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第6 0 卷第1 期 2 008 年2 月 有色金属 N o r l f e r r o t l sM e t a l s V 0 1 ．6 0 ，N o ．1 F e b r u a r y2 008 交流驱动电动轮的特点及发展状况 李刚，张文明 北京科技大学土木与环境工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘 要介绍交流电动轮的发展历程、使用情况、控制技术、散热问题以及G P S 系统在矿车调动中的使用。 关键词采矿工程；电动轮；交流驱动非公路自卸车 中图分类号T D 5 2 5文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 8 0 1 0 1 0 5 0 4 1 9 5 9 年，美国尤尼特一里格公司首次将一辆载 重为6 8 t 的矿用汽车改装成电传动汽车。1 9 6 3 年 开始，该公司批量生产M 8 5 型7 7 t 电动轮汽车。电 动轮自卸车的开发应归功于美国G E 公司在1 9 6 8 年推出了电动轮这一结构，也就是将电动机，传动系 统和制动器融为一体。由于电动轮为一整体，既可 在车上维修也可整体拆换，使用维修均很方便，从而 大大推动了大型电动轮自卸车的发展。1 9 9 0 年，全 世界矿用运输汽车的年产量首次突破6 0 0 辆大关。 1 9 9 6 年达到顶峰，接近8 0 0 辆。从那以后，由于受 全球铜矿和金矿命运的影响，需求量有所下降。 1 9 9 8 年订货量减少到了6 0 0 辆左右。1 9 9 0 年，1 5 4 ～1 9 0 t 级的运输汽车占订货量的绝大部分，而2 2 0 t 级却不足当年运输汽车订货量的1 5 ％，到了1 9 9 7 年，2 2 0 t 包括2 9 0 t 级9 3 0 E 型 运输汽车占当年订 货量的4 0 ％以上。1 9 9 8 年，这个数字接近了5 0 ％。 在良好的维修保养，定期大修和经常更换主要零部 件的情况下，这些运输汽车的正常工作寿命大约为 6 万多h 。到目前为止，全球电动轮自卸车的总量已 超过2 万台。 1电动轮自卸车的生产发展现状 国外自卸车的生产厂商主要有卡特彼勒公司、 小松采矿系统 K M S K o m a t s uM i n i n gS y s t e m s 公 司、尤克利德。日立 E u c l i d ．H i t a c h i 公司、利勃海尔 L i e b h e r r 和特雷克斯 T e r e x 所属的尤尼特，里格 公司以及白俄罗斯的别拉斯工厂等。 国外运输汽车的年销售额约为4 0 亿美元，这个 收稿日期2 0 0 7 一0 9 2 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 2 0 0 6 B A B l l B 0 3 作者简介李刚 1 9 7 8 一 ，男，北京市人，博士生，主要从事混和 动力车辆等方面的研究 市场仅被5 家生产制造商瓜分。卡特彼勒公司进入 运输汽车市场较晚，但由于其采取了积极的开发新 产品的竞争策略，却占据了运输汽车市场的主要份 额。小松采矿系统公司排行第二。这两大运输汽车 制造巨商近几年的销售量约占矿用汽车市场销售总 量的3 ／4 。其他运输汽车生产厂家，包括尤克利德一 日立公司，尤尼特一里格公司等，竞争余下的市场份 额。。 而据最新消息，一直以高质量机械传动著称的 卡特彼勒公司也已经决定在2 0 0 8 年推出配备C 1 7 5 发动机的2 0 0 t 交流驱动电动轮，届时还将推出3 款 升级为电驱动的现有车型6 0 t 的7 7 3 E 、7 0 t 的7 7 5 E 和l O O t 的7 7 7 D 。由此可见，全球各大矿用自卸车 厂商都已把重心转移到交流驱动电动轮上来。 2交流驱动电动轮自卸车发展的原因 在经济效益的推动下为满足矿山提高生产效率 的需要，近年来大型交流驱动电动矿用汽车发展迅 速。出于矿山的使用环境、生产效率和安全的要求， 当前的矿用非公路自卸车日趋大型化。 在经济建设的带动下，原料的需求也不断增加。 因此对矿石的运输量也因此不断增加。大型矿用非 公路自卸车的设计原则之一就是把平均每吨运输成 本降到最低。传统的机械传动和直流驱动系统需要 复杂的机械传统系统和相对较高的维护费用，而交 流驱动电动轮则及无需机械传动扭矩也不需要更换 电刷和换向器。仅这一点，就大大降低了运营成本。 3交流驱动电动轮自卸车技术条件的 成熟 交流变频调速系统。随着车辆大型化的要求。 电动轮面临热负荷的困扰。因为电动轮装在车轮的 万方数据 1 0 6有色金属 第6 0 卷 中心，留给电机的空间有限，使绝缘材料和铁磁材料 的性能远远赶不上电动轮自卸车吨位增长的步伐。 最理想的解决办法是发展交流变频调速系统，用交 流电动机取代直流电动机。