王家堡，黃守道，郭 超，劉建成

(1.湖南大學(xué)，湖南長沙410082;2.湖南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410151)

0 引 言

目前礦用自卸車主要用于露天礦山、大型水利、電力工程等，運送礦石、泥土石料，屬于非公路用車，汽車運輸是露天礦的主要運輸手段之一，隨著礦用汽車日益大型化、現(xiàn)代化，且具有適應(yīng)礦山特殊作業(yè)環(huán)境要求的獨特結(jié)構(gòu)特點，使之成為汽車家族中頗具特色的重要分支，由于礦用汽車具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、機動靈活、且道路要求不高等特點，使之特別適應(yīng)露天礦作業(yè)面狹窄、坡度大、作業(yè)場地變換頻繁的作業(yè)特點［1－2］。因此，不管是冶金礦山，還是煤炭礦山等非金屬礦山以及大型水電工地，礦用汽車都得到廣泛的應(yīng)用。重型礦用自卸汽車有很多總成可以任選，往往是根據(jù)礦山具體情況選用部件組成適用的車輛，154 t電動輪自卸車是湘潭電機股份有限公司生產(chǎn)的大型露天礦高效運輸設(shè)備。本文對礦用自卸汽車傳動系進(jìn)行具體分析，研究礦用自卸汽車傳動系統(tǒng)仿真模型，為礦用自卸汽車的選型提供可靠的依據(jù)，并為礦用汽車生產(chǎn)選型提供科學(xué)實用的方法。

本文結(jié)合MATLAB/Simulink軟件、有限元仿真軟件Maxwell 2D及聯(lián)合仿真軟件Simplorer各自的優(yōu)點，建立了仿真模型，對三次諧波勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并給出了仿真結(jié)果。

1 電動輪自卸車電傳動系統(tǒng)

1.1 電動輪自卸車電傳動系統(tǒng)基本原理

圖1為154 t電傳動自卸車主回路原理圖。對一般發(fā)電機來源，我們需要的是工頻正弦波，稱為基波，比基波高的正弦波都稱為諧波，其中三次諧波的含量最大，在諧波發(fā)電機定子槽中，安放有主繞組和諧波勵磁繞組(T13－T18)，而這些繞組之間沒有電的聯(lián)系。本課題中只利用兩套諧波繞組T13－T16，而另外一套諧波繞組T17－T18不利用。諧波繞組將繞組中3倍基波頻率的諧波感應(yīng)出來，經(jīng)過整流器整流，送到主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組中進(jìn)行勵磁。

圖1 154 t電傳動自卸車主回路原理圖

利用定子諧波繞組感應(yīng)氣隙磁場中的三次及倍數(shù)次諧波磁通而產(chǎn)生電動勢作為三次諧波勵磁的原理，將感應(yīng)出的電動勢作為勵磁電源，此類發(fā)電機具有自勵能力。與普通發(fā)電機相比，結(jié)構(gòu)上只將定子槽中加了幾套三次諧波繞組。本文中的三次諧波勵磁發(fā)電機在定子槽中嵌入了三套諧波繞組，T13－T14諧波繞組把氣隙磁場里的三次諧波功率引出，經(jīng)可控硅整流器整流后供給自身發(fā)電機勵磁，而T15－T16諧波繞組同樣也是將引出的三次諧波能量，經(jīng)過可控硅整流器后提供給直流牽引電動機勵磁。而直流牽引電動機大多是采用他勵電動機形式，需要直流電流勵磁。這種勵磁系統(tǒng)既有一定的相復(fù)勵能力，又省去了直流勵磁機等勵磁機構(gòu)?，F(xiàn)在這種勵磁系統(tǒng)普遍用于大型礦用自卸車傳動系統(tǒng)，還可作電源用于發(fā)電機等領(lǐng)域。

圖1中，ENG為柴油機;G為發(fā)電機;T1、T2、T3為發(fā)電機三相引出線;T13、T14、T15、T16、T17、T18為諧波繞組;F1、F2為發(fā)電機勵磁繞組;ESS為速度傳感器;R1、R2為制動電阻;M1、M2為直流牽引電動機;M1F、M2F為牽引電動機勵磁繞組。

由圖1可知，主發(fā)電機經(jīng)柴油機帶動發(fā)電，為驅(qū)動直流電動機提供電源，從而帶動車輪運轉(zhuǎn)。發(fā)電機主繞組為電動機電樞提供電源，同時諧波繞組發(fā)出的電通過勵磁系統(tǒng)分別提供給發(fā)電機自身和電動機的勵磁電流。通過控制發(fā)電機與電動機勵磁電流整流電路的可控硅導(dǎo)通角來控制發(fā)電機和電動機勵磁電流的大小，調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速以達(dá)到所需要求，使自卸車按規(guī)定的速度運轉(zhuǎn)。

