胡 仙，張邦富，梅文慶，周志宇

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

大型礦用電動輪自卸車（簡稱“電動輪自卸車”）作為大型露天礦山的主要運輸工具，因其結構簡單、安全可靠、運行經(jīng)濟性好等優(yōu)點愈發(fā)受到重視。目前，使用交流傳動系統(tǒng)已成為電動輪自卸車的首選方案，且系統(tǒng)采用鼠籠式電動機。與直流傳動系統(tǒng)相比，由于鼠籠式電動機沒有碳刷、換向器以及其他需維護的部件，結構簡單、可靠耐用、維護便捷且外形尺寸小，因而可以設計制造出功率更大、轉速更高的交流傳動自卸車［1］。

電動輪自卸車電驅系統(tǒng)由主傳動（簡稱“主傳”）系統(tǒng)和輔助傳動（簡稱“輔傳”）系統(tǒng)構成。其中，主傳系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機、主傳變流器、驅動輪電機和制動電阻；輔傳系統(tǒng)包含制動電阻風機、變流器風機、牽引電機風機和水冷系統(tǒng)水泵。電動輪自卸車正常運行時需要輔傳系統(tǒng)為整車提供散熱，以保證整車的安全運行。傳統(tǒng)電動輪自卸車通過柴油發(fā)電機直接驅動散熱風機或者通過制動電阻分壓向輔傳系統(tǒng)提供電源。這類輔傳系統(tǒng)的風機一般采用直流風機，然而直流風機故障率高，需要定期維護，這無疑增加了柴油發(fā)電機的油耗和系統(tǒng)運行成本。目前牽引系統(tǒng)的控制策略主要有3種，即開環(huán)控制、矢量控制和直接轉矩控制（direct torque control，DTC）。矢量控制是基于轉子磁場定向，其將電機定子電流分解成轉矩電流分量和勵磁電流分量，以實現(xiàn)解耦控制，并按照線性系統(tǒng)的控制理論方法來設計電流環(huán)。而DTC則是基于定子磁鏈定向，其在定子坐標系下分析電機的數(shù)學模型，計算控制電機的磁鏈和轉矩，無需復雜的坐標變換，并按照非線性的控制理論方法來設計控制磁鏈和轉矩以及轉矩的階躍響應時間。因此，DTC較矢量控制更為快速和直接。目前，國內鮮有將DTC技術實際應用于電動輪自卸車領域。文獻［2-3］中牽引電機采用矢量控制策略。文獻［4-5］對牽引電機DTC策略進行了相關的研究，但未見有實際的裝車應用。為此，本文設計了一種主輔一體電動輪礦用自卸車牽引系統(tǒng)。其能充分利用制動運行時回饋到主傳中間直流側的能量，提高了系統(tǒng)能效；制動運行時，由于利用了制動產(chǎn)生的能量，柴油機可以怠速運行，減少了噴油量，節(jié)省了系統(tǒng)運行成本；風機和水泵采用交流電機，相比傳統(tǒng)直流電機，結構簡單可靠，顯著降低維護工作量。另外，主傳牽引控制算法采用DTC算法，使得整車在面對快速牽引轉制動、制動轉牽引、重載坡起和平直道加速等工況時，都具有快速的轉矩響應能力，保證了整車的高性能。

1 大功率主輔一體交流傳動系統(tǒng)設計

大功率主輔一體交流傳動電氣系統(tǒng)主電路如圖1所示，系統(tǒng)包含主傳系統(tǒng)及輔傳系統(tǒng)兩部分。主傳部分通過柴油機勵磁控制驅動雙繞組無刷勵磁同步發(fā)電機，輸出兩路1 140 V三相交流電，并經(jīng)過不控整流單元（DRU）分別為主傳及輔傳提供直流電源。直流電源經(jīng)過2組獨立的變壓變頻（variable voltage and variable frequency，VVVF）變流裝置（單相，采用橋臂并聯(lián)的模式，分別對應INV1~INV6，水冷散熱），控制2臺大功率異步牽引電機來分別驅動左、右后輪。輔傳部分包含一個帶隔離變壓器（TM1）的DC/DC前端轉換單元A1及后端DC/AC逆變控制單元（A2），以驅動制動電阻風機、牽引電機風機、水泵及變流器散熱風機等負載；制動能量一部分為輔傳提供能量，另一部分由制動電阻所消耗（Rz1~Rz4）。