交流电动机具有体积 小、质量轻、结构简单和维修工作量小等优点，是直 流牵引电动机无法做到的。1 9 9 6 年美国小松．德雷 赛公司采用G E 公司的A C 电传动系统，1 9 9 7 年美 国尤克利德．旨立公司，利勃海尔公司和尤尼特．里 格公司采用德国西门子公司的A C 电传动系统相继 推出了大型交流电传动自卸车，并转入商业生产，使 电动轮自卸车登上了一个新台阶。电动机调速控制 装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其 作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱 动转矩和旋转方向的控制。 早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串 接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其 调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电 动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车 上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改 变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动 机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它 也逐渐被其他电力晶体管 如G T O ，M O S F E T ，B T R 及I G B T 等 斩波调速装置所取代。从技术的发展 来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速 控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然趋势。 大型非公路自卸车的驱动技术近年来得到了迅 猛的发展，从而使得矿车的装载能力得到了大幅度 的提升。交流驱动技术应该用到3 0 0 t 以上级的矿 用车辆上，因为I G B T 较之G T O 体积上更为小型 化，更为紧凑，所以可以有效的提高逆变器的可靠 性，并降低成本。在未来的发展中，I G B T 将不断提 高其工作电压和电流，从而取代G T O 在矿用汽车 中的使用。 4交流驱动电动轮自卸车的优势 目前直流驱动电动轮技术已经十分成熟。由于 相对高额的养护费用及驱动方式的局限，直流驱动 电动轮已经没有太多的效益潜能可供挖掘。与直流 相比交流驱动的效率要平均高6 ％～7 ％，并在控制 功能上做了许多改善通过自动混合刹车系统，用一 个踏板可以控制缓行和停车；全时段防侧滑系统，可 以自始至终保持牵引力输出在峰值状态，并保障驾 驶员的安全；减速系统可以自动保持车辆处于矿山 限速范围之内；在停车的时候，防反转控制可以用一 个踏板来完成；自动的巡航系统，可控制牵引和减速 两种模式；不同工况下扭矩的变化，可以加大转速并 减少轮胎磨损。 直流驱动电动轮的最大载量为2 4 0 t ，3 6 0 t 以上 ． 一律为交流驱动。随着大型交流驱动在铁路机车上 的应用和大功率器件G T O 、I G B T ，以及传感器，微 处理器、嵌入式控制系统和控制策略的发展使得交 流驱动电动轮日益成熟。 大功率高集成度的G T O 或I G B T 逆变器可以 满足车辆运行的可靠性和工作的持续性。矢量控制 是的扭矩在牵引和制动的时候都可以平滑全速输 出。大启动转矩和高行驶速度使其在相同时间内可 以运输更多的矿石。平滑高效的电器制动可以增加 车辆的安全性和减少机械制动机构的磨损。电器缓 行系统自动调节使用电器制动和机械制动，可以在 下坡时把车速控制在2 k m ／h 以下。更高的运行速 度、更大的装载量、不断增加的可靠行和低维护成本 这些都使生产效率得到了提高。先进的电子控制系 统还可以降低系统的故障率并具有远程诊断能力。 5交流驱动电动轮自卸车性能要求 对于大型非公路自卸车来讲，增加生产效率是 最重要的目标之一。无一例外，所有的矿山企业最 大的任务之一就是将矿石从采矿场运输到存储或加 工地点。因为生产效率的要求，矿车要在重负载的 情况下，快速的往返于工厂和开采场，并且经常需要 上坡下坡。现代的大型交流驱动电动轮可装载 3 6 0 t 的货物，以6 4 k m ／h 的速度短距离内爬上2 5 。的 斜坡 正常行驶爬坡范围是9 。到1 2 。 。 如果要达到上述的性能，没有强大的动力和最 大化的效率做后盾是不可能的。为了最大限度的把 动力留给负载，就要求空车质量尽可能低。因此，实 际上只有很少的空间留给电器设备。此外，恶劣的 工作环境也给电器的封装提出了很高的要求。 