电动轮自卸车电传动系统仿真研究

王家堡，黄守道，郭 超，刘建成

(1.湖南大学，湖南长沙410082;2.湖南机电职业技术学院，湖南长沙410151)

0 引 言

目前矿用自卸车主要用于露天矿山、大型水利、电力工程等，运送矿石、泥土石料，属于非公路用车，汽车运输是露天矿的主要运输手段之一，随着矿用汽车日益大型化、现代化，且具有适应矿山特殊作业环境要求的独特结构特点，使之成为汽车家族中颇具特色的重要分支，由于矿用汽车具有爬坡能力强、转弯半径小、机动灵活、且道路要求不高等特点，使之特别适应露天矿作业面狭窄、坡度大、作业场地变换频繁的作业特点［1－2］。因此，不管是冶金矿山，还是煤炭矿山等非金属矿山以及大型水电工地，矿用汽车都得到广泛的应用。重型矿用自卸汽车有很多总成可以任选，往往是根据矿山具体情况选用部件组成适用的车辆，154 t电动轮自卸车是湘潭电机股份有限公司生产的大型露天矿高效运输设备。本文对矿用自卸汽车传动系进行具体分析，研究矿用自卸汽车传动系统仿真模型，为矿用自卸汽车的选型提供可靠的依据，并为矿用汽车生产选型提供科学实用的方法。

本文结合MATLAB/Simulink软件、有限元仿真软件Maxwell 2D及联合仿真软件Simplorer各自的优点，建立了仿真模型，对三次谐波励磁同步发电机系统进行了仿真，并给出了仿真结果。

1 电动轮自卸车电传动系统

1.1 电动轮自卸车电传动系统基本原理

图1为154 t电传动自卸车主回路原理图。对一般发电机来源，我们需要的是工频正弦波，称为基波，比基波高的正弦波都称为谐波，其中三次谐波的含量最大，在谐波发电机定子槽中，安放有主绕组和谐波励磁绕组(T13－T18)，而这些绕组之间没有电的联系。本课题中只利用两套谐波绕组T13－T16，而另外一套谐波绕组T17－T18不利用。谐波绕组将绕组中3倍基波频率的谐波感应出来，经过整流器整流，送到主发电机转子绕组中进行励磁。

图1 154 t电传动自卸车主回路原理图

利用定子谐波绕组感应气隙磁场中的三次及倍数次谐波磁通而产生电动势作为三次谐波励磁的原理，将感应出的电动势作为励磁电源，此类发电机具有自励能力。与普通发电机相比，结构上只将定子槽中加了几套三次谐波绕组。本文中的三次谐波励磁发电机在定子槽中嵌入了三套谐波绕组，T13－T14谐波绕组把气隙磁场里的三次谐波功率引出，经可控硅整流器整流后供给自身发电机励磁，而T15－T16谐波绕组同样也是将引出的三次谐波能量，经过可控硅整流器后提供给直流牵引电动机励磁。而直流牵引电动机大多是采用他励电动机形式，需要直流电流励磁。这种励磁系统既有一定的相复励能力，又省去了直流励磁机等励磁机构。现在这种励磁系统普遍用于大型矿用自卸车传动系统，还可作电源用于发电机等领域。

图1中，ENG为柴油机;G为发电机;T1、T2、T3为发电机三相引出线;T13、T14、T15、T16、T17、T18为谐波绕组;F1、F2为发电机励磁绕组;ESS为速度传感器;R1、R2为制动电阻;M1、M2为直流牵引电动机;M1F、M2F为牵引电动机励磁绕组。

由图1可知，主发电机经柴油机带动发电，为驱动直流电动机提供电源，从而带动车轮运转。发电机主绕组为电动机电枢提供电源，同时谐波绕组发出的电通过励磁系统分别提供给发电机自身和电动机的励磁电流。通过控制发电机与电动机励磁电流整流电路的可控硅导通角来控制发电机和电动机励磁电流的大小，调节电动机转速以达到所需要求，使自卸车按规定的速度运转。

1.2 谐波励磁基本原理

三次谐波励磁同步发电机(以下简称谐波励磁发电机)是一种新型的采用谐波励磁方式的发电机［3］。同步发电机的气隙磁密波按傅里叶级数展开，可以将其分解为基波和一系列高次谐波，即:

