矿用卡车电传动系统漫谈

矿用自卸车是目前大型露天矿山的主要运输工具，承担着矿山开采中主要的运输任务，而电传动几乎是当前大型矿用卡车的“标准配置”，它相比机械传动有不少优势，所以应用越来越多，下面就和大家一起学习些矿用卡车电传动控制系统方面的知识：先对在内容中可能出现的名词简单了解一下：交流电：AC，英文AlternatingCurrent，交流电也称“交变电流”，简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。它的最基本的形式是正弦电流。交流电随时间变化可以以多种多样的形式表现出来。不同表现形式的交流电其应用范围和产生的效果也是不同的。直流电：DC，英文DirectCurrent，是指方向和时间不作周期性变化的电流，但电流大小可能不固定，而产生波形。又称恒定电流。整流：将交流电变换为直流电称为AC/DC变换，这种变换的功率流向是由电源传向负载，称之为整流。整流电路是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向脉动电压的电路。常用的整流电路有：（1）半波整流；（2）全波整流；（3）桥式整流。变频：就是改变供电频率，变频技术的核心是变频器，它通过对供电频率的转换来实现电动机运转速度率的自动调节。逆变器：是把直流电能转变成交流电的装置。GTO：可关断晶闸管GTO（GateTurn-OffThyristor）亦称门控晶闸管。其主要特点为，当门极加负向触发信号时晶闸管能自行关断。IGBT：IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力电子器件。应用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。(电磁式电涡流)缓行器：是车辆的一种辅助制动装置，它将车辆制动时的动能通过电磁感应转变为逆向电涡流并以热能方式消耗掉，实现减速作用。特点是无机械磨损，制动平稳，没有冲击和噪声等。行星轮(减速)机构：一个或一个以上齿轮的轴线绕另一齿轮的固定轴线回转的齿轮传动。行星轮既绕自身的轴线回转,又随行星架绕固定轴线回转。太阳轮、行星架和内齿轮都可绕共同的固定轴线回转，并可与其他构件联结承受外加力矩，它们是这种轮系的三个基本件。目前的电传动矿用车都是搭载柴油机的“柴电传动”形式（在柴油机广泛应用之前，还曾出现过汽油机-电力传动的方式），基本结构是整体车架、双轴（早期有过3轴的）、后卸式。使用电传动驱动系统的通常是载重量在百吨以上的大吨位车型（小吨位车型由于性能要求不高，以及结构上的限制，电传动的优势已不明显）。其工作原理大致为：利用车载大功率柴油发动机带动牵引发电机发电，将机械能转变成电能，电流经过整流和励磁控制，供给轮内或轮边牵引电动机，它又将电能转变成机械能，再通过行星轮减速机构将动力传递给主动车轮（通常为后轮）实现动力传递；车辆的前进和后退通过改变电动轮电机的磁场电流方向来实现；车辆在运行过程中，可以进行动力辅助制动，即无摩擦的缓行制动方式：此时，电动轮电机被调整为发电机运行状态，将车辆运行的惯性能转变成电能，通过动力制动电阻栅，以热能的形式耗散在大气中。这时，电动轮电机产生的电动力矩阻碍车辆运行，从而起到减速制动的作用。对比一下机械传动和电力传动，看电传动系统有何种优势：机械传动：发动机--变矩器--变速器--传动轴--桥--半轴--轮胎电传动：发动机--发电机--控制/输电线路--牵引电动机--轮胎电动轮自卸汽车既没有复杂的机械变速机构和笨重的传动轴，也不需要后轴的伞齿轮、半轴和差速器，只要有电缆的软连接即可，使汽车结构大大简化，一套电传动系统代替了在机械传动卡车中的许多零部件，电气元件包含了更少的机械磨损件，中间环节少，传动链短、传动效率高、结构简单，提高了传动效率和工作的可靠性，电传动系统还可以改善柴油机的工作状况，使其功率能与牵引发电机相匹配而得到充分的利用，从而提高了车辆的牵引性能。