陳冠華，袁立強(qiáng)，楊日龍，王文勝，趙爭鳴

(1．清華大學(xué)電機(jī)工程及應(yīng)用電子技術(shù)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;2．北京東風(fēng)機(jī)車電器廠，北京100072)

礦用電動(dòng)輪自卸車制動(dòng)時(shí)電機(jī)過流故障分析

陳冠華1，袁立強(qiáng)1，楊日龍2，王文勝2，趙爭鳴1

(1．清華大學(xué)電機(jī)工程及應(yīng)用電子技術(shù)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;2．北京東風(fēng)機(jī)車電器廠，北京100072)

巨型礦用電動(dòng)輪自卸車在采礦業(yè)、大型工程建設(shè)行業(yè)發(fā)揮重要的作用。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)其電力傳動(dòng)系統(tǒng)在自卸車高速運(yùn)行狀態(tài)下制動(dòng)容易發(fā)生過流故障，由于系統(tǒng)硬件限制無法使用傳統(tǒng)調(diào)試方法實(shí)時(shí)觀察程序運(yùn)行情況。本文提出一種基于逆向技術(shù)的過流故障分析方法，即利用逆變器輸出實(shí)測電壓推算得到控制程序中空間電壓參考矢量幅值和相位的實(shí)時(shí)值，以用于故障分析。在本文的分析案例中，采用該方法發(fā)現(xiàn)了程序中空間電壓參考矢量的瞬時(shí)頻率突變是導(dǎo)致過流故障的直接原因，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速采樣信號受到了高頻干擾致使空間電壓參考矢量的瞬時(shí)頻率突變，文中給出具體措施，有效地解決了過流故障問題。

大容量電力傳動(dòng)系統(tǒng);電動(dòng)輪自卸車;過流故障;逆向技術(shù)

1 引言

巨型礦用電動(dòng)輪自卸車載重量在100噸以上，廣泛應(yīng)用于大型露天礦山的礦石運(yùn)輸和大型工程建設(shè)中，占世界煤礦運(yùn)輸量的40%及鐵礦運(yùn)輸量的90%［1］，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)自卸車不同，電動(dòng)輪自卸車通過電力傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整車的高性能牽引和電氣制動(dòng)控制，簡化了傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)自卸車中復(fù)雜而笨重的機(jī)械結(jié)構(gòu)，避免在大轉(zhuǎn)矩傳遞過程及巨型車輛制動(dòng)過程中造成的機(jī)械磨損問題，提高了整車的效率和可靠性。當(dāng)前大多數(shù)電動(dòng)輪自卸車采用的是發(fā)電機(jī)-變換器-異步電機(jī)的電力傳動(dòng)系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)［2，3］。通過控制發(fā)電機(jī)及變換器，可以控制整車實(shí)現(xiàn)牽引、變速、制動(dòng)、倒車等多種功能。

電動(dòng)輪自卸車電力傳動(dòng)系統(tǒng)功率容量大，單個(gè)異步電機(jī)額定功率一般在幾百千瓦［4］，變換器開關(guān)頻率一般低于1kHz;在不同的工況下，電機(jī)定子電流頻率在十幾赫茲到一百多赫茲之間變化，同時(shí)還需要應(yīng)對礦區(qū)復(fù)雜路況帶來的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的頻繁劇烈波動(dòng)。巨型礦用電動(dòng)輪自卸車所采用的離網(wǎng)大容量低開關(guān)頻率電力傳動(dòng)系統(tǒng)面臨諸多挑戰(zhàn)，是當(dāng)今最復(fù)雜的電力傳動(dòng)系統(tǒng)之一。

在礦用電動(dòng)輪自卸車的電力傳動(dòng)系統(tǒng)中最容易發(fā)生的故障保護(hù)是過流保護(hù)。當(dāng)車輛發(fā)生過流保護(hù)后，自卸車丟失動(dòng)力來源，失去電氣制動(dòng)能力。為保證車輛安全，司機(jī)必須進(jìn)行緊急液壓制動(dòng)。在車輛高速運(yùn)行時(shí)使用液壓制動(dòng)，嚴(yán)重?fù)p害液壓制動(dòng)系統(tǒng)，降低系統(tǒng)壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至引發(fā)摩擦片燃燒，危害車輛安全。為了保障車輛的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要分析并找出導(dǎo)致電力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生過流現(xiàn)象的根本原因。

