張 亮，張 莉，李 斌，譚國(guó)俊

1徐州徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司 江蘇徐州 221004

2中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 江蘇徐州 221008

載 重百噸級(jí)以上的大型礦用自卸車是露天礦山運(yùn)輸?shù)闹髁υO(shè)備，也是礦山油耗最大的設(shè)備，在大型露天煤礦和金屬礦山等場(chǎng)景中應(yīng)用廣泛[1]。目前，礦用自卸車主要是由電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)和 A C 感應(yīng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及對(duì)應(yīng)的變流系統(tǒng)組成。這種電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子難以采用液體進(jìn)行冷卻，普遍采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，造成電動(dòng)機(jī)的體積和質(zhì)量都相對(duì)較大；且與機(jī)械傳動(dòng)相比，效率較低。近年來(lái)，地鐵、高鐵等軌道交通行業(yè)開始使用永磁驅(qū)動(dòng)的技術(shù)路線，借助永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)高效節(jié)能的特點(diǎn)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[2]。由于礦車的電傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)來(lái)源于機(jī)車行業(yè)，因此借鑒機(jī)車行業(yè)，將永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用在大噸位礦用自卸車上，對(duì)礦山的節(jié)能減排意義重大。

筆者在簡(jiǎn)單介紹礦用自卸車永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，闡述了永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和控制策略。根據(jù)永磁同步牽引電動(dòng)機(jī)的特性及礦用自卸車的工況特點(diǎn)，提出了高速段的永磁電動(dòng)機(jī)弱磁控制策略，并在某永磁驅(qū)動(dòng)礦車上驗(yàn)證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性和有效性。

1 礦用自卸車永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

大噸位礦用自卸車一般運(yùn)距在 3～4 km，滿載上坡至卸料點(diǎn)后，空載返回裝載點(diǎn)，作業(yè)循環(huán)約半小時(shí)。因此，礦用自卸車用的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是典型的恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)、恒功率運(yùn)行，且頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)。為保證礦車的高效作業(yè)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須滿足如下條件：

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

(2)最高轉(zhuǎn)速滿足礦車最高車速 ≥60 k m/h 的要求；

(3)全速度范圍內(nèi)保持高傳動(dòng)效率，降低礦車油耗和運(yùn)營(yíng)成本；

(4)免維護(hù)，體積緊湊，質(zhì)量輕，堅(jiān)固耐用，能適應(yīng)嚴(yán)苛的礦山環(huán)境。

在礦車動(dòng)力曲線要求下，可設(shè)計(jì)永磁驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力外特性曲線，其典型形式如圖1 所示。

圖1 典型礦車電動(dòng)機(jī)外特性Fig.1 Typical external characteristics of mining truck motor

礦車傳統(tǒng)電傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)二極管不控整流器整流后逆變驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；下坡緩行工況下，電動(dòng)機(jī)反向發(fā)電，經(jīng)斬波后，由制動(dòng)電阻消耗掉。系統(tǒng)在直流母線上掛載若干個(gè)輔變系統(tǒng)用來(lái)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的冷卻水泵、風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)等。將傳統(tǒng)電傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)分別用永磁發(fā)電機(jī)和永磁電動(dòng)機(jī)代替，二極管整流器用四象限 P WM 整流器代替，就構(gòu)成了礦用自卸車永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖2 所示。為保護(hù)系統(tǒng)安全，在永磁發(fā)電機(jī)、永磁電動(dòng)機(jī)和變流器之間分別加裝接觸器進(jìn)行保護(hù)控制。

圖2 永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of permanent magnet drive system

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)牽引控制策略

2.1 永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

為便于控制，建立永磁同步電動(dòng)機(jī)在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)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(dòng)機(jī)矢量控制策略

