930E 矿用自卸卡车制动能量回收与利用系统

苏良碧

（中煤平朔集团有限公司，山西 朔州 036002）

矿用自卸卡车在运行的过程中，大概25%的能量消耗在制动过程中。电气驱动系统主要采用能耗制动的方式进行制动，即电动轮中的动能转换为电能再通过电阻栅进行消耗，如果对卡车所消耗的制动能量进行有效回收利用，实现节能降耗的同时还可以减少污染气体的排放。中煤平朔集团与武汉科技大学共同成功研制了1 套矿用自卸卡车制动能量回收与利用系统，在卡车制动时通过DC/DC 变换电路将制动能量传输到储能系统中储存起来，在卡车需要电能时再将这部分能量回馈到电气驱动系统中，通过以上方式可有效实现矿用自卸卡车制动能量的回收与利用[1]。

1 矿用卡车制动系统工作原理

1.1 930E 矿用自卸卡车电气系统

小松（KOMATSU）公司生产的930E 型矿用自卸卡车是中煤平朔集团的主要露天采矿机械，该型号矿用卡车采用了最新型的交流变频调速控制系统，具有安全性好、载重量大、运行速度快的特点。该型号矿用自卸卡车的电气驱动系统主要由发动机、发电机、整流器、逆变器、制动电阻栅等组成，930E 矿用卡车变频驱动系统如图1。

图1 930E 矿用卡车变频驱动系统

1）卡车工作于正常牵引模式时，燃油发动机带动同轴的发电机进行发电，整流电路将发电机所发出的交流电整流为直流电输送到公共直流母线上，通过中间电容进行稳压滤波后，输送到由功率元器件IGBT 所组成的逆变器电路，在INVERTEX 系统控制下，直流电再次转换为交流电输送到电动轮定子绕组中，并在定子绕组中形成旋转磁场。磁感应线切割转子绕组中的鼠笼导条并形成与定子绕组磁场方向相同的旋转磁场，定子中的磁场吸引（排斥）转子中的磁场，转子旋转并输出与定子磁场方向相同的扭矩，带动电动轮转动，卡车实现牵引过程。

2）卡车工作于动态制动模式时，卡车由于惯性的作用带动电动轮转子旋转，其转速高于电动轮定子磁场的旋转速度，此时转子鼠笼导条切割定子旋转磁场的磁感应线，在转子中产生旋转磁场，转子吸引（排斥）定子磁场，转子输出与定子方向相反的扭矩，转子起到制动的作用，此时电动轮可以看做是发电机，即将卡车在行驶过程中产生的动能转换为三相交流电，通过逆变器电路将能量逆向整流后消耗在公共直流母线中的制动电阻栅上。制动能量以热量的形式通过风机散热，从而达到减速的目的[2]。

1.2 变频驱动系统制动方式

1）能耗制动。该制动方式通过逆变技术将制动电能转换为直流电回馈到直流母线，通过直流回路中的制动电阻来吸收电机在制动过程中所产生的的动能，实现变频器快速制动的过程，制动电气回路主要由斩波器与制动电阻所组成。能耗制动的优点：组成结构简单、成本低廉、对电网无污染。由于矿用卡车多采用的是发动机－发电机－电动机结构的调速系统，因此非常适用于采用能耗制动的方式。能耗制动的缺点是：运行效率低，能耗大，矿车在频繁制动的过程中需要消耗大量的制动能量，同时需要更大容量的制动电阻。

2）回馈制动。回馈制动是将制动过程中所产生的能量通过有源逆变技术转换为与供电电源同频率同相位的交流电回馈电网，从而实现回馈制动的过程。回馈制动的优点是：可以使电机在四象限运行，制动能量直接回馈电网，能量回收速度快、效率高、利用率大。回馈制动的缺点是：对供电电源的要求比较高，只有在电网电压稳定的情况下（电压波动小于15%），才可以使用回馈制动，因此适用于外接大容量供电电源的采掘机械，例如电铲、采煤机等设备。在回馈制动的过程中，如果电网电压故障时间大于2 ms，就可能造成系统换向失败，产生故障，造成电气元器件损坏。同时其控制结构复杂，配件成本较高，系统故障率高，在回馈过程中会对供电电网造成污染。

3）直流制动。实现该制动方式需要变频器的输出接近为0，同时电动机的转速下降到一定数值时，变频系统向电动机定子绕组中通入直流电，在定子绕组中形成静止磁场，旋转的转子切割静止磁场产生制动转矩，使电动机迅速停止旋转。该制动方式适用于需要平稳无冲击、准确停车的场合，例如行吊、起重机、提升机等；或者适用于电机启动前由于外界等因素造成电机不规则旋转，需要保持电机静止的场合[3]，例如矿井中使用的中大型风机，在变频器停止输出的状态下，风管中由于压差所造成的的风很可能造成风叶自由旋转甚至反转，此时就需要使用到直流制动。

2 930E 矿用自卸卡车制动能量回收与利用系统

制动能量的回收与利用一直是变频驱动系统研究的重点与难点，利用储能技术很好地解决了这一难题，具体设计思路为：将卡车制动过程中所产生的能量储存在储能系统当中，当卡车需要动能时再将这一部分能量回馈到驱动系统当中，从而减少能量的损耗，实现了能源利用的最大化。常见的储能技术有电池储能、电容器储能、电感器储能等[4]，本项目采用由超级电容与蓄电池所组成的储能结构。

