王 虎

（準(zhǔn)能集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300）

0 引言

MT5500B 電動(dòng)輪卡車是哈爾烏素露天礦剝離運(yùn)輸主要設(shè)備，載重326 t。電動(dòng)輪卡車能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由4 個(gè)主要部分組成。①牽引交流發(fā)電機(jī)總成，包括主交流發(fā)電機(jī)、牽引系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、整流器；②逆變器組包括3 個(gè)電制動(dòng)接觸器、每個(gè)馬達(dá)3 個(gè)分離的逆變器、系統(tǒng)控制器；③帶冷卻風(fēng)機(jī)的制動(dòng)電阻柵系統(tǒng)；④2 個(gè)輪馬達(dá)傳動(dòng)單元。

1 MT5500B 交流電動(dòng)輪卡車控制原理

交流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)輪礦用卡車的工作原理是發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的機(jī)械能通過與飛輪連接的交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能（三相交流電），三相交流電經(jīng)過整流器及濾波器轉(zhuǎn)換為直流電，直流電經(jīng)過逆變器（變頻器）轉(zhuǎn)換為三相交流電驅(qū)動(dòng)輪馬達(dá)，也就是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)）時(shí)，輪馬達(dá)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，將車輪由于慣性產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能（三相交流電），經(jīng)逆變器反向整流后，轉(zhuǎn)換成直流電，電能經(jīng)電阻柵轉(zhuǎn)變成熱能，釋放到大氣中。整個(gè)礦用卡車的驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程。礦用卡車控制系統(tǒng)基本原理如圖1 所示。

圖1 礦用卡車控制系統(tǒng)基本原理

1.1 交流逆變器基本原理

逆變模塊把直流變?yōu)榻涣?。合適的脈沖次序控制固態(tài)功率切換設(shè)備的開和關(guān)。用于每個(gè)三相逆變模塊的功率器件是一個(gè)絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。IGBT 相當(dāng)于一個(gè)電閘，它每秒可以開、關(guān)多次。每個(gè)相模塊有4 個(gè)IGBT，IGBT 是以串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)連接。

1.2 MT5500B 交流電動(dòng)輪卡車系統(tǒng)控制原理

柴油機(jī)/電氣組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)牽引交流發(fā)電機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)組成。牽引交流發(fā)電機(jī)輸出三相交流電。交流電通過三相橋式整流器變?yōu)橹绷麟?。直流電再到兩個(gè)交流逆變器輸入端。

直流電路包括正負(fù)總線，總線把直流電分為六相（每個(gè)逆變器有三相）。為了減小脈動(dòng)和過濾尖峰，直流電路有4 個(gè)輸入濾波電容器（每個(gè)逆變器有2 個(gè)電容）。

直流轉(zhuǎn)換為交流有許多種方案。逆變用脈寬調(diào)制（PWM），PWM 在電動(dòng)機(jī)低轉(zhuǎn)速時(shí)電流頻率固定，而高轉(zhuǎn)速時(shí)可變頻。交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由交流電的頻率決定。低轉(zhuǎn)速時(shí)，頻率固定并且與PWM 聯(lián)接，這樣電動(dòng)機(jī)有最大扭矩，可以產(chǎn)生最大加速度；當(dāng)增大電流頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)增大。

逆變器的最大頻率是100 Hz，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是3000 r/min。通過齒輪傳動(dòng)比、輪胎尺寸（直徑）的變化，礦車的速度達(dá)到40 英里/小時(shí)。

動(dòng)力制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)把礦車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。發(fā)電機(jī)需要?jiǎng)?lì)磁才能產(chǎn)生交流電。在車加速后，開始動(dòng)力制動(dòng)，發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生足夠的磁場而開始發(fā)電。一旦發(fā)電機(jī)開始發(fā)電，發(fā)電機(jī)就可以自勵(lì)。礦車在慣性作用下行駛，磁場就可以通過磁化的發(fā)電機(jī)來維持。這樣加速、制動(dòng)后快速做出反應(yīng)。產(chǎn)生的三相交流電輸出后用各自的三相模塊整流，三相模塊起三相橋式整流的作用，把直流電輸回到直流電路。同時(shí)，接觸器關(guān)閉，電阻柵電阻與直流電路接通。這樣電阻柵消耗電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電能而轉(zhuǎn)化為熱能。通過電風(fēng)機(jī)把電阻柵上的熱量散到空氣中。

當(dāng)電阻柵是直流電路的負(fù)載時(shí)，礦車將減速直到停止。速度達(dá)到零時(shí)，牽引交流發(fā)電機(jī)向逆變器輸出電流。這樣提供給每個(gè)電動(dòng)齒輪合適的力矩，使礦車不需要摩擦制動(dòng)就可以駐車的效果。低于1 英里/小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)從扭矩控制到速度控制的平穩(wěn)過渡。