出現(xiàn)過流保護(hù)后，常規(guī)調(diào)試方法是實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用通訊協(xié)議將控制程序內(nèi)部變量發(fā)送到上位機(jī)，從而實(shí)時(shí)觀察程序運(yùn)行情況來進(jìn)行調(diào)試。然而由于本文所研究自卸車電控系統(tǒng)硬件配置的限制，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)的程序內(nèi)部變量觀察，不能明確知道過流前后程序的運(yùn)行情況，此時(shí)常規(guī)調(diào)試方法不再適用。為了解決這種過流保護(hù)問題，必須尋找新的調(diào)試方法。

本文采用逆向技術(shù)，對礦用電動(dòng)輪傳動(dòng)系統(tǒng)的過流現(xiàn)象進(jìn)行研究，結(jié)合具體的現(xiàn)場過流案例分析，給出其具體原因以及相應(yīng)的解決措施。

2 電動(dòng)輪自卸車過流問題

巨型礦用電動(dòng)輪自卸車的電力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括柴油機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、二極管整流器、IGBT逆變器、異步電機(jī)、斬波器與制動(dòng)電阻柜等?？刂葡到y(tǒng)底層采用七段式SVPWM。

圖1 電力傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1Structure diagram of motor drive system

當(dāng)電機(jī)電流幅值增加并超過變換器過流故障保護(hù)的閾值時(shí)，電力傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生過流保護(hù)。圖2是一輛現(xiàn)場運(yùn)行的電動(dòng)輪自卸車制動(dòng)時(shí)異步電機(jī)電流快速增加并發(fā)生過流保護(hù)的案例。在這個(gè)案例中電力傳動(dòng)系統(tǒng)的異步電機(jī)額定功率為590kW，額定電壓為1140V，額定電流為350A，額定頻率為60Hz，逆變器的開關(guān)頻率為800Hz。

圖2中的過流現(xiàn)象和正常時(shí)電流逐步增大現(xiàn)象不同。正常狀態(tài)下電流增大是受控制系統(tǒng)控制的，在較長一段時(shí)間內(nèi)逐步增大;而這種過流現(xiàn)象在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流迅速增加，直至產(chǎn)生過流故障保護(hù)。從圖2中可知，過流前正常運(yùn)行的電流幅值約為132A，而在發(fā)生過流的短時(shí)間內(nèi)，電流幅值增至804A，產(chǎn)生嚴(yán)重過流。

3 過流故障保護(hù)問題分析

在分析導(dǎo)致過流故障的原因時(shí)，遵循從底層往頂層排查的原則，首先檢查底層SVPWM程序輸出是否合理。由于系統(tǒng)硬件限制無法使用傳統(tǒng)調(diào)試方法實(shí)時(shí)觀察程序運(yùn)行情況，本文提出一種基于逆向技術(shù)的過流故障分析方法，即利用逆變器輸出實(shí)測電壓推算得到控制程序中空間電壓參考矢量幅值和相位的實(shí)時(shí)值，以用于故障分析。

圖2 過流故障時(shí)的電壓電流波形Fig．2Voltage and current waveforms in overcurrent fault cases

3.1 逆向分析方法

在SVPWM中，根據(jù)輸入的空間電壓參考矢量的幅值和相位得到逆變器開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。定義空間電壓參考矢量為:

從f(t)的表達(dá)式中可以得知瞬時(shí)頻率與控制程序中的同步角頻率成正比，是輸出電壓的一個(gè)重要表征量。如果通過實(shí)測電壓波形得到瞬時(shí)頻率的波形，就可以間接知道程序中同步角頻率的實(shí)時(shí)值。然而，由于實(shí)際逆變器輸出電壓為PWM波形，直接對φ(t)求導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生尖峰值，公式(2)很難用來分析實(shí)際波形數(shù)據(jù)。

為了解決這個(gè)問題，本文采用一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對輸出電壓取平均值的方法，提出了改進(jìn)型瞬時(shí)頻率的計(jì)算方法。定義瞬時(shí)頻率:

式中，φ(t)是每一個(gè)開關(guān)周期中空間電壓參考矢量的相位;Δφ(t)表示相鄰兩個(gè)開關(guān)周期的空間電壓參考矢量的相位差;Tcs是程序的控制周期。改進(jìn)型瞬時(shí)頻率計(jì)算步驟如下:

(1)利用錄波儀實(shí)時(shí)記錄逆變器各相輸出電壓，并根據(jù)錄波儀的采樣率和逆變器開關(guān)頻率的關(guān)系對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)段劃分，使同一開關(guān)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)位于同一區(qū)段。

(2)求得每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，逆變器各相輸出電壓的平均值珚Ua，珚Ub，珚Uc，并利用電壓平均值按式(1)計(jì)算得到空間電壓矢量的幅值和相位。

(3)根據(jù)式(3)計(jì)算空間電壓矢量的瞬時(shí)頻率。

按照上述四個(gè)步驟采用逆向分析的方法，利用逆變器輸出電壓的實(shí)測值推算得到控制程序中空間電壓參考矢量幅值和相位的實(shí)時(shí)值，并計(jì)算得到瞬時(shí)頻率。

3.2 故障波形記錄與分析

在自卸車現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)，使用錄波儀記錄發(fā)生過流保護(hù)前后逆變器輸出的電壓電流波形，采樣率為1MS/s，記錄的波形圖如圖2所示。

根據(jù)逆向分析的方法，可以得到空間電壓參考矢量的幅值相位及瞬時(shí)頻率波形如圖3所示。

圖3 空間電壓矢量幅值相位與瞬時(shí)頻率波形Fig．3Waveforms of amplitude，angle and transient frequency of voltage space vector

發(fā)生過流現(xiàn)象前后，空間電壓參考矢量的幅值平穩(wěn)，從相位波形中也不容易發(fā)現(xiàn)異常，然而其瞬時(shí)頻率波形在過流前發(fā)生突變，先跌落后過沖，出現(xiàn)了異常情況。

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，控制逆變器輸出電壓形成近似圓形的電機(jī)磁鏈。然而當(dāng)瞬時(shí)頻率發(fā)生突變后，電機(jī)的空間電壓矢量在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)所形成的磁鏈偏離正常的圓形軌跡。由于開關(guān)頻率為800Hz，而過流時(shí)電機(jī)定子電流頻率為130Hz，低載波比時(shí)一個(gè)開關(guān)周期的空間電壓矢量發(fā)生錯(cuò)誤，電機(jī)定子磁鏈嚴(yán)重偏離圓形軌跡，進(jìn)而導(dǎo)致電機(jī)過流。極端情況下，瞬時(shí)頻率跌落至零，此時(shí)即出現(xiàn)了脈沖重發(fā)的異常情況，會(huì)造成過流故障。

3.3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證瞬時(shí)頻率突變與電機(jī)過流的關(guān)系，根據(jù)圖1中的系統(tǒng)控制框圖搭建基于Matlab/Simulink的仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與實(shí)際系統(tǒng)相同。在電機(jī)同步角頻率達(dá)到并穩(wěn)定在440rad/s后，在t=3s時(shí)空間電壓參考矢量的瞬時(shí)頻率發(fā)生幅值為50Hz的尖峰。仿真得到的空間電壓參考矢量的瞬時(shí)頻率、轉(zhuǎn)子磁鏈αβ分量、C相電流和定子電壓的αβ分量的波形如圖4所示。

圖4 瞬時(shí)頻率突變時(shí)的仿真波形Fig．4Waveforms of voltage space vector in simulation

根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)過流現(xiàn)象與瞬時(shí)頻率突變有關(guān)，瞬時(shí)頻率發(fā)生突變后SVPWM輸出電壓異常，導(dǎo)致電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過流。

3.4 產(chǎn)生瞬時(shí)頻率突變的原因分析

在系統(tǒng)控制程序中，空間電壓參考矢量的幅值由電流調(diào)節(jié)器輸出決定，其相位由同步角頻率積分得到。當(dāng)瞬時(shí)頻率發(fā)生突變時(shí)意味著同步角頻率發(fā)生突變，可能原因是電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號或者滑差頻率值發(fā)生突變，而滑差頻率由控制系統(tǒng)的指令值給出，發(fā)生突變的可能性不大，所以可能是電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋信號發(fā)生突變，導(dǎo)致同步角頻率發(fā)生突變并最終產(chǎn)生過流。