2.1 能量回收与利用系统结构原理

根据大型矿用自卸车电气制动系统的特点，本项目利用DC/DC 双向变换电路将制动能量回收储存到超级电容和蓄电池当中；当矿用卡车加速行驶过程中需要使用动能时，超级电容与蓄电池中的能量再通过DC/DC 双向变换电路回馈到直流母线当中[5]。DC/DC 双向变换电路具体组成结构为H 桥变换电路，该电路由4 个IGBT 所组成，输入端与卡车电气驱动系统的直流母线相连接，输出端与储能蓄电池相连接，能量回收回馈系统结构图如图2。

图2 能量回收回馈系统结构图

H 桥电路使能量实现了双向流动，能量回收与回馈的具体过程如下：

1）能量回收过程。当矿用卡车处于刹车或者下坡状态时，此时电动轮的实际转速大于设定转速，电机转子转速高定子于磁场转速，电动机处于正转制动状态，此时功率元器件S2与S3导通[6]。电路的左半部分组成BOOST 电路，该电路使直流母线电压升高并保持稳定，超级电容作为前级储能元件用于吸收波峰电压与浪涌电流。电路的右半部分组成BUCK电路，该电路使直流母线电压得到降低并将最终的制动能量储存到蓄电池当中，从而完成了能量的回收与储存过程。

2）能量回馈过程。当矿用卡车处于加速行驶状态时，此时电动轮的转速低于设定转速，电机转子转速低于磁场转速，功率元器件S1与S4导通。电路的右半部分组成BOOST 电路，该部分电路将蓄电池的电压升高并保持直流母线电压稳定，蓄电池中的能量流动到超级电容当中。电路的左半部分组成BUCK电路，该部分将直流母线的电压进行降压，并根据矿车的运行状态将超级电容中的能量回馈到变频驱动系统当中，完成能量的回馈过程[7]，制动能量的回馈过程与回收过程恰好相反。

2.2 硬 件

矿用自卸卡车制动能量回收与利用系统的核心控制器主要由DSP+FPGA 所组成，该硬件架构利用到了DSP 芯片复杂数据处理能力与FPGA 芯片的快速数据处理速度，具有结构灵活、通用性强、模块化设计、算法效率高的特点。DSP 控制器主要负责进行数据处理、逻辑运算、算法控制，主要负责控制与监测各个接触器（K1、K2、K3、K4）的运行状态，以及监测卡车电机电压电流等信号；FPGA 主要负责对H桥DCDC 变换电路的4 个IGBT 进行开关控制（输出高速PWM 脉冲控制IGBT 的关断），以及进行高速模拟量信号采样，控制系统结构如图3。

图3 控制系统结构图

本系统需要监测的输入量信号以及输出控制信号主要包括：

1）模拟量输入信号。电机电流、蓄电池电流、发电机电流、电机电压、直流母线电压、蓄电池电压、刹车踏板电压、油门踏板电压、超级电容电流、超级电容电压等信号。

2）数字量输入信号。电机侧接触器反馈信号K1、蓄电池侧接触器K2反馈信号、预充电接触器K3反馈信号、直流母线接触器K4反馈信号、系统运行信号、系统复位等信号。

3）数字量输出信号。接触器（K1、K2、K3、K4）控制信号、能量回收（蓄电池储能）信号、能量回馈信号、正常运行信号、故障信号、停机信号。

2.3 软 件

能量回收回馈控制系统首先通过AD 模数转换电路采集电机、直流母线、蓄电池的电压信号，通过所采集到的信号对电动轮的运行状态及蓄电池的充放电状态进行分析与判断，然后根据相应的算法控制H 桥电路的运行实现能量的回收与回馈[8]，控制程序设计图如图4。

图4 控制程序设计图

1）制动能量回收与利用效率最优化。由于矿车现场工作环境恶劣，道路崎岖不平，坡度较大，造成电动轮的各项电气参数变化很大，这需要根据矿用卡车的运行状态及道路状况制定合适的控制策略，在适当的时间实现能量的回收回馈过程，从而实现制动能量回收与利用效率最大化[9]。

2）蓄电池荷电状态工作区间最优化。蓄电池荷电状态的运行区间在很大程度上影响到蓄电池的使用寿命与使用效率，电池工作区间的最优化能有效的延迟蓄电池的使用寿命，增加储能系统的可靠性与经济性。

3）卡车牵引电机工作区间的最优化。每种型号的电机都有各自的特性曲线图，在电机转速一定的情况下，都会确定出一些效率最高的点，这些点称为电机的最佳效率工作点，所连成的曲线称为电机最佳效率曲线。在满足电机性能的情况下，使电机尽可能工作在特性曲线最优区间上，能使电机的工作效率最优化。

4 结语

根据矿用自卸卡车电气制动的特点与过程，对制动能量回收与回馈系统进行了研究。通过在中煤平朔集团露天采矿现场实际验证，系统的可靠性与稳定性均达到了实际使用需求，对矿用卡车在制动过程中所产生的的能量进行了有效回收与利用，在节能减排、资源利用与回收、减少环境污染方面具有积极意义。