MT5500B 交流电动轮卡车控制原理与控制功能

王 虎

（准能集团设备维修中心，内蒙古鄂尔多斯 010300）

0 引言

MT5500B 电动轮卡车是哈尔乌素露天矿剥离运输主要设备，载重326 t。电动轮卡车能量转换系统由4 个主要部分组成。①牵引交流发电机总成，包括主交流发电机、牵引系统风机、整流器；②逆变器组包括3 个电制动接触器、每个马达3 个分离的逆变器、系统控制器；③带冷却风机的制动电阻栅系统；④2 个轮马达传动单元。

1 MT5500B 交流电动轮卡车控制原理

交流驱动电动轮矿用卡车的工作原理是发动机发出的机械能通过与飞轮连接的交流发电机转换为电能（三相交流电），三相交流电经过整流器及滤波器转换为直流电，直流电经过逆变器（变频器）转换为三相交流电驱动轮马达，也就是将电能转换为机械能。当动力制动（电制动）时，轮马达由电动机状态变为发电机状态，将车轮由于惯性产生的机械能转换为电能（三相交流电），经逆变器反向整流后，转换成直流电，电能经电阻栅转变成热能，释放到大气中。整个矿用卡车的驱动就是一个能量转换的过程。矿用卡车控制系统基本原理如图1 所示。

图1 矿用卡车控制系统基本原理

1.1 交流逆变器基本原理

逆变模块把直流变为交流。合适的脉冲次序控制固态功率切换设备的开和关。用于每个三相逆变模块的功率器件是一个绝缘栅双极晶体管（IGBT）。IGBT 相当于一个电闸，它每秒可以开、关多次。每个相模块有4 个IGBT，IGBT 是以串联或并联结构连接。

1.2 MT5500B 交流电动轮卡车系统控制原理

柴油机/电气组驱动系统由驱动牵引交流发电机的发动机组成。牵引交流发电机输出三相交流电。交流电通过三相桥式整流器变为直流电。直流电再到两个交流逆变器输入端。

直流电路包括正负总线，总线把直流电分为六相（每个逆变器有三相）。为了减小脉动和过滤尖峰，直流电路有4 个输入滤波电容器（每个逆变器有2 个电容）。

直流转换为交流有许多种方案。逆变用脉宽调制（PWM），PWM 在电动机低转速时电流频率固定，而高转速时可变频。交流电动机的转速由交流电的频率决定。低转速时，频率固定并且与PWM 联接，这样电动机有最大扭矩，可以产生最大加速度；当增大电流频率时，电动机的转速就相应增大。

逆变器的最大频率是100 Hz，相应的电动机的转速是3000 r/min。通过齿轮传动比、轮胎尺寸（直径）的变化，矿车的速度达到40 英里/小时。

动力制动时，电动机作为发电机把矿车的动能转化为电能。发电机需要励磁才能产生交流电。在车加速后，开始动力制动，发电机可以产生足够的磁场而开始发电。一旦发电机开始发电，发电机就可以自励。矿车在惯性作用下行驶，磁场就可以通过磁化的发电机来维持。这样加速、制动后快速做出反应。产生的三相交流电输出后用各自的三相模块整流，三相模块起三相桥式整流的作用，把直流电输回到直流电路。同时，接触器关闭，电阻栅电阻与直流电路接通。这样电阻栅消耗电动机产生的电能而转化为热能。通过电风机把电阻栅上的热量散到空气中。

当电阻栅是直流电路的负载时，矿车将减速直到停止。速度达到零时，牵引交流发电机向逆变器输出电流。这样提供给每个电动齿轮合适的力矩，使矿车不需要摩擦制动就可以驻车的效果。低于1 英里/小时，可以实现从扭矩控制到速度控制的平稳过渡。

2 交流电动轮卡车系统控制功能

2.1 控制矿车状况

控制矿车状况的目的是根据大量输入数据定义矿车的运行模式。输入包括油门踏板和制动踏板，他是操作指令。控制车前进、停止、倒车。矿车输入情况控制矿车运行模式：加速前进、加速倒车、前进制动、倒车制动、驻车制动、稳速、滚动。每种情况都给发动机一个转速调节指令。矿车状况的控制另一个作用是：控制运行模式，这样可以消除对设备的潜在损坏。例如：矿车以15英里/小时向前行驶，司机可能将挡位拨到倒挡。这样会对变速箱造成很大的损环。在这种情况下，通过软件可以锁定当前运行状况，只有当速度低于设定时速才能挂入倒挡。

2.2 设置扭矩指令并发送给逆变器控制模块

初始的扭矩指令是系统控制器设定，并且把指令传到2 个逆变器控制模块。系统控制器利用大量的修正和限制数据（急加速）设定指令。

来自加速踏板的信号设定基本的扭矩指令。软件把加速踏板的信号传到加速指令器。用脉动限制器控制斜坡信号，以减小初始加速度。这样减小驱动设备瞬时扭矩（尤其是变速箱）。扭矩指令传到2 个逆变器控制模块，加速指令受到下面标准的限制：

