220 t級礦用自卸車電驅動系統結構及試驗

譚 鑫,宮海龍,王 亮,劉維維,欒慶偉

(1. 哈電發電設備國家工程研究中心有限公司,哈爾濱 150028;2. 哈爾濱電氣集團先進電機技術有限公司,哈爾濱 150028;3. 哈爾濱電機廠有限責任公司,哈爾濱 150040)

0 引言

我國是富煤、少氣、缺油國家,煤炭產業在我國能源領域中占據重要位置。由于礦山運輸環境較為惡劣,運載需求高,需要運輸工具具有傳動效率高、載重量大的特點,而裝備了電驅動系統的大型礦用自卸車,能夠符合礦山運輸的特殊需求,成為主要的運輸工具。

目前國內絕大多數的大型礦用自卸車使用的都是交流發電機-整流逆變器-交流電動機形式的電驅動系統,該系統主要由主發電機、車載變頻器和電動輪總成組成。主發電機由柴油機拖動,發出的三相交流電通過車載變頻器整流逆變,驅動電動輪牽引電機旋轉,再經由行星減速器、扭力管等傳動裝置驅動車輛工作。

以前國內的礦用自卸車電驅動系統市場主要被GE、西門子等國外公司壟斷,采購和維修成本都很高。近年來,國內一些公司對礦用車電驅動系統進行了國產化替代研究。如文獻[1]對國外某型號的主發電機進行了分析并加以改進;文獻[2]對載重量為300 t的自卸車的交流傳動系統做了國產化研究;文獻[3]對電動輪牽引電機進行分析設計,并做國產化替代。

本文針對哈電集團自主研制的,用于載重量220 t的礦用自卸車的電驅動系統進行了介紹,介紹了電驅動系統的整體結構和主要部件參數,并開展單機試驗和系統聯合試驗。試驗結果表明,整套電驅動系統能夠平穩運行,為該系統在整車上的應用打下堅實基礎。

1 電驅動系統結構

礦用自卸車的電驅動系統主要由主發電機,車載變頻器和電動輪總成組成。主發電機由柴油機拖動,主發電機帶有諧波繞組,諧波繞組進入車載變頻器,經整流后回到主發電機,給發電機轉子勵磁,發電機發出的三相交流電進入變頻器,經整流后為變頻器提供1 400 V直流電,再通過逆變為兩臺電動輪牽引電機提供三相交流電。整個電驅動系統結構框圖見圖1。

圖1 礦用車電驅動系統結構框圖

1．1 主發電機

主發電機采用電勵磁同步電機,主要參數見表1。

表1 主發電機主要參數

主發電機的結構示意圖見圖2,主軸驅動端(圖2左端)通過法蘭盤與柴油機連接,非驅動端掛有風扇,給主發電機、車載變頻器和電動輪冷卻。發電機采用單軸承支撐,選用大游隙的深溝球軸承,并使用高速潤滑脂。定子鐵心采用穿心螺桿結構,鐵心軛部設有軸向通風孔,沖片選擇低損耗硅鋼片50W270。轉子磁極采用向心圓弧型式,磁極通過成對的鍵固定在轉子磁軛上。定子部分使用200級絕緣,轉子部分使用H級絕緣。

圖2 主發電機結構示意圖

1．2 車載變頻器

車載變頻器集成了勵磁控制模塊、整流模塊、逆變功率模塊、逆變控制模塊、系統控制模塊等,變頻器采用SVPWM調制方式,輸出兩路方波電壓,分別控制兩臺電動輪。車載變頻器的主電路原理圖見圖3,主要參數見表2。

表2 車載變頻器主要參數

圖3 車載變頻器主電路原理圖

1．3 電動輪總成

電動輪總成包括電動輪牽引電機、行星減速器、機架、輪轂等部分。其中,電動輪牽引電機采用異步電機,可運行在牽引工況和制動工況,其主要參數見表3。

表3 電動輪牽引電機主要參數

電動輪總成的結構示意圖見圖4。電動輪總成傳動機構包括兩級減速,兩級減速的總減速比為31.875。第一級減速為牽引電機的轉軸通過花鍵與太陽輪連接,太陽輪帶動周圍三個大行星齒輪轉動;第二級減速為與大行星齒輪同軸的三個小行星齒輪與內齒圈配合,帶動內齒圈轉動,進而帶動輪轂旋轉。

圖4 電動輪總成結構示意圖

牽引電機采用軸向通風冷卻,定轉子沖片軛部都設置通風孔,兩端的軸承端蓋也帶有通風口,轉子的非驅動端設置導風板。轉子使用銅導條,端環外熱套非導磁高強度不銹鋼護環,以降低端環應力。電機兩端分別使用圓柱滾子軸承和深溝球軸承,承受徑向和軸向載荷。