圖1 主電路拓撲結構Fig1 Main circuit topology

系統(tǒng)控制方案如圖2所示。整車傳動控制系統(tǒng)包括整車控制單元ACU、主傳控制單元DCU1和輔傳控制單元DCU2。DCU1和DCU2通過CAN總線與ACU進行通信，并根據(jù)ACU指令控制變流器的運行。ACU通過采集司控器、油門踏板和制動踏板等的信號進行整車的牽引、制動和裝載等控制。DCU1采集中間電壓、輸出電流和牽引電機速度信號并接受ACU的指令以實現(xiàn)VVVF控制；VVVF控制通過DTC算法控制牽引電機按牽引特性曲線運行。發(fā)動機控制單元（engine control unit，ECU）進行勵磁控制，通過調節(jié)勵磁電流，輸出目標中間電壓。DCU2接受ACU指令，以實現(xiàn)制動電阻風機、牽引電機風機、變流器風機和水泵的穩(wěn)定運行。

圖2 系統(tǒng)控制方案Fig.2 System control scheme

2 主傳控制系統(tǒng)

主傳控制系統(tǒng)主要控制兩臺大功率異步電機來分別驅動左、右后輪并用DTC算法進行變頻調速。DTC是繼矢量控制技術之后又一新型的高效變頻調速技術。20世紀80年代中期，德國魯爾大學的M.Depenbrock教授和日本的I.Takahashi教授分別提出了六邊形DTC方案和圓形DTC方案［6-7］。

DTC與矢量控制不同，其以定子磁場定向對定子磁鏈和電磁轉矩進行直接控制，而非通過控制電流和磁鏈等間接控制轉矩。這種方法不需要復雜的坐標變換，可以直接在定子坐標系上計算磁鏈和轉矩的大小，并通過磁鏈和轉矩滯環(huán)調節(jié)直接控制脈寬調制（pulse width modulation，PWM）脈寬來實現(xiàn)系統(tǒng)的高動態(tài)性能?；诖蠊β孰妱虞喿孕盾囼寗拥男枨?，綜合考慮器件的散熱，本文采用一種低開關頻率（開關頻率為500 Hz）下的DTC技術。其在低速段域采用間接定子量控制（indirect stator-quantity control，ISC）的圓形磁鏈模式；在高速段域采用十八邊形磁鏈軌跡模式。

2.1 間接定子量控制

基于六邊形的DTC技術因系統(tǒng)結構簡單、轉矩響應快而在大功率牽引系統(tǒng)中得到了廣泛應用。低速時，其受定子電阻壓降影響比較大，單一的非零矢量不能再保證磁鏈為六邊形且開關頻率低而不固定，容易造成大轉矩脈動。為此，A.Steimel教授提出了ISC方案［8］，其基于空間矢量脈寬調制（space vector pulse width modulation，SVPWM）算法的圓形磁鏈DTC技術，將磁鏈增量的變化轉化為電壓的變化，使定子磁鏈沿圓形軌跡運行（圖3）。

圖3 ISC原理框圖Fig.3 ISC control scheme

ISC控制原理為：采樣電機電流ia和ib，考慮逆變模型誤差并結合高精度電壓重構技術，得到重構電壓ua、ub和uc；通過全階磁鏈觀測器的電機模型，得到定、轉子磁鏈幅值|ψs|、|ψr|和轉矩Te，并根據(jù)式（1）得到前饋穩(wěn)態(tài)增量角Δθstat；給定轉矩T*e與反饋轉矩Te通過PI調節(jié)器輸出動態(tài)增量角Δθdyn，Δθ為定子磁鏈在一個開關周期的角度增量（Δθ=Δθstat+Δθdyn）；再根據(jù)磁鏈電壓的轉化關系，見式（2），得到經(jīng)SVPMW調制的定子電壓Usα和Usβ分量，進而控制磁場繞著圓形磁鏈軌跡運行。