式中，除基波外，3次谐波的幅值最大，频率为基波频率的3倍。

谐波励磁基本原理是:该类型发电机和普通发电机相类似。结构上只是在定子铁心槽里安放一组具有1/3基波节距的绕组，当磁极被原动机带动旋转时，这套绕组把气隙磁场里的三次谐波功率引出来，经过整流后励磁。气隙磁场在该绕组中产生的电势只含有三次谐波及三的倍数次谐波电势，各次谐波磁场在谐波组中感应的电矢量合成，除三次及三的倍数谐波电势外，均为零。为了得到具有幅－相复励的特性，在凸极同步电机中，转子磁场应取平顶波。发电机带感性负载后，负载产生的三次谐波分量使谐波绕组中谐波电势加强，所以凸极同步发电机具有良好的幅－相复励特性。空载时，励磁电流和磁极的磁场相互加强，空载电压不断上升，当磁路趋向饱和时，三次谐波含量较少，从而限制了空载电压的上升，发电机空载端电压就达到了一个平衡点，即自励加压过程，负载时，电枢反应产生的三次谐波与磁极磁势产生的三次谐波正好同相位，使励磁电流加大，使发电机端电压回升，即自动保证端电压恒定。多年来的实践证明，谐波励磁发电机运行可靠，维护简单，通用性强，制造方便。同直流励磁系统相比，可节约原材料20%左右，因此比较经济，适合于农村小水电站使用。

2 谐波励磁同步发电机的设计

本文设计的三次谐波励磁同步发电机具有紧凑的内部结构、复杂的内部磁场分布和较高的磁场饱和度［4］。为保证有效性和准确性，选用Ansoft/Maxwell 2D软件对发电机的电磁场采用有限元方法进行数值计算。

2.1 同步牵引发电机电气参数

额定容量:高压时992 kW，低压时938 kW，额定转速2 100 r/min或1 900 r/min，在两种转速下，电机输出均满足额定要求。额定电压:高压时1 600 V，低压时730 V;额定电流:高压时620 A，低压时1 285 A;最大电流:2 500 A(瞬时);效率:高压时91%，低压时84%。

2.2 同步牵引发电机绕组分布

定子绕组:同心式绕组，主绕组线圈的跨距为y=8，即1～9;并联支路数a=2;两根扁铜线并绕，线规:线宽6.93 mm，线厚3.7 mm。

谐波绕组:跨距为y=3，即1～4;并联支路数a=2，一根扁铜线并绕，线规:线宽6.93 mm，线厚3.7 mm。

励磁绕组:每极绕法:30匝，8极共240匝。线规:一根扁铜线并绕，线宽8.25 mm，线厚5.19 mm。

2.3 同步牵引发电机冲片尺寸

(1)定子冲片尺寸

定子冲片图如图2所示。定子外径D1=825 mm;定子内径Di1=536 mm;极对数p=4，定子槽数Z=72;定子槽参数:开口槽，Hs0=0.5 mm;Hs1=3 mm;Hs2=34.7 mm;Bs1=11.6 mm;Bs2=9.7 mm。

(2)转子冲片尺寸

转子冲片尺寸如图3所示。转子外径D2=530 mm;转子内径Di2=138 mm。

3 电传动系统的励磁系统

3.1 谐波励磁同步发电机的励磁控制

恒压是发电机电压调节器的主要任务。电压调节器结构如图4所示。经负载扰动的发电机电压UG经测量反馈通道的传递，成为反馈信号Ufk，Ufk与给定信号Ug比较，得到一个差值信号U0，U0=Ug－Ufk，U0经过前向通道放大，并移相触发晶闸管的脉冲，使晶闸管工作并调节励磁电流If，从而使发电机电压UG恒定。

图4 发电机和电压调节器的系统结构框图

3.2 恒功率牵引运行励磁控制

电动轮自卸车的控制系统要在实际工况里需满足“恒功率匹配”，即在牵引工况时，一般通过调节发电机与电动机的励磁来实现同步发电机的输出功率与柴油机的负载能力相匹配［5］。经实验测试，本文研究的电动轮自卸车牵引时的特性曲线如图5所示，其中，AB段为电流限制线，BC段为恒功率线，CD段为电压限制线。

图5 电动轮自卸车恒功牵引特性曲线

图中，IF为牵引时IM1、IM2电流中取大值;UF为主电压同时限制UF1(单机电压)不能超过800 V，UF－UF1也不能超过800 V;电功率Pmax=1 000 kW是指当全压牵引踏板，柴油机转速超过1 900 r/min时，电功率为最大，该值典型为1 000 kW，同时可通过PTU设备调整，调整范围700～1 300 kW。