據(jù)此對控制程序進(jìn)行重新檢查，發(fā)現(xiàn)程序中轉(zhuǎn)速采樣信號缺少抗電磁干擾的有效措施。在車輛高速運(yùn)行時(shí)制動(dòng)，由于機(jī)械振動(dòng)或者電磁干擾，導(dǎo)致電機(jī)碼盤輸出的轉(zhuǎn)速采樣信號中包含高頻尖峰信號。受到干擾而出現(xiàn)突變的轉(zhuǎn)速反饋信號參與到滑差控制中，使得程序中同步角頻率發(fā)生突變，進(jìn)而導(dǎo)致了空間電壓參考矢量的瞬時(shí)頻率發(fā)生突變，出現(xiàn)過流故障。

4 過流故障保護(hù)問題的解決措施

為了消除轉(zhuǎn)速采樣信號中的高頻干擾對控制程序的影響，需要增加控制程序的抗干擾措施，具體措施為使轉(zhuǎn)速采樣信號經(jīng)過一個(gè)低通濾波器后再參與程序的后續(xù)運(yùn)算。由于轉(zhuǎn)速采樣信號為緩慢變化的機(jī)械量信號，在控制系統(tǒng)中設(shè)置低通濾波器的截止頻率為20Hz，改進(jìn)后的系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的系統(tǒng)控制框圖Fig．5Structure of improved control system

這樣轉(zhuǎn)速反饋信號中的高頻干擾被低通濾波器消除，在高速運(yùn)行時(shí)制動(dòng)的情況中，空間電壓矢量的瞬時(shí)頻率不再發(fā)生突變，最終過流故障問題得到解決。車輛下坡時(shí)制動(dòng)的電流波形如圖6所示。

5 結(jié)論

圖6 改進(jìn)后車輛下坡制動(dòng)時(shí)的電流實(shí)驗(yàn)波形Fig．6Experiment current waveform when truck brakes in high speed area after improvement

本文提出一種基于逆向技術(shù)的過流故障分析方法，即利用逆變器輸出實(shí)測電壓推算得到控制程序中空間電壓參考矢量幅值和相位的實(shí)時(shí)值，以用于故障問題分析。在分析電動(dòng)輪自卸車現(xiàn)場發(fā)生的過流問題時(shí)，采用該方法發(fā)現(xiàn)了程序中空間電壓參考矢量的瞬時(shí)頻率突變是導(dǎo)致過流故障的直接原因，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)這樣的瞬時(shí)頻率突變是由于轉(zhuǎn)速采樣信號受到了高頻干擾的影響所致，控制程序中缺少有效的抗干擾措施。在控制程序中增加低通濾波器消除轉(zhuǎn)速采樣信號中的高頻干擾，并最終有效地解決了過流故障問題。

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(，cont．on p.69)(，cont．from p.15)

Analysis of overcurrent fault occurred when electric mining haul truck brakes

CHEN Guan-hua1，YUAN Li-qiang1，YANG Ri-long2，WANG Wen-sheng2，ZHAO Zheng-ming1
(1．State Key Lab of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments，Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 2．Beijing Dongfeng Locomotive Electrical Factory，Beijing 100072，China)

Huge electric mining haul trucks are widely used in mining industries，which greatly increases the efficiency of ore transportation in mines．Overcurrent faults easily occur in the motor drive system when trucks brake in high speed area．As the limit of hardware of the system，traditional debug method is no longer accessible．In this paper，a new overcurrent fault analysis method based on reverse technology is proposed，which is to get the realtime value of voltage space vector in the control program from the measured real-time inverter output voltage．In the overcurrent fault case in this paper，this method is applied and it proves that the sudden drop of transient frequency of voltage space vector causes overcurrent，which are because of the electromagnetic interference of speed feedback signal after further analysis．Detailed solution is given to solve this problem．Experiment proves the effectiveness of the solution．

high power motor drive;electric mining haul truck;overcurrent fault;reverse technology

TM301.2

A

1003-3076(2014)10-0012-04

2014-04-04

陳冠華(1990-)，男，湖北籍，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng);趙爭鳴(1959-)，男，湖南籍，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的應(yīng)用研究。