式中：ωr——電機反饋轉速；Tp——開關周期。

2.2 十八邊形直接轉矩控制

牽引電機運行在高速段域時，切換到十八邊形磁鏈軌跡（圖4）的DTC技術。其在六邊形磁鏈軌跡的基礎上，每個頂點根據(jù)不同的折角系數(shù)內折，變?yōu)槭诉呅?。在低開關頻率的限制下，十八邊形更接近于圓形磁鏈，能更好地解決六邊形磁鏈控制下5次和7次諧波帶來的轉矩脈動及電磁噪聲問題［9-10］。

圖4 十八邊形磁鏈軌跡Fig.4 Octagonal flux trajectory

十八邊形磁鏈軌跡DTC的控制原理如圖5所示，采樣電機電流ia和ib，結合考慮逆變模型誤差的高精度電壓重構技術得到的重構電壓ua、ub和uc，通過全階磁鏈觀測器的電機模型得到磁鏈分量ψsα、ψsβ和轉矩Te；將定子磁鏈ψsα、ψsβ投影到ψβa、ψβb、ψβc坐標系上與給定磁鏈進行磁鏈調節(jié)，選擇相應的矢量繞著十八邊形的磁鏈軌跡運行；轉矩調節(jié)模塊根據(jù)開關頻率限制所調節(jié)的轉矩容差，在此基礎上進行滯環(huán)調節(jié)，輸出相應的零矢量，即S0（0 0 0）或S1（1 1 1），或維持原有的有效矢量，從而達到調節(jié)轉矩大小的目的。

圖5 十八邊形磁鏈軌跡DTC控制原理Fig.5 DTC control scheme of octagonal flux trajectory

2.3 自適應功率控制

整個電動輪自卸車牽引特性的控制包括兩方面：柴油機發(fā)電（簡稱“柴發(fā)”）系統(tǒng)的功率控制和牽引電機轉矩控制。目前，大噸位的電動輪自卸車通過柴油機驅動同軸相連的無刷勵磁同步發(fā)電機發(fā)出三相交流電，經(jīng)三相不可控全波整流器，輸出中間直流電壓。牽引電機根據(jù)不同中間電壓等級，選擇合適的功率去輸出。自卸車運行過程中，油門踏板頻繁變化，導致中間電壓處于800~1 900 V范圍波動。柴發(fā)系統(tǒng)是一個大慣性系統(tǒng)，中間電壓調節(jié)響應慢，當實際電壓未達到目標電壓值且中間電壓較低時，若后端驅動需要比較大的功率輸出，則容易導致直流側輸入過流或電機顛覆保護，因此整個自卸車的牽引控制需要進行功率自適應匹配的控制。

自適應功率控制原理如圖6所示，司機通過油門踏板經(jīng)ECU輸出柴油機轉速、勵磁輸出電壓、勵磁調節(jié)電流和轉矩給定。由于中間電壓隨著油門踏板指令而波動，ECU指令發(fā)出的轉矩需要經(jīng)過一定的自適應處理。式（3）為不同電壓等級下的功率限制曲線，其對不同電壓波動下牽引電機額定牽引特性的外包絡線進行處理，主要針對牽引特性的恒功區(qū)，根據(jù)當前的實際電壓與標準外包絡特性下的額定電壓比值來調節(jié)功率輸出。式（4）為不同電壓等級下的轉矩限制曲線，其主要針對牽引特性的恒轉矩區(qū)，根據(jù)當前的實際電壓與標準外包絡特性下的額定電壓平方的比值去調節(jié)功率輸出。式（5）為快速功率變化過程根據(jù)實際電壓與目標電壓的差值做的卸力系數(shù)，目標為當實際中間電壓小于目標電壓（250 V）時的輸出轉矩為零。對式（3）~式（5）的轉矩限制綜合取最小值。至此，ECU指令發(fā)出的轉矩經(jīng)過自適應控制后，在各種中間電壓波動及輸出電壓響應不及時的工況下，能保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地運行。式中：——ECU控制下的輸出轉矩；Tg_P_Const——不同電壓等級下功率限制后的轉矩包絡線；Tg_U_Const——不同電壓等級下轉矩限制后的轉矩包絡線；UN——牽引電機在柴油機額定轉速下的額定電壓；Ud*——勵磁控制的目標電壓；PN——額定功率；TN——UN下的轉矩包絡線；Ku——實際電壓下的卸力系數(shù)。