1.2 諧波勵磁基本原理

三次諧波勵磁同步發(fā)電機(以下簡稱諧波勵磁發(fā)電機)是一種新型的采用諧波勵磁方式的發(fā)電機［3］。同步發(fā)電機的氣隙磁密波按傅里葉級數(shù)展開，可以將其分解為基波和一系列高次諧波，即:

式中，除基波外，3次諧波的幅值最大，頻率為基波頻率的3倍。

諧波勵磁基本原理是:該類型發(fā)電機和普通發(fā)電機相類似。結(jié)構(gòu)上只是在定子鐵心槽里安放一組具有1/3基波節(jié)距的繞組，當(dāng)磁極被原動機帶動旋轉(zhuǎn)時，這套繞組把氣隙磁場里的三次諧波功率引出來，經(jīng)過整流后勵磁。氣隙磁場在該繞組中產(chǎn)生的電勢只含有三次諧波及三的倍數(shù)次諧波電勢，各次諧波磁場在諧波組中感應(yīng)的電矢量合成，除三次及三的倍數(shù)諧波電勢外，均為零。為了得到具有幅－相復(fù)勵的特性，在凸極同步電機中，轉(zhuǎn)子磁場應(yīng)取平頂波。發(fā)電機帶感性負(fù)載后，負(fù)載產(chǎn)生的三次諧波分量使諧波繞組中諧波電勢加強，所以凸極同步發(fā)電機具有良好的幅－相復(fù)勵特性?？蛰d時，勵磁電流和磁極的磁場相互加強，空載電壓不斷上升，當(dāng)磁路趨向飽和時，三次諧波含量較少，從而限制了空載電壓的上升，發(fā)電機空載端電壓就達(dá)到了一個平衡點，即自勵加壓過程，負(fù)載時，電樞反應(yīng)產(chǎn)生的三次諧波與磁極磁勢產(chǎn)生的三次諧波正好同相位，使勵磁電流加大，使發(fā)電機端電壓回升，即自動保證端電壓恒定。多年來的實踐證明，諧波勵磁發(fā)電機運行可靠，維護(hù)簡單，通用性強，制造方便。同直流勵磁系統(tǒng)相比，可節(jié)約原材料20%左右，因此比較經(jīng)濟(jì)，適合于農(nóng)村小水電站使用。

2 諧波勵磁同步發(fā)電機的設(shè)計

本文設(shè)計的三次諧波勵磁同步發(fā)電機具有緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、復(fù)雜的內(nèi)部磁場分布和較高的磁場飽和度［4］。為保證有效性和準(zhǔn)確性，選用Ansoft/Maxwell 2D軟件對發(fā)電機的電磁場采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值計算。

2.1 同步牽引發(fā)電機電氣參數(shù)

額定容量:高壓時992 kW，低壓時938 kW，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min或1 900 r/min，在兩種轉(zhuǎn)速下，電機輸出均滿足額定要求。額定電壓:高壓時1 600 V，低壓時730 V;額定電流:高壓時620 A，低壓時1 285 A;最大電流:2 500 A(瞬時);效率:高壓時91%，低壓時84%。

2.2 同步牽引發(fā)電機繞組分布

定子繞組:同心式繞組，主繞組線圈的跨距為y=8，即1～9;并聯(lián)支路數(shù)a=2;兩根扁銅線并繞，線規(guī):線寬6.93 mm，線厚3.7 mm。

諧波繞組:跨距為y=3，即1～4;并聯(lián)支路數(shù)a=2，一根扁銅線并繞，線規(guī):線寬6.93 mm，線厚3.7 mm。

勵磁繞組:每極繞法:30匝，8極共240匝。線規(guī):一根扁銅線并繞，線寬8.25 mm，線厚5.19 mm。

2.3 同步牽引發(fā)電機沖片尺寸

(1)定子沖片尺寸

定子沖片圖如圖2所示。定子外徑D1=825 mm;定子內(nèi)徑Di1=536 mm;極對數(shù)p=4，定子槽數(shù)Z=72;定子槽參數(shù):開口槽，Hs0=0.5 mm;Hs1=3 mm;Hs2=34.7 mm;Bs1=11.6 mm;Bs2=9.7 mm。

(2)轉(zhuǎn)子沖片尺寸

轉(zhuǎn)子沖片尺寸如圖3所示。轉(zhuǎn)子外徑D2=530 mm;轉(zhuǎn)子內(nèi)徑Di2=138 mm。

3 電傳動系統(tǒng)的勵磁系統(tǒng)

3.1 諧波勵磁同步發(fā)電機的勵磁控制

恒壓是發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)。電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。經(jīng)負(fù)載擾動的發(fā)電機電壓UG經(jīng)測量反饋通道的傳遞，成為反饋信號Ufk，Ufk與給定信號Ug比較，得到一個差值信號U0，U0=Ug－Ufk，U0經(jīng)過前向通道放大，并移相觸發(fā)晶閘管的