（1）发动机最大扭矩不允许超过额定扭矩。

（2）交流发电机最大扭矩不允许超过额定输出功率。

来自制动踏板的信号确定基本的扭矩指令。在缓行时，发动机和交流发电机没有限制。扭矩是通过电阻栅元件的规格和直流电路电压来控制。在缓行时扭矩指令不起作用。系统软件控制3 个制动接触器。根据需要的扭矩和逆变器的输出电压，1 个、2个或3 个缓行接触器适时激发。

2.3 控制发动机转速

系统控制器软件调节发动机转速。在空档或装载制动打开时，发动机转速调整到650 r/min（怠速）。在前进时，发动机转速提高到1300 r/min“高怠速”。在“高怠速”时，当踏下加速踏板时，发动机速度能快速做出反应。发动机转速可以增加到最大1900 r/min。在减速时，发动机转速调整到1300 r/min。

2.4 控制牵引交流发电机磁场

系统控制器软件控制牵引交流发电机的输出。实时监控直流电路电压和三相交流输出电流。在加速时，直流电压调到1400 V。随着加速扭矩的提高，电流也需要增大。为了保持电压稳定，系统控制器把交流发电机的实际输出电压和电流与其指令电压和电流相比较，比较电路输出结果，然后自动调整交流发电机励磁电流用以控制其磁场。

3 交流电动轮卡车逆变器控制与保护功能

3.1 扭矩和速度控制

逆变器软件的主要功用是驱动相模块。它把扭矩指令转换为门驱动器输入的开/关脉冲。门驱动器输出控制IGBT 的打开与关闭。

处理器接收5 个基本参数：来自系统控制器的扭矩、轮马达的实际转速、直流电路的电压、B 相和C 相的电流。通过调整电流频率可以得到需要的扭矩和转速。变频控制不同于稳幅的脉宽调制（PWM）控制。产生的修正正弦波不同于脉冲调制产生的最大100 Hz 的频率。

3.2 联动装置和安全防护

如前所述，每一个相模块有4 个IGBT 和2 个二极管。逆变器软件实时监测直流电路的电压和相电流。一旦有电压或电流过大，IGBT 脉冲将失去作用。

逆变器软件同时确保上部2 个IGBT 和串联的下部2 个IGBT 不同时打开。如果同时打开将使直流电路的正极和负极发生短路，这种情况叫“击穿”。

光导纤维用于门驱动器和逆变器控制模块之间的信息传输，它提供可靠、快速的传输信号。但是要确保上部IGBT 收到的“关闭”信号先于下部IGBT 收到的“打开”信号。这一过程是利用监测指令信号和相应的状况信号（证实）实现的。一旦状况信号和指令信号不相符，就发生了严重错误，逆变器立刻关闭。

3.3 打滑/滑动控制

由于地面和轮胎之间的附着力是变化的，1 个或2 个轮子可能在加速时打滑，或缓行时滑动。逆变器软件就临时减小扭矩。这个修正值传到1 个车轮，或传到同时打滑/滑动的2 个车轮。如果附着力恢复，扭矩指令也恢复到公称值。

3.4 故障监测

为了保护硬件，一旦某一功能异常，逆变器软件开始检查故障。这些逆变器故障是很严重的，导致驱动系统关闭。相应的故障信息发送到记录故障日志的系统控制器。

3.5 逆变器保护

3.5.1 过电流保护

在实际工作中，大部分负载都是经常变动的，因此在工作过程中或在升、降速过程中，短时间的过电流是难免的。通过改变变频器的频率，来降低电流。当工作电流超过限定值时，变频器自动地适当降低其工作频率，当工作电流降到限定值以下时，工作频率再逐渐恢复。

3.5.2 过电压保护

PWM 调制方式中，电路是以脉冲的方式进行工作的，由于电路中存在着绕组电感和布线电感，所以在每1 个脉冲的上升和下降过程中，可能产生峰值很大的脉冲电压，这个电压将叠加在直流电压上，形成具有破坏性的脉冲高压。在MT5500 上使用了瞬间断路器，当直流母线电压超过1575 V 时，瞬间断路器打开，电压经制动电阻消耗，当电压降到1475 V 时，瞬间断路器关闭，从而消除电压峰值。

3.5.3 欠电压及瞬间停电保护

储能元件（滤波电容）在高电压时充电，吸收谐波及电压波峰，在低电压时放电，维持系统电压平稳。关机后电容电压经电阻释放。

3.5.4 电磁干扰及谐波防护

高频化和大容量化使装置内部电压、电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压电流应力，还在装置的输入输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备的误动作。谐波会使输入电流波形严重失真。电磁干扰电容器的作用是将IGBT 产生的电磁噪声释放。

4 结束语

MT5500 电动轮卡车使用先进的交流变频控制系统，国产交流变频控制系统目前已经在部分设备投入使用，通过控制原理的分析，对比国产系统运行中各项指标，以便进一步改进，从而降低卡车故障率，保证设备安全可靠运行。通过交流电动轮卡车系统控制功能及逆变器控制与保护功能的分析，为矿用交流电动轮卡车的技术改造和操作、维修提供参考。