圖6 自適應功率控制Fig.6 Adaptive power control

3 輔傳控制系統(tǒng)

輔傳系統(tǒng)前端從主傳直流側取電并將其變換成輔傳系統(tǒng)后端可用的中間直流電壓，輔傳系統(tǒng)后端利用VVVF控制策略控制各類風機和水泵的運行，以提供整車的散熱、冷卻服務。

3.1 輔傳前端控制

輔傳主電路拓撲簡化示意如圖7所示。前端系統(tǒng)通過逆變器1將主傳中間直流電壓Udc1逆變成三相交流電，然后利用隔離變壓器降壓并經(jīng)不控整流器整流成直流電壓，最后經(jīng)電感器和電容器濾波，得到后端系統(tǒng)所需的中間直流電壓Udc2。為了穩(wěn)定后端中間直流電壓Udc2，前端系統(tǒng)采用電壓閉環(huán)控制策略，如圖8所示。

圖7 輔傳主電路簡化拓撲結構Fig.7 Simplified topology of auxiliary drive main circuit

圖8 輔傳前端系統(tǒng)控制原理Fig.8 Control principle of auxiliary drive front-end system

給定中間直流電壓與實際采樣得到的中間

直流電壓Udc2作差，經(jīng)PI調節(jié)輸出PWM所需輸入量，最終生成6路脈沖以驅動逆變器1輸出三相交流電。由于隔離變壓器的額定頻率為400 Hz，為使逆變器1運行在較低的開關頻率下以減小逆變器開關損耗，PWM生成采用方波控制方式。

3.2 輔傳后端控制

輔傳后端采用電流幅值閉環(huán)結合電壓開環(huán)的控制策略（圖9）。后端系統(tǒng)包括2個逆變模塊以驅動所有的輔變負載。為了方便描述，圖9中用風機代表后端系統(tǒng)所有風機和水泵負載，逆變器2對應圖1中的A2模塊。

圖9 輔傳后端系統(tǒng)控制原理Fig.9 Control principle of auxiliary drive back-end system

當風機給定頻率f*小于f1時（一般為風機額定頻率的60%），風機采取電流幅值閉環(huán)控制方式；當f*不小于f1時，風機采取電壓開環(huán)控制方式。電流幅值閉環(huán)控制階段，采樣得到的三相電流ia、ib和ic經(jīng)abc/dq變換，得到實際的直軸電流id和交軸電流iq。角度θ*由f*積分得到，參考直軸電流i*d和參考交軸電流i（*q根據(jù)風機特性曲線給定）分別與id和iq作差后，經(jīng)電流調節(jié)器PI控制得到直軸電壓u*d和交軸電壓u*q。之后，經(jīng)dq/αβ變 換，得 到 參 考 電 壓u*α和u*β，并 將 其 作 為SVPWM的輸入，輸出6路脈沖以驅動逆變器2，從而控制風機運行。電壓開環(huán)階段，SVPWM所需的參考電壓u*α和u*β直 接 按u*α=U*cos(θ*)和u*β=U*sin(θ*)給定。

4 試驗結果及分析

為驗證所設計的礦用電動輪自卸車主輔一體牽引系統(tǒng)的有效性和實用性，對其進行了地面組合試驗和礦山現(xiàn)場試驗。組合試驗項目參照的標準為GB/T 25117.3—2010《軌道交通機車車輛組合試驗第3部分：間接變流器供電的交流電動機及其控制系統(tǒng)的組合試驗》，礦山現(xiàn)場試驗相關測試結果應滿足JB/T 7641.1—1994《電傳動礦用自卸車整車技術條件》及該車型技術文件要求。

4.1 地面組合試驗

地面系統(tǒng)組合試驗采用電機對拖的方式，兩臺被試電機由兩臺陪試電機驅動（圖10）。被試電機參數(shù)如下：功率P=960 kW，極對數(shù)pn=3，基波頻率f0=37 Hz，定子電阻Rs=0.014 3 Ω，轉子電阻Rr=0.011 6 Ω，定子漏磁Les=0.308 5 mH，轉子漏磁Ler=0.465 9 mH，電機互感Lm=16.41 mH。被試系統(tǒng)根據(jù)實際工況模擬車輛在不同電壓等級、不同速度下的牽引和制動特性。