在上述同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的解耦數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，搭建永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，原理框圖如圖3 所示。在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向形成的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)，分解定子電流為轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì)磁電流。圖3 中，轉(zhuǎn)速差經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器輸出為iq*；id、iq與給定值的偏差經(jīng) PI 調(diào)節(jié)器和反 p ark 變換得到兩相靜止坐標(biāo)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(yùn)算形成 PWM 波控制逆變器，進(jìn)而由逆變器驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。ed、eq為電流調(diào)節(jié)器的解耦與前饋補(bǔ)償公式，其表達(dá)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(xiàng)；ωψf為反電動(dòng)勢(shì)前饋補(bǔ)償項(xiàng)。

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁控制

永磁同步電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)由固定在轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生，因此不能像感應(yīng)電動(dòng)機(jī)一樣通過(guò)轉(zhuǎn)子電流來(lái)調(diào)節(jié)。從圖1 電動(dòng)機(jī)外特性曲線可以看出，礦車需大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，且調(diào)速范圍較大，因此，永磁驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在高速段需采用弱磁控制，以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大調(diào)速范圍和降低系統(tǒng)容量的目的。

當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，定子端電壓不能超過(guò)變頻器最大輸出電壓，即

穩(wěn)態(tài)時(shí)，式(1)和式(2)中的電流微分項(xiàng)等于零，且在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，定子電阻上的壓降遠(yuǎn)小于電抗上的壓降，可忽略不計(jì)。綜合以上及式(3)、(4)、(6)可得

進(jìn)而得到

式中：ψs為永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子磁鏈，Wb。

由于

式中：n為電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；ωr為機(jī)械轉(zhuǎn)速，rad/s。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，滿足式(8)的要求。但當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高到式(8)兩邊相等時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子端電壓等于變頻器所能輸出的最大電壓，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速受此電壓限制，若想進(jìn)一步增加轉(zhuǎn)速，就需調(diào)節(jié)定子磁鏈。即通過(guò)加大定子直軸去磁電流分量來(lái)削弱電動(dòng)機(jī)氣隙合成磁場(chǎng)，使電動(dòng)機(jī)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(huì)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(nèi)。

由上述分析，搭建永磁同步電動(dòng)機(jī)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(zhuǎn)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(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖4 搭建 MATLAB 仿真，在 0～0.2 s 時(shí)，將負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為 0，即空載啟動(dòng)；在 0.2 s 時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?57.3 N·m，為額定轉(zhuǎn)矩的一半，此時(shí)功率為 30 kW。仿真結(jié)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(jié)果可以看出，該弱磁控制策略可以有效地對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)高速段進(jìn)行控制。

在此基礎(chǔ)上搭建試驗(yàn)平臺(tái)，相關(guān)結(jié)果如圖6 所示。從試驗(yàn)波形可以看出，該控制策略下系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)迅速，具備裝機(jī)驗(yàn)證的能力。

圖6 PMSM 弱磁控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experiment results of PMSM flux-weakening control system

5 礦車裝機(jī)實(shí)測(cè)運(yùn)行

在前面論證工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了全球首臺(tái)百噸級(jí)永磁驅(qū)動(dòng)礦車，整機(jī)裝機(jī)功率大于 700 kW，整備質(zhì)量大于 200 t，由 2 個(gè) 400 k W 的永磁電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖7 給出了礦山運(yùn)行時(shí)的母線電壓以及轉(zhuǎn)矩給定與反饋?？梢钥闯?，永磁驅(qū)動(dòng)礦車運(yùn)行平穩(wěn)，跟蹤響應(yīng)快速。經(jīng)一年的礦山試驗(yàn)，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(yùn)行數(shù)據(jù)采集Fig.7 Data collection during mining truck operation

6 結(jié)語(yǔ)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電傳動(dòng)礦用自卸車的核心系統(tǒng)，決定了整車的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。筆者針對(duì)礦車用永磁電動(dòng)機(jī)，搭建了其數(shù)學(xué)模型，并提出了高速區(qū)的弱磁控制策略，經(jīng)仿真、試驗(yàn)和裝機(jī)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了系統(tǒng)方案和技術(shù)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)為永磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做出了有益的探索。