結構示意圖

電機控制器（逆變器）采用水冷散熱方式，具有體積小，功率密度高的優點，每個電機控制器設置有1個進水口和1個出水口，供逆變器散熱循環使用，該逆變器為高壓直流輸入，通過逆變轉化為3相交流輸出，并且電壓及頻率可調，從而控制電機的運轉，為主電機提供可靠的驅動電源；同時逆變器有控制信號接口，用于電機控制及檢測信號的接收和發出。逆變器采用壓鑄鋁材質，密封可靠，防護等級高，可以保證持續穩定工作。

風水換熱器的構成如圖2所示，采用后部進風、前部出風的風冷排布形式，散熱出風端采用6臺高速電子風機排風散熱，具有體積小、轉速高、排風量大的優點，6臺風機均布在換熱器正面，保證散熱均衡穩定；冷卻液的進出端均采用2路進水和2路出水的方式，每路循環水單獨接水泵，這樣使散熱系統獨立可靠。2個水泵內嵌在換熱器下部，使得冷卻水路路徑最簡，可以有效保護水泵，并且有效利用設備空間，使體積小型化；換熱器前面有可拆卸的風機安裝板，便于水泵的接線維護。

圖2 風水換熱器結構示意圖

2臺交流水冷電機均采用獨立控制模式，控制原理圖如圖3所示，對應整車的前輪和后輪的驅動電機，采用水冷冷卻方式，具有結構尺寸小，散熱可靠，免維護的優點。

圖3 控制原理圖

VCU整車控制器是整車控制的核心控制器，通過CAN總線實現對電驅系統、熱管理系統等的管理，具體包括檔位、加速，制動控制，及控制系統的低壓、高壓上下電等。通過CAN總線實現VCU和2臺控制器之間的信號通信。

系統輔助電源，輸入電壓是高壓直流輸出電壓是直流24V電源，主要給水泵、風機、2臺控制器和VCU作為低壓供電使用，保證整個系統的供電穩定可靠。

系統接線箱主要是將車載蓄電池的高壓直流供電分配給2臺電機控制器（逆變器），作為電機控制器的主電源，并同時給輔助電源供電。接線箱內部有支路保險絲，起到保護控制器的作用，在接線箱的底部和后部設計有電纜進、出線孔，用于系統的高壓直流電纜的接入和分配輸出。

4 水冷電機的驅動控制裝置的內部布局

本開發的一種水冷電機的驅動控制裝置，內部整體布局科學，合理，緊湊，功能性強，現場維護方便，可靠性高，如圖4所示為驅動控制裝置整體布局圖。風水換熱器布置在裝置的中心位置，通過螺栓固定在內部焊接骨架上，2臺電機控制器布置在換熱器的頂部，并且進出線及水路接口彼此朝向兩個端部，這樣有利于現場接線及接水；2臺控制器固定在水平安裝板上；輔助電源放置在裝置的正前右上方，系統接線箱和輔助電源并排布置在前左上方， 水泵布置在風水換熱器的底部，2個分水閥塊布置在換熱器的左右側面，便于連接水泵到控制器進水端的水路，VCU整車控制器放置在裝置的左上端部的內側，方便接線及保護；整個裝置的電氣接線及水路連接，均采用從裝置的背后下部進出，整體布局規范。

圖4 驅動控制裝置整體布局圖

5 水冷電機的驅動控制裝置的運行控制過程

VCU接到PLC發出的啟機喚醒指令后，輔助供電系統開始工作，先啟動設備冷卻循環系統，VCU繼而給出電機控制器高壓上電合閘指令，控制器啟動輸出，水冷電機運轉，系統設置有各種保護功能，如過流、過壓、欠壓、超溫、風機轉速異常等保護功能，當VCU檢測到異常信號時，會對電機控制器發出停機或者降功率指令，保證礦車安全運行。

6 結束語

與現有技術比較，開發的水冷電機的驅動控制裝置，使電機和電控高度集成在一起，作為整車的驅動核心，電動礦車采用該電機驅動控制系統，具有啟動平穩，行駛平穩，速度可調，能適應各種坡度和載重量工況可靠性高，使用方便，結構緊湊，安裝方便。