2 交流電動(dòng)輪卡車系統(tǒng)控制功能

2.1 控制礦車狀況

控制礦車狀況的目的是根據(jù)大量輸入數(shù)據(jù)定義礦車的運(yùn)行模式。輸入包括油門踏板和制動(dòng)踏板，他是操作指令。控制車前進(jìn)、停止、倒車。礦車輸入情況控制礦車運(yùn)行模式：加速前進(jìn)、加速倒車、前進(jìn)制動(dòng)、倒車制動(dòng)、駐車制動(dòng)、穩(wěn)速、滾動(dòng)。每種情況都給發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)指令。礦車狀況的控制另一個(gè)作用是：控制運(yùn)行模式，這樣可以消除對設(shè)備的潛在損壞。例如：礦車以15英里/小時(shí)向前行駛，司機(jī)可能將擋位撥到倒擋。這樣會(huì)對變速箱造成很大的損環(huán)。在這種情況下，通過軟件可以鎖定當(dāng)前運(yùn)行狀況，只有當(dāng)速度低于設(shè)定時(shí)速才能掛入倒擋。

2.2 設(shè)置扭矩指令并發(fā)送給逆變器控制模塊

初始的扭矩指令是系統(tǒng)控制器設(shè)定，并且把指令傳到2 個(gè)逆變器控制模塊。系統(tǒng)控制器利用大量的修正和限制數(shù)據(jù)（急加速）設(shè)定指令。

來自加速踏板的信號(hào)設(shè)定基本的扭矩指令。軟件把加速踏板的信號(hào)傳到加速指令器。用脈動(dòng)限制器控制斜坡信號(hào)，以減小初始加速度。這樣減小驅(qū)動(dòng)設(shè)備瞬時(shí)扭矩（尤其是變速箱）。扭矩指令傳到2 個(gè)逆變器控制模塊，加速指令受到下面標(biāo)準(zhǔn)的限制：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩不允許超過額定扭矩。

（2）交流發(fā)電機(jī)最大扭矩不允許超過額定輸出功率。

來自制動(dòng)踏板的信號(hào)確定基本的扭矩指令。在緩行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)沒有限制。扭矩是通過電阻柵元件的規(guī)格和直流電路電壓來控制。在緩行時(shí)扭矩指令不起作用。系統(tǒng)軟件控制3 個(gè)制動(dòng)接觸器。根據(jù)需要的扭矩和逆變器的輸出電壓，1 個(gè)、2個(gè)或3 個(gè)緩行接觸器適時(shí)激發(fā)。

2.3 控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

系統(tǒng)控制器軟件調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。在空檔或裝載制動(dòng)打開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到650 r/min（怠速）。在前進(jìn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高到1300 r/min“高怠速”。在“高怠速”時(shí)，當(dāng)踏下加速踏板時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)速度能快速做出反應(yīng)。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以增加到最大1900 r/min。在減速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整到1300 r/min。

2.4 控制牽引交流發(fā)電機(jī)磁場

系統(tǒng)控制器軟件控制牽引交流發(fā)電機(jī)的輸出。實(shí)時(shí)監(jiān)控直流電路電壓和三相交流輸出電流。在加速時(shí)，直流電壓調(diào)到1400 V。隨著加速扭矩的提高，電流也需要增大。為了保持電壓穩(wěn)定，系統(tǒng)控制器把交流發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出電壓和電流與其指令電壓和電流相比較，比較電路輸出結(jié)果，然后自動(dòng)調(diào)整交流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流用以控制其磁場。

3 交流電動(dòng)輪卡車逆變器控制與保護(hù)功能

3.1 扭矩和速度控制

逆變器軟件的主要功用是驅(qū)動(dòng)相模塊。它把扭矩指令轉(zhuǎn)換為門驅(qū)動(dòng)器輸入的開/關(guān)脈沖。門驅(qū)動(dòng)器輸出控制IGBT 的打開與關(guān)閉。

處理器接收5 個(gè)基本參數(shù)：來自系統(tǒng)控制器的扭矩、輪馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速、直流電路的電壓、B 相和C 相的電流。通過調(diào)整電流頻率可以得到需要的扭矩和轉(zhuǎn)速。變頻控制不同于穩(wěn)幅的脈寬調(diào)制（PWM）控制。產(chǎn)生的修正正弦波不同于脈沖調(diào)制產(chǎn)生的最大100 Hz 的頻率。

3.2 聯(lián)動(dòng)裝置和安全防護(hù)

