矿用自卸车柴油发电机多种工况仿真计算

谭 鑫

(哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150028)

0 引言

大型自卸车是露天矿山的主要运输工具，矿山的特殊工作环境对车辆的传动效率和载重能力提出较高要求。电驱动系统以其传动效率高、载重量大的优越性，逐渐成为自卸车领域的主要发展方向。

根据发电机和电动机的不同型式，电驱动系统可分直流发电机-直流电动机驱动，交流发电机-整流-直流电动机驱动，交流发电机-整流逆变-交流电动机驱动，交流发电机-变频-交流电动机四种。其中，目前国内外绝大多数矿用自卸车上使用的都是交流发电机-整流逆变-交流电动机这种形式的电驱动系统[1]。这种电驱动系统主要由柴油发电机及整流系统，牵引逆变器及控制系统，电动轮总成系统等部分组成。其中，柴油发电机将前端的柴油发动机提供的机械能转化为电能，供整个电驱动系统使用，因此，对柴油发电机的合理设计与准确分析计算，是整车能够获得足够动力的基础与前提。

国内对矿用自卸车柴油发电机已经开展了一些研究。文献[2-4]分析了三次谐波励磁的原理和特点，并介绍了柴油发电机在不同吨位的自卸车上的应用，文献[5-6]对无刷励磁的结构设计和控制方式进行了研究。但在已有文献中，涉及到对柴油发电机本体的定量计算和验证的内容较少。

1 柴油发电机基本结构

所分析的电机为电励磁同步发电机，定转子部分截面示意图如图1所示，主要参数如表1所示。与常规同步电机相比，其特点为定子槽内除双层定子线圈外，还有一套谐波绕组，经整流后给转子励磁。使用谐波绕组励磁的优点在于，以增加一套谐波绕组和一组整流单元为代价，免去励磁机，结构简单，易于维护，经济可靠。另外，谐波励磁具有复励作用，动态性能好[7]，可减小负载电流和功率因数的变化对输出电压的影响。

图1 柴油发电机定转子截面示意图

表1 柴油发电机主要参数

2 不同工况下仿真计算

按照图1的模型，使用有限元法对柴油发电机在空载、三相稳态短路、额定负载、三相突然短路工况下的性能进行仿真计算。

2．1 空载工况

电机空载时，不同转速和励磁电流下的主绕组线电压和谐波绕组电压仿真有效值如表2所示。其中，转速500 r/min，励磁电流为140 A时的谐波绕组和主绕组空载电压如图2、图3所示。

图2 500 r/min 励磁电流140 A谐波绕组空载电压波形

图3 500 r/min励磁电流140 A主绕组空载电压波形

表2 空载试验仿真结果

2．2 三相稳态短路工况

在500 r/min，励磁电流为85 A时，主绕组三相稳态短路电流随时间变化的波形如图4所示，三相稳态短路电流有效值为518.6 A。

图4 500 r/min励磁电流85 A三相稳态短路工况绕组电流波形

2．3 额定工况

在矿用自卸车上，柴油发电机三相输出经整流后连接至直流母线，仿真时搭建如图5所示的整流电路，调节转子励磁电流，使整流后直流母线电压达到1 500 V要求，输出功率达到1 750 kW要求，此时电机的输出功率随时间变化曲线如图6所示。

图5 电机定子整流电路原理图

图6 额定工况电机输出功率曲线

仿真结果显示，当转子励磁电流为247 A时，电机经整流后输出功率平均值为1 790 kW，直流母线电压为1 515 V。

2．4 三相突然短路工况

当电机出现突然短路时，会产生较大的脉振冲击转矩[8]。在冲击转矩的作用下，电机的把合螺栓、热套配合面等位置会承受较大的应力。所以，在进行结构设计时，必须要考虑突然短路工况对相关零件应力的影响，并通过选择合适的材料，优化应力集中位置的结构，或是确定适合的紧量的方式来保证极端情况下零部件应力仍在许用范围内。

仿真计算电机由开路状态突然变为三相短路状态时的电流变化，得到的电机转矩随时间变化曲线如图7所示。

图7 突然三相短路工况电机转矩波动曲线

计算结果显示，当发电机出现三相突然短路时，产生的最大电磁转矩Tmax可达85 kNm，发电机额定转矩即电机发生三相突然短路时可产生电机额定转矩9.65倍的最大转矩。

3 仿真结果与试验对比

为了验证仿真计算的准确性，对样机进行了空载和短路试验，空载试验的试验数据以及与仿真计算结果(表2)的对比如表3所示，其中，500 r/min，励磁电流140 A时的主绕组和谐波绕组实测电压波形如图8、图9所示。

表3 空载试验数据

图8 500 r/min励磁电流140 A主绕组空载电压试验波形

图9 500 r/min励磁电流140 A谐波绕组空载电压试验波形

三相稳态短路试验数据为：500 r/min，励磁电流85 A时波形如图10所示，三相绕组电流有效值为515.4 A，仿真值与实测值偏差0．62%。

图10 500 r/min励磁电流850 A主绕组电流试验波形

对比试验数据与仿真结果，主绕组线电压和谐波绕组电压的计算结果与实测值的偏差均在5%以内，电压波形也比较一致，所以，可以认为仿真结果有较高的准确性。

4 结论

使用有限元计算了一台应用于矿用自卸车上的柴油发电机在不同工况下的电磁参数，并对样机进行了空载和短路试验，计算结果与试验数据相符，可为类似结构发电机的设计和计算提供一定参考。