并可无级变速、无摩擦电制动和自动电动差速等。此外由于电力系统自身的一些特性，电传传动还有这些优点：调速性能好，响应速度快、启动力矩大、从零转速至额定转速可提供额定转矩，可以提供显著的牵引能力优势；还可以进行打滑和空转的控制，以降低轮胎的磨损，还具有无级变速的特性，可使车辆运行平稳；具有恒动控制，功率可充分利用；动力制动行驶安全等。电传动车辆能方便是测定转速和扭矩，所以能保持发动机经常保持在最佳工况。还可以使用架线辅助供电的双动力模式...由此可见，与机械传动相比，电传动系统提供更低的运行成本，更高的可靠性，更少的维护和更强的性能。在超大型露天矿用自卸车方面，电动轮能否完全取代液力机械传动自卸车？当然这主要取决于Caterpillar不过虽然机械结构简化了，但其电路系统是一项非常复杂的控制技术！=======================由于生产发展的需要，美国人在上世纪50年代发明了电动轮毂，它是在自卸汽车的基础上，融汇了无轨电车的技术产生并发展起来的，1959年，美国的UnitRig公司首次将一辆载重为68吨的矿用汽车改装成电传动汽车，从1963年开始，该公司批量生产载重量为77吨的M85型电动轮自卸汽车。因为技术水平的限制，当时设计和制造用于大功率、大扭矩的机械变速传动系统是相当困难的，然而电力驱动系统就避免了这一问题，于是电动轮趁机得到了发展。同时由于电动轮自卸汽车有许多优点，其技术已逐步趋向成熟和完善。大马力的电传动矿用车的动力传递系统，主要部件包括：大功率柴油机、牵引发电机、微电脑控制柜和电动轮总成（其中牵引电机同时兼具牵引和动态电制动功能）等，如下：·柴油机主要用于驱动牵引发电机，其功率目前已突破了4000马力。·主电控柜是是电传动系统的核心，采用微电脑和集成电路，由励磁系统、逻辑控制系统、动力接触器、可控硅励磁器及车辆的保护检测装置组成。励磁系统采用闭环自动调节系统，对发电机和牵引电动机在各种工况下的励磁进行最佳控制和调节；逻辑控制系统分为有触点和无触点两种，新型电动轮自卸汽车广泛采用无触点逻辑控制。电动轮自卸汽车具有较完善的保护和监测系统。·牵引发电机是电传动系统的主要环节，它与柴油机组成柴油---发电机组，将柴油机提供的机械能以电能的形式传递给电动轮电机。·电动轮总成主要部件为带行星轮边减速器的高速内转子型牵引电机，减速机构布置在牵引电动机和车轮之间，起到减速和增矩的作用。电机输出轴通过行星减速机构与车轮连接，使系统具有较大的调速范围和输出转矩，充分发挥驱动电机的调速特性。两个电动轮总成分别用一组螺栓固定于后轴箱两侧。另外还有辅助发电机作为励磁和向蓄电池充电的电源。电传动系统根据装用的发电机和牵引电机的形式不同，可分为4种（也可看作4个发展阶段）：1.直流发动机－直流电动机系统（即直－直系统）这种系统的优点是，发动机发出的电能，可以不经过任何装置的转换，而直接送到牵引电动机，因此系统的结构简单。其缺点是，直流电动机的体积大，重量大和成本高，转速不能很高，整流的火花大等。最初的电动轮卡车使用这种方式。2.交流发电机－直流电动机系统（即交－直系统）这种系统可以达到提高转速，缩小体积，运行可靠和维修简便等效果。20世纪70年代开始，载重为100吨以上的大型电动轮汽车广泛采用这种方式，目前运行中的车型很多还是这种方式。3.交－直－交电传动系统交流发电机发出三相交流电，经过硅整流器整流变成直流电以后，再经过可控硅逆变器，所直流电变成预定可变频率的三相电，以供给各个牵引电机使用。逆变后的三相交流电的频率根据需要是可控制的。交流牵引电动机（特别是鼠笼式电动机）与直流电动机相比，由于没有换向器，结构简单，外形尺寸小，所以可以设计和制造出功率大、转速高的电动机，这种电机运行可靠，维护方便。这是目前AC型矿用车的传动方式。4.交－交传动系统这种系统是没有直流环节的直接变频的交流传动系统。发动机驱动交流发电机，发电机的输出输给变频器，变频器向交流牵引电机输送频率可控的交流电。这种系统对变频技术和电动机的结构都有较高的要求。或许这会是以后的发展方向。