圖10 地面組合試驗聯(lián)調Fig.10 Ground combination test

地面聯(lián)調牽引、制動特性試驗結果如圖11所示，標準牽引、制動曲線下，牽引、制動轉矩精度均高于95%。圖12示 出 低 速 段（200 r/min）、給 定 轉 矩24 000 N·m、ISC控制下的電機電流波形。圖13示出高速段（1 250 r/min）、給定轉矩7000 N·m、十八邊形磁鏈軌跡DTC控制下的電機電流波形?？梢钥闯觯煌刂颇Ｊ较?，電流運行平穩(wěn)，電流幅值一致性高。

圖11 牽引、制動特性試驗數(shù)據(jù)Fig.11 Test data of traction and braking characteristics

圖12 ISC控制波形Fig.12 Waveforms of ISC

圖13 十八邊形磁鏈軌跡DTC控制波形Fig.13 Waveforms of DTC with octagonal flux trajectory

4.2 礦山現(xiàn)場試驗

裝載了中車株洲電力機車研究所有限公司生產(chǎn)的大功率主輔一體牽引系統(tǒng)的電動輪自卸車自投放山西平朔煤礦后，經(jīng)過牽引、制動特性試驗、自負荷試驗、恒速下坡試驗、坡起試驗、帶速重投等項點測試，完成了空載、半載和滿載的運行考核后，目前已編組且穩(wěn)定、可靠、無故障地運行了3 571 h，累計31 632.4 km，運輸量達1 445 276 t。

圖14示出整車滿載牽引加速到30 km/h后再制動到零的過程，其整車轉矩響應快，加減速均滿足要求。圖15示出整車滿載在坡道起步的波形，滿載以最大電流啟動，整車不后溜。圖16為帶速重投的波形，在200 r/min下的帶剩磁快速重投，重投啟動電流無沖擊現(xiàn)象。圖17為輔傳前端控制的中間電壓為625 V的波形，當中間電壓Udc1從700 V上升到1 700 V再下降為700 V時，輔傳中間電壓Udc2一直穩(wěn)定控制在625 V。圖18為輔傳后端兩個模塊輸出的電流波形，從電流波形可以看出，后端輔傳2個支路的負載控制穩(wěn)定。由現(xiàn)場所有數(shù)據(jù)可以看出，各工況下電動輪自卸車均能平穩(wěn)、可靠地運行。

圖14 主傳牽引加速到減速過程Fig.14 Acceleration and deceleration process of main traction

圖15 主傳坡停起步過程Fig.15 Hill stop and start process of main traction

圖16 主傳帶速重投過程Fig.16 Resarting process at running speed of main traction

圖17 輔傳前端電壓控制過程Fig.17 Front-end voltage control process of auxiliary drive

圖18 輔傳后端負載控制過程Fig.18 Back-end load control process of auxiliary drive

5 結語

本文針對傳統(tǒng)電動輪礦山車輔傳系統(tǒng)由柴油機驅動且不能變頻調速的問題，研究了一種大型礦用電動輪自卸車主輔一體牽引系統(tǒng)。其通過增加輔傳系統(tǒng)，采用電流幅值閉環(huán)結合電壓開環(huán)的控制策略，可以變頻驅動牽引電機風機、制動電阻風機、水泵及變流器散熱風機等負載，提高了整車的燃油經(jīng)濟性。主傳牽引系統(tǒng)控制策略在低速段采用ISC的圓形磁鏈模式，解決了低速轉矩脈動大的問題；在高速段域采用十八邊形的磁鏈軌跡模式，解決了原六邊形磁鏈軌跡5次和7次諧波帶來的轉矩脈動及電磁噪聲問題；并針對中間電壓波動大的問題，提出了一種功率自適應的控制策略，保證了牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行。該主輔一體牽引系統(tǒng)順利通過了地面組合試驗、現(xiàn)場裝車驗證及編組運行，其高效性、穩(wěn)定性和可靠性得到了充分驗證。大型礦用電動輪礦山車采用此主輔一體牽引系統(tǒng)將成為一種趨勢，其具有重大的工程借鑒意義。