矿用自卸车电传动系统组合试验技术研究

株洲中车时代电气股份有限公司 湖南株洲 412001

1 937 年美国开启了用自卸车运输矿石和岩石的时代，这时自卸车仍是传统的机械传动方式。随着矿山规模的不断扩大，对矿用自卸车的吨位、性能和数量等都提出了更高的要求，传统的机械传动自卸车已不能满足实际需要[1]。而电动轮自卸车与传统机械传动自卸车相比，具有结构简单可靠、制动灵活、维修费用低、使用寿命长、牵引性能好和运行平稳等一系列优点，目前绝大多数矿用自卸车都是电动轮自卸车。而电传动根据发电机和电动机的不同，又经历了“直流发电机—直流电驱动系统”、“交流发电机—直流电动机驱动系统”、“交流发电机—交流电动机驱动系统”等过程。而交流电动机与直流电动机相比，具有体积小、噪声低和成本低的优点，目前交流电传动系统已成为主流，也是矿用电动轮车发展的主要方向。

矿用自卸车电传动系统组合试验主要用于验证变流器、电动机及其控制系统在组合系统的匹配性[2]，以便及早发现设计问题，降低技术风险，缩短装车后的调试时间。但目前矿用自卸车仅有整车的试验标准，而针对电传动系统却没有相应的组合试验标准作为规范性文件，导致在开展矿用自卸车电传动系统的试验时，试验项目、试验方法均由主机厂或者生产厂商提出，这样不可避免地会出现试验项目不全面、试验方法不合适等情况，从而对电传动系统验证不充分，导致出现装车后调试周期长、技术风险大等问题。为此，经过长期研究，笔者研制了一套矿用自卸车电传动系统组合试验系统，并基于此进行试验研究，归纳出矿用自卸车电传动系统应进行的组合试验项目，结合该试验系统进行试验验证，为矿用自卸车电传动系统的设计、制造、检验、相关试验标准的建立提供参考。

1 矿用自卸车电传动系统工作原理

典型的矿用自卸车电传动系统工作原理如图 1 所示。电传动矿用自卸车常采用自身配置的发动机带动发电机发电，发电机发出的三相交流电输送至变流器后，经过整流、逆变等环节，转换为频率可调的三相交流电供给交流电动机，驱动电动机运行。控制装置根据指令控制变流器的输出，实现不同的转速或转矩控制。此外，控制系统还可根据设备各系统工作状态，实现显示、报警及各种保护功能。

图1 矿用自卸车电传动系统工作原理Fig.1 Working principle of electric drive system of mining dump truck

2 组合试验系统方案

为了全面验证矿用自卸车电传动系统设计参数，根据图 1 所示的矿用自卸车电传动系统工作原理，设计了矿用自卸车电传动系统组合试验系统，其结构如图 2 所示。

2.1 工作原理

该组合试验系统采用了典型的“背靠背”能量回馈原理，其主要由陪试系统(含变压器、变流器及其控制装置、电机等)、交流供电系统、测控系统、传动系统、被试设备(含变流器及其控制装置、牵引电机等)等组成。根据实际情况，被试牵引电机可以是 1 台，也可以是多台。为了便于理解，下面仅描述单台被试牵引电机的情况，多台牵引电机情况与之相似。

试验时将两台电机通过机械联轴器连接，牵引电机将电能转换为机械能，负载电机将机械能转换为电能，并经陪试变流器及其控制装置反馈回电网。反馈系统可将能量反馈回电网，而电网仅需要提供整个系统所需的能量即可，极大地避免了能量浪费。陪试电机一般采用转速闭环控制，被试牵引电机采用转矩控制，根据试验需求的不同，被试牵引电机可实现牵引、制动等不同工况的模拟。