除了尺寸和容量必须满足外，还有其他的操作 和环境要求需要满足高可靠性，平均故障时间大约 2 4 个月；连续工作能力， 9 5 ％电器元件运转正常； 最少的维护需要，没有电刷、没有过滤器或者常规的 润滑油更换；高振动限制，低于2 9 ；工作温度，一 4 0 ℃到5 5 ℃ 6交流驱动电动轮自卸车的控制单元 6 ．1 发动机 柴油机的功率在1 8 6 8 ～2 4 8 5 k W ，具体功率的 万方数据 第1 期李刚等交流驱动电动轮的特点及发展状况 1 0 7 输出取决于矿车的工作模式和装载物。经交流发电 机产生的交流电由整流器转化为2 4 0 0 V 的直流电。 经过滤波后，直流电被送到逆变器，每个逆变器为一 台电动机和一对串联的后轮提供动力，如图1 所示。 因为整流器是不可逆变的，所以控制系统要保证在 车辆制动过程中产生的经断路器到制动电阻的制动 电能，不得超过额定值。 6 ．2 冷却系统 由于使用大功率器件，所以冷却系统是十分重 要的。这些矿车使用一台单独的冷却风扇，风扇的 能量是由一台独立工作的7 0 k V A 的逆变器和一台 交流感应电机所提供。整套系统各部件的功率等级 十分接近，因此可以保证风扇全速运转并且不受发 动机转速和发动机励磁水平的影响。T C U 牵引控 制单元根据实际冷却的需要、驱动能量的大小、元器 件温度和周围环境的温度来控制风扇的转速。 6 ．3 逆变系统 为满足大功率逆变器的要求，交流驱动电动轮 使用G T O 技术作为逆变装置。容量为4 5 0 0 V ， 3 0 0 0 A 的逆变器和断路器被封装起来并浸泡在氟 F C 7 2 中。热量由元器件内部，经冷却液传导至蒸发 箱内壁。在通过风扇直接吹出的未经过滤的空气， 对其进行高效的散热。 蒸发箱十分的紧凑而已因为其是完全密封的， 所以特别适合矿山这种空气很脏的工作环境。由于 交流驱动电动轮的功率密度大，所以散热强度大约 为1 M W ／m 3 。目前全球大约有2 3 0 0 个这样的装置 在被使用。使用这种技术的交流驱动机车，平均故 障时间可以达到9 0 0 d 以上。 图1 交流传动系统示意 F i g ．1 S c h e m eo fa cd r i v es y s t e m 6 ．4 驱动与控制系统 因为对矿车性能要求的不断提高，所以要采用 更先进的控制算法。除了发电机集成控制控制以 外，矿车需要一个更复杂精密的控制单元去控制矿 车的速度、风冷系统、车辆的动态特性和驱动检测等 功能。例如，驱动控制单元除了通过矢量算法控制 逆变器和交流电动机以外，还要根据车辆的运行情 况 如速度，负载和发动机的输出情况 采取3 种不 同的控制手段优化发动机的性能。逆变器和电动机 独立控制运行，允许后轮转速不同。这样就可以实 现牵引控制系统中包括A B S 在内的防止车轮在加 速过程中出现侧滑的功能。应用这些汽车工业中的 控制技术将增强矿车产的动态性能、可靠性和工作 效率。在正常工作情况下，驾驶员仅仅靠控制节流 阀踏板或者减速踏板就可以控制车速。制动踏板只 在电器制动失效的紧急情况下才使用。加速或者减 速信号直接被送到T C U 牵引控制单元并且作为扭 矩控制的参考值，如图2 所示。 图2 主控制系统的示意 F i g ．2L a y o u to fm a i nc o n t r o ls y s t e m T C U 牵引控制单元将决定发动机的运行功 率，参考每个交流电动机产生的扭矩，在需要的情况 下将激活制动断路器。主控制系统的设计如图3 所 示。“最大速度调节器”将根据制造商设计和矿山要 求限制矿车所能达到的最大速度。“T 1 ”和“T 2 ”是 两个电动机驱动的扭矩参考信号。这两个驱动控制 器采用一个基于磁场方向或矢量算法的控制系统， 在这个控制系统中扭矩和磁通是分开的。 在这里，磁通是通过定子的实际电流电压和转 子的位置来计算的。定子电流通过旋转磁场被转化 到转子方，分成两个电流，i f 2 相对应为扭矩。i f l 相 对应与磁通。这两个电流都由比例积分模块P I 来 控制。每个控制环的参考信号来自节流阀 转矩方 面 和设定值 磁通方面 。 然而，参考值可能变化很大，因为在车速过高的 情况下会产生磁场的弱化。这时，磁通预制模块将 根据磁力曲线矫正那些错误的曲线。使用电子前馈 补偿器来增强跟踪参考信号。P W M 脉宽调制模块 用于优化整流方式，从而提高定子电流的波形，使得 扭矩控制更加出色。 7交流驱动电动轮自卸车发展趋势 今后的发展方向是，可以根据需要实时调配矿 车，使得每台车辆都一直处于有效工作状态，从而进 一步提高生产效率。 万方数据 1 0 8有色金属 第6 0 卷 、 实际值 ． 图3 扭矩控制系统 F i g ．3T o r q u ec o n t r o ld r i v e 由于采矿场中存在着大量的灰尘，所以半导体 划完成效率。使用例如远程诊断和通过I N T E R ． 密封技术是提高驱动可靠性的关键技术之一。零维N E T 解决故障这些先进的技术，将降低维护费用。 