2 單機試驗

主發電機和電動輪牽引電機試制完成后,分別進行了單機試驗。

2．1 主發電機單機試驗

使用一臺性能滿足要求的異步電機作為主發電機的拖動電機,進行主發電機的單機試驗。在單機試驗時,暫不通過諧波繞組整流給發電機轉子勵磁,而是直接使用廠內的直流電源給發電機轉子勵磁。試驗內容包括發電機空載特性試驗、穩態短路特性試驗、穩態溫升試驗、超速試驗等。

主發電機的空載特性曲線和穩態三相短路特性曲線見圖5。其中,縱坐標,即空載電壓和穩態短路電流使用標幺值,橫坐標,即勵磁電流使用實際值。由于空載特性試驗中剩磁電壓不高,所以未對空載特性曲線進行修正。

圖5 主發電機空載特性和穩態短路特性曲線

SCR=0．839

定子繞組溫升試驗采用GB/T 1029《三相同步電機試驗方法》中的間接法,分別測量穩態短路溫升ΔθK,空轉溫升Δθ0,1．05倍額定電壓空載溫升ΔθU1。按照公式:

式中:k為常數235;ΔθC為室溫。

計算得到定子繞組端部(出風側)溫升為95.6 K。穩態短路時,使用熱成像儀通過機殼兩側的出風孔觀測到的定子繞組端部溫度分布。

轉子繞組溫升采用電阻法,分別測量試驗前和穩態短路試驗后轉子電阻,計算得到轉子繞組溫升為100 K。

在試驗條件下,主發電機的振動、噪聲均滿足要求,1.1倍額定轉速下可以安全平穩運行。

2．2 電動輪牽引電機試驗

電動輪牽引電機的單機試驗內容包括空載試驗、額定點試驗、堵轉試驗、過載試驗等。

測量電動輪牽引電機在額定頻率,不同電壓下的空載電流、空載損耗,見表4。按照GB/T 1032《三相異步電動機試驗方法》,計算得到電機機械損耗2.17 kW,鐵耗14 kW。

表4 電動輪牽引電機空載試驗數據

電動輪牽引電機在牽引工況(作電動機)額定點(電壓1 140 V,定子頻率60 Hz,輸出功率750 kW)運行時,電機定子電流475.4 A,轉矩6 028.7 N·m,定子繞組溫升59.3 K。

電動輪牽引電機在制動工況(作發電機)額定點(電壓1 140 V,定子頻率60 Hz,輸出功率1 435 kW)運行時,電機定子電流862.5 A,轉矩12 080.8 N·m,定子繞組溫升55.7 K。

電動輪牽引電機在過載工況下進行了兩組試驗:一是電機運行在840 kW,1 140 V,60 Hz工況,二是電機運行在840 kW,750 V,40 Hz工況。兩種工況下電機的效率均能達到94.5%以上,溫升不超過絕緣等級限值,證明了電機能夠滿足車輛中低速、過載運行的要求。

試驗結果表明,電動輪牽引電機在牽引工況和制動工況下轉矩均能達到設計要求,效率均大于95%。

3 電驅動系統聯合試驗

在單機試驗的基礎上,在廠內進行了主發電機-車載變頻器-電動輪總成的電驅動系統聯合試驗。聯合試驗的重點在于測試車載變頻器與主發電機、電動輪之間通信是否正常,勵磁模塊、控制模塊等能否正常工作。

聯合試驗中,拖動電機帶動主發電機達到一定轉速后,變頻器先使用外接的24 V直流電源,給主發電機轉子起勵,然后再切入到對主發電機諧波繞組整流給轉子勵磁的階段。通過車載變頻器調整電動輪轉速,使電動輪在100～2 400 r/min(正/反轉)轉速內空載運行,見圖6。

圖6 電動輪空轉工況下主發電機線電壓、諧波繞組電壓、電動輪線電壓波形

當主發電機電壓達到1 100 V,電動輪牽引電機轉速達到2 400 r/min時,主發電機的勵磁電流為133.48 A,見圖7。

圖7 電動輪空轉工況下電動輪電流、主發電機諧波繞組電流波形

在廠內試驗條件下,電動輪驅動系統能夠順利平穩運行,試驗結果符合預期。

4 結論

經對哈電自主研制的220 t級礦用自卸車電驅動系統進行廠內試驗,各項試驗結果與設計值相符。通過單機試驗,得到了主發電機和電動輪牽引電機的主要性能指標;通過系統聯合試驗,證明系統能夠穩定運行。目前哈電制造的電動輪牽引電機已在礦山穩定運行了10 000小時,效果良好,證明了哈電產品運行的可靠性。