当被试牵引电机在牵引工况下工作时，通过调节陪试电机的转速，进行被试矿用自卸车电传动系统在不同车速下牵引能力、牵引效率、转矩控制精度等性能的验证；此时，被试牵引电机转速小于同步转速，工作在电动状态，而陪试电机转速大于同步转速，工作在发电状态。牵引工况下系统的能量流动如图 3 所示。当被试牵引电机在制动工况下工作时，通过调节陪试电机的转速，进行被试矿用自卸车电传动系统在不同车速下制动能力的验证；此时，被试牵引电机转速大于同步转速，工作在发电状态，而陪试电机转速小于同步转速，工作在电动状态。制动工况下系统能量流动如图 4 所示。

图2 矿用自卸车电传动系统组合试验系统结构示意Fig.2 Structural sketch of combined test system for electric drive system of mining dump truck

图3 牵引工况下系统能量流动示意Fig.3 System energy flow sketch in driving mode

图4 制动工况下系统能量流动示意Fig.4 System energy flow sketch in braking mode

采用“背靠背”能量回馈原理，不但能够降低试验中的能量损耗，而且可以达到以小功率等级的电源实现大功率产品的试验需求，并且根据控制模式的转变，可以非常方便地实现矿用自卸车电传动系统在不同转速下牵引、制动工况的模拟。

2.2 被试电传动系统

被试电传动系统一般由发电机(根据需求，也可采用变压器供电)、变流器及其控制装置、牵引电机等组成。被试变流器及其控制装置可以采用外接交流电源供电，也可由发电机供电。根据实际情况，当被试牵引电机不止 1 台时，并列布置在图 2 中虚线方框内，多台被试牵引电机均由同一台被试变流器及其控制装置控制；但是当需要验证发电机、变流器及其控制装置温升时，应配备多台牵引电机，从而使发电机、变流器及其控制装置在额定功率下工作。被试电传动系统部件应根据制造商与用户协议，在相应测量点安装温度传感器，且布置在预期最高温度点，并对安装传感器的最佳位置负责。

2.3 陪试负载系统

陪试变流器及其控制装置、陪试电机与被试变流器及其控制装置、被试牵引电机可以相同也可以不同，相同时被试件与陪试件可以互换[3]。这种方式可根据不同类型的矿用自卸车电传动系统临时搭建，试验时需要提供两套完全一样的电传动系统，试验时一套工作在牵引工况下，而另一套工作在制动工况下，使用时应评估电传动系统牵引能力与制动能力的匹配性。基于成本和可靠性因素，一般不采用这种模式。

采用不同设备时，陪试电机可由同一台陪试变流器及其控制装置进行控制，也可由不同的陪试变流器及其控制装置进行控制。当由不同的陪试变流器及其控制装置进行控制时，这些陪试变流器及其控制装置应相互通信，以保证陪试电机控制情况的一致性。采用这种方式时，一般根据产品类型进行通用性设计，使其能够普遍适用于多种类型矿用自卸车电传动系统。该系统陪试负载系统的转速控制范围应大于被试电传动系统的转速范围，且其在不同转速下的牵引/制动转矩输出能力应大于被试电传动系统在相应转速下的最大制动/牵引转矩输出能力。

2.4 测试系统

测试系统结构如图 5 所示。它可以实现电传动系统的电压、电流等电参数以及基于电压、电流的功率、谐波等参数的测量，测量精度高于 0.5%；亦可进行转矩、转速的测量，测量精度高于 0.5%；同时可测量被试件不同位置的温度，温度测量主要采用直接测量和间接测量两种方式。

参数的采集根据不同的数据类型，主要采用功率分析仪、示波器等测量仪器，PXI 自动化测量平台以及通过 CAN 卡等方式实现。其中被试变流器及陪试变流器通过 CAN 进行上下位机通信，而电压、电流等参数采用功率分析仪等测量仪器或者 PXI 自动化测量平台进行测量。

图5 矿用自卸车电传动系统组合试验系统测试系统结构示意Fig.5 Structural sketch of testing system for combined test system for electric drive system of mining dump truck