护高性能的电子断路器也将取代机械的电流断路在未来的发展中，将进一步通过例如远程监控 器。矢量控制算法将更好的控制电机转速，使其具和诊断、排除故障等技术来提高矿用车辆工作的可 有大启动转矩和平滑的制动速度，并同时降低对保靠性。并且通过基于G P S 的车辆调度和道路选择 养的需要。系统，来提高生产效率。可以预见，G P S 系统将成 基于G P S 的矿用汽车调度系统，将提高运输计为未来露天矿场的常规工具。 参考文献 [ 1 ] V 8 1 1W y kJD ，L e eFC ，B o r o y e v i c hD ．P o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y P r e s e n tt r e n d sa n df u t u r ed e v e l o p m e n t s [ J ] ．P r o eI E E E ， 2 0 0 1 。8 9 6 7 9 9 8 0 2 ． [ 2 ] J a h n sTM ，B l a s k oV ．R e c e n ta d v a n c e si np o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yf o ri n d u s t r i a la n dt r a c t i o nm a c h i n ed r i v e s [ J ] ．P r o c I E E E ，2 0 0 1 ，8 9 6 9 6 3 9 7 5 ． [ 3 ] L e e nG ，H e f f e r r m nD ．E x p a n d i n ga u t o m o t i v ee l e c t r o n i cs y s t e m s [ J 】．I E E EC o m p u t e r ，2 0 0 2 ，3 5 6 8 8 9 3 ． [ 4 ] H a n x l e d e nR ，B o t o r a b iA ，K u p c z y kS ．Ac o - d e s i g na p p r o a c hf o r s a f e t y - e r i t i c a la u t o m o t i v ea p p l i c a t i o n s [ J ] ．I E E EM i c r o ，1 9 9 8 ， 1 8 3 6 6 7 9 ． [ 5 ] L e eFC ，v a l lW y kJD ，B o m y e v i c hD ，e ta 1 ．A ni n t e g r a t e da p p r o a c ht Op o w e re l e c t r o n i c ss y s t e m s [ C ] ／／P r o cP o w e rC o n v e r s i o n C o r d ．P C C O s a k a ，2 0 0 2 7 1 2 ． [ 6 ] L i a n gZ ，L e eFC ．E m b e d d e dp o w e rt e c h n o l o g yf o rI P E M ’sp a c k a g i n ga p p l i c a t i o n s [ C ] ／／P r o cI E E EA P E C ，2 0 0 1 1 0 5 7 1 0 6 1 ． F e a t u r e sa n dD e v e l o p m e n to fA CD r i v e rO f f - h i g hW a yH a u lT r u c k L IG a n g ，Z H A N GW e n m i n g S c h o o lo fC i v i la n dE n v i r o n m e n t a dE n g z n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c e a n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s ，c u r r e n tu s e ，c o n t r o lt e c h n o l o g y ，c o o l i n gp r o b l e mo fa cd r i v e ，a n dt h eG P Ss y s t e ma p p l i c a t i o ni nh a u lt r u c kd i s p a t c ha r ed e s c r i b e d ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；d r i v ew h e e l ；A Cd r i v e ；h a u lt r u c k 万方数据