牵引特性的功能是根据反馈量和给定量计算出控制量，一是控制电动机的励磁电流IMF，二是控制发电机的励磁电流IAF，使车辆能够满足牵引运行特性的要求。控制器根据采集到柴油机输出给发电机功率P与反馈给主回路电压UF和发电机电流IF的乘积即电功率信号对比，计算出电功率误差，再经过PI调节计算移相触发角α0，经过移相触发单元发出脉冲，调节发电机的励磁电流IAF［6－7］，如图 6 所示。

图6 发电机励磁控制方框图

图7为柴油机转速与输出电功率Pmax的函数关系，可描述为:

图7 转速与输出功率关系

在满足功率匹配的前提下控制电动机励磁电流IMF实现无级调速。牵引电动机励磁电流IMF以发电机的输出电流IF作为其给定，来实现功率匹配，如图8所示。

图8 IMF控制框图

IMF跟随IF按图8变化，应满足:

3.3 励磁调节器触发信号的产生

同步发电机的励磁系统采用相控方式来触发，触发回路在软件 MATLAB/Simulink中建立，在MATLAB中建立Ansoft S Function与Simplorer软件相联接，在Simplorer软件中通过Simplorer circuit－方法将触发信号传入Simplorer中，然后设置好路径就可以进行simplorer与MATLAB/Simulink联合仿真。MATLAB中的触发回路是两套励磁信号回路，一套是发电机励磁回路，引入谐波绕组(T13、T14)。由于励磁方式是三次谐波励磁，所以谐波绕组波形有时在半波出现过零点，采用水平积分器，可准确知道过零点的时刻，以便及时调整载波来产生触发信号，解决了谐波较大时励磁控制难的问题。

4 场路耦合仿真模型及结果分析

电机系统场路耦合仿真技术是把电路与磁场理论进行控制系统综合仿真的方法，经有限元法计算出电机磁场的结果反馈给控制系统的控制策略进行分析、计算，再将控制系统计算结果反馈给有限元分析的输入进行计算，如此反复循环计算直到计算完毕。再对计算结果进行对比分析，用以指导电机最优化设计目标。三次谐波励磁同步发电机需要由谐波励磁供电方可正常运行。

4.1 仿真模型

在结合MATLAB/Simulink软件、有限元仿真软件Maxwell 2D及联合仿真软件Simplorer各自的优点情况下，建立三次谐波励磁同步发电机系统的仿真模型。由于Maxwell 2D没有与MATLAB/Simulink直接耦合的接口，因此只能在Simplorer软件中建立其功率驱动主电路，再与二维模型中的电枢绕组相接，加上额定机械负载。具体仿真环境如图9所示。

采用Simplorer软件，按要求建立系统的仿真模型，对谐波励磁同步发电机带直流电动机的运行特性进行了仿真研究。仿真中假设三次谐波发电机转速恒定为2 100 r/min，直流母线电压目标值为588 V。

4.2 系统仿真结果与分析

本文给出了谐波发电机带两台500 kW即1000 kW直流电动机负载时的仿真模型。自励磁时相应的控制性能仿真结果如图10所示。从图10(a)可以看出，实际输出功率与给定功率相吻合，即功率的实际值对指令值跟踪得较好，说明控制器的参数设计是合理的。电动机转速可达1 080r/min，直流母线电压能够稳定在1 200 V，发电机励磁电流为275 A左右，电枢电流为800 A，电动机励磁电流能稳定在250 A，主绕组和谐波绕组感应电压均满足设计要求。

图9 MATLAB中总体仿真模型

图10 谐波发电机带两台直流电动机负载自励磁仿真波形

5 结 语

本文从电机设计理论出发，通过Ansoft/Maxwell 2D软件的有限元方法，建立了三次谐波励磁同步发电机的有限元模型。针对电传动系统的特殊要求，提出了一种新方法，即利用联合仿真软件Simplorer并结合Matlab/Simulink及Ansoft/Maxwell 2D软件对谐波励磁同步发电机系统带直流电动机负载下进行了联合仿真计算和深入分析。经过多次修改参数及调试，仿真结果验证了设计方案的正确性，已基本满足154 t直流电传动系统的要求。

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