20世纪60年代电动轮发展的初期，传动系统都是直流发动机和直流牵引电机；70年代开始采用三相交流发电机和直流牵引电动机的结构；从80年代中后期开始，计算机控制技术已逐步应用于矿用电动轮的车速自动调节、柴油机燃油喷射及整车的故障分析诊断等领域，随着计算机技术、通信技术、传感器技术的进一步发展及有关元器件功能的完善、可靠性的提高，计算机控制技术已在矿用电动轮卡车的许多方面得到应用。之后随着交流变频调速技术的发展和大功率逆变器的同世，90年代后期，美国的GE和德国的Siemens先后推出了使用交流牵引电机的电传动系统，从此重型矿用电动轮开始进入AC时代Komatsu在1996年芝加哥国际博览会上展出了首台交---交流传动型矿用卡车，也是世界首台载重量达到300短吨的车型。发动机采用德国MTU公司的16V396TB44L柴油机，额定功率2000kW，发电机是GE公司的GTA-34，这个车型是930E。Euclid-Hitachi和德国的Siemens合作于1997年推出了R260（现在的EH4500）交---交流传动矿用电动轮卡车，并在1998年就投入到了商业生产。直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的这个特性要求电枢磁场与转子磁场须恒维持90度，这就需要碳刷及整流子，结构变得复杂。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，会造成组件的损坏，使用场合也受到限制。在高压大功率时换向困难、电位条件恶化、结构复杂、制造难度大和维修麻烦。交流传动相对直流传动而言，电机取消碳刷，换向器以及其它须经常维护的零部件，同时明显减少接触器数量。使牵引电机的工作可靠性大大提高。而且交流电机相对直流电机价格便宜，制造周期短，使运行费用大为降低，伴随着逆变器控制技术的成熟、元器件工作可靠性的提高及价格的不断降低，不过要在性能特性上达到相当于直流电机的水平，必须要用复杂的控制技术。，正如直流驱动系统提供优于机械驱动的优势，交流驱动技术进一步降低了生命周期成本，同时增强了生产力，所以它目前基本取代了直流传动的矿用卡车。世界首台AC驱动矿用车、1996年的Komatsu930E，其发电机是GE公司的GTA-34，每台交流感应电动机配备一个牵引逆变器，每套逆变器中有6个GTO型晶闸管和6个反并联二极管，逆变器用强迫空气流冷却。在控制方面增加了减速时打滑和牵引时空转的检测和保护。系统主电路的触点由14个减少到5个，从而可以减少动作延时3--4秒，系统反应更为快速。交流驱动系统中，通常使用结构简单，运行可靠，成本低廉的三相鼠笼型感应电动机。由变频装置向其提供频率可控的电源，驱动车辆。目前的交流驱动技术多数都应用了IGBT技术，使系统更简单、更可靠、生命周期成本更低并且体积更小。电传动车辆在减速或缓慢下坡行驶时，可以变换控制线路，将牵引电机作为发电机，并将其发出的电能消耗于大型制动电阻上，变成行驶阻力，使车速降低，最后再用车轮上的制动器使车辆再减慢或停止。制动电阻是两组大功率电阻格栅，在动力制动时，分别与两台牵引电动机电枢连结，将电能转变为热能耗散于大气中，电阻格栅由风扇冷却。这种无机械磨损的电缓行器也是电电动轮的一个特色，或减少主刹车系统的机械磨损。对于重型矿用电动轮卡车，另一个值得关注的方面是双能源车，即采用辅助架线供电和本身柴油发动机作为双能源运行。在重载上坡时，卡车采用辅助架线直接供电驱动，柴油发动机只作怠速运行，在平道行驶时则由柴油发动机驱动，在下坡时，车辆制动所产生的电力经辅助架线直接返回给电网。双能源矿用电动轮车型既解决了车辆重载上坡时柴油发动机动力不足、车速慢等问题，又节约了能源，降低了柴油机的废气排放，有利于环境保护，同时对柴油发动机的功率要求可以适当降低。如美国一公司的235吨级双能源矿用电动轮，其柴油发动机功率仅为746kW，而牵引电机的总功率则达到了3358kW，是柴油发动机功率的4.5倍。大型露天矿山的开采逐步向深凹