2.5 试验中的冷却

试验应在规定的冷却条件下进行，为模拟不同的冷却条件，冷却设备的冷却能力应可调，且当冷却介质温度与规定的环境温度不同进行试验时，温度测量结果应进行线性修订。当采用强迫风冷时，为了保证测试的准确性，进风筒的直线长度应不小于其直径的7～10 倍。

3 组合试验项目

为了全面验证矿用自卸车电传动系统的设计参数及性能，经过大量的试验研究(包括型式试验、研究性试验)，不断积累试验验证经验，并通过对矿用自卸车使用环境的分析，结合 JB/T 7641.1—1994《电传动矿用自卸车整车技术条件》、JB/T 7641.2—1994《电传动矿用自卸车整车试验方法》，参考轨道交通内燃机车组合试验标准 GB/T 25117.3—2010《轨道交通 机车车辆 组合试验 第 3 部分：间接变流器供电的交流电动机及其控制系统的组合试验》，及电动汽车相关标准 GB/T 18488.1—2015《电动汽车用驱动电机系统技术条件》、GB/T 18488.2—2015《电动汽车用驱动电机系统试验方法》等，总结了矿用自卸车电传动系统组合试验项目，如表 1 所列。按照图 6 中的试验流程进行逐项验证，将很好地保证矿用自卸车电传动系统相关性能。

试验项目可参照 GB/T 25117.3—2010、GB/T 18488.2—2015 等标准中的试验方法实施，相关测试结果应满足 JB/T 7641.1—1994 及该车型技术文件要求。考虑到对整车爬坡性能的要求，在进行电动机转矩特性试验时，应重点验证电动机在低转速下的转矩特性。同时 JB/T 7641.1—1994 对电传动系统的耐压等试验有所要求，但由于耐压等试验在相关部件的型式试验中进行，笔者主要研究电传动系统的组合试验，因此在本文中不进行叙述。

表1 矿用自卸车电传动系统组合试验项目Tab.1 Items of combined test for electric drive system of mining dump truck

4 组合试验验证

图6 试验流程Fig.6 Process flow of test

结合图 2 所示的试验系统，采用图 5 所示的测试系统，笔者选取典型的某型矿用自卸车电传动系统进行组合试验研究，该传动系统的变流器和牵引电机的主要参数分别如表 2、3 所列。图 7～10 给出典型项目的测试曲线。

需要说明的是，在利用该系统进行矿用自卸车电传动系统组合试验时，各部件(变流器及其控制装置、牵引电机等)部分型式试验验证结果可同步获得。

表2 某型矿用自卸车电传动系统变流器主要参数Tab.2 Main parameters of current inverter in electric drive system of a mining dump truck

表3 某型矿用自卸车电传动系统牵引电机主要参数Tab.3 Main parameters of traction motor in electric drive system of a mining dump truck

图7 矿用自卸车电传动系统典型牵引特性曲线Fig.7 Typical drive characteristic curve of electric drive system of mining dump truck

图8 矿用自卸车电传动系统典型制动特性曲线Fig.8 Typical braking characteristic curve of electric drive system of mining dump truck

图9 不同供电电压下输出转矩随转速变化曲线Fig.9 Variation curve of output torque with velocity at various voltage supply

图10 输出转矩、功率变化曲线Fig.10 Variation curve of output torque and power

5 结语

笔者通过对矿用自卸车电传动系统基本原理进行分析，介绍了一种矿用自卸车电传动系统组合试验系统，并对相关标准进行研究分析，结合大量的试验研究提出了矿用自卸车电传动系统组合试验项目。该研究成果已成功应用于多种矿用自卸车电传动试验系统，有效验证了产品的设计参数，保证了产品的质量。随着矿用自卸车电传动系统应用数据的积累和研究的深入，对相应的试验方法、试验项目的研究也会更加深入。该研究成果在为矿用自卸车电传动系统组合试验系统的搭建提供指导的同时，也可为矿用自卸车电传动系统组合试验标准的制定提供参考。