如前所述，每一個(gè)相模塊有4 個(gè)IGBT 和2 個(gè)二極管。逆變器軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測直流電路的電壓和相電流。一旦有電壓或電流過大，IGBT 脈沖將失去作用。

逆變器軟件同時(shí)確保上部2 個(gè)IGBT 和串聯(lián)的下部2 個(gè)IGBT 不同時(shí)打開。如果同時(shí)打開將使直流電路的正極和負(fù)極發(fā)生短路，這種情況叫“擊穿”。

光導(dǎo)纖維用于門驅(qū)動(dòng)器和逆變器控制模塊之間的信息傳輸，它提供可靠、快速的傳輸信號(hào)。但是要確保上部IGBT 收到的“關(guān)閉”信號(hào)先于下部IGBT 收到的“打開”信號(hào)。這一過程是利用監(jiān)測指令信號(hào)和相應(yīng)的狀況信號(hào)（證實(shí)）實(shí)現(xiàn)的。一旦狀況信號(hào)和指令信號(hào)不相符，就發(fā)生了嚴(yán)重錯(cuò)誤，逆變器立刻關(guān)閉。

3.3 打滑/滑動(dòng)控制

由于地面和輪胎之間的附著力是變化的，1 個(gè)或2 個(gè)輪子可能在加速時(shí)打滑，或緩行時(shí)滑動(dòng)。逆變器軟件就臨時(shí)減小扭矩。這個(gè)修正值傳到1 個(gè)車輪，或傳到同時(shí)打滑/滑動(dòng)的2 個(gè)車輪。如果附著力恢復(fù)，扭矩指令也恢復(fù)到公稱值。

3.4 故障監(jiān)測

為了保護(hù)硬件，一旦某一功能異常，逆變器軟件開始檢查故障。這些逆變器故障是很嚴(yán)重的，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)閉。相應(yīng)的故障信息發(fā)送到記錄故障日志的系統(tǒng)控制器。

3.5 逆變器保護(hù)

3.5.1 過電流保護(hù)

在實(shí)際工作中，大部分負(fù)載都是經(jīng)常變動(dòng)的，因此在工作過程中或在升、降速過程中，短時(shí)間的過電流是難免的。通過改變變頻器的頻率，來降低電流。當(dāng)工作電流超過限定值時(shí)，變頻器自動(dòng)地適當(dāng)降低其工作頻率，當(dāng)工作電流降到限定值以下時(shí)，工作頻率再逐漸恢復(fù)。

3.5.2 過電壓保護(hù)

PWM 調(diào)制方式中，電路是以脈沖的方式進(jìn)行工作的，由于電路中存在著繞組電感和布線電感，所以在每1 個(gè)脈沖的上升和下降過程中，可能產(chǎn)生峰值很大的脈沖電壓，這個(gè)電壓將疊加在直流電壓上，形成具有破壞性的脈沖高壓。在MT5500 上使用了瞬間斷路器，當(dāng)直流母線電壓超過1575 V 時(shí)，瞬間斷路器打開，電壓經(jīng)制動(dòng)電阻消耗，當(dāng)電壓降到1475 V 時(shí)，瞬間斷路器關(guān)閉，從而消除電壓峰值。

3.5.3 欠電壓及瞬間停電保護(hù)

儲(chǔ)能元件（濾波電容）在高電壓時(shí)充電，吸收諧波及電壓波峰，在低電壓時(shí)放電，維持系統(tǒng)電壓平穩(wěn)。關(guān)機(jī)后電容電壓經(jīng)電阻釋放。

3.5.4 電磁干擾及諧波防護(hù)

高頻化和大容量化使裝置內(nèi)部電壓、電流發(fā)生劇變，不但使器件承受很大的電壓電流應(yīng)力，還在裝置的輸入輸出引線及周圍空間里產(chǎn)生高頻電磁噪聲，引發(fā)電氣設(shè)備的誤動(dòng)作。諧波會(huì)使輸入電流波形嚴(yán)重失真。電磁干擾電容器的作用是將IGBT 產(chǎn)生的電磁噪聲釋放。

4 結(jié)束語

MT5500 電動(dòng)輪卡車使用先進(jìn)的交流變頻控制系統(tǒng)，國產(chǎn)交流變頻控制系統(tǒng)目前已經(jīng)在部分設(shè)備投入使用，通過控制原理的分析，對比國產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行中各項(xiàng)指標(biāo)，以便進(jìn)一步改進(jìn)，從而降低卡車故障率，保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行。通過交流電動(dòng)輪卡車系統(tǒng)控制功能及逆變器控制與保護(hù)功能的分析，為礦用交流電動(dòng)輪卡車的技術(shù)改造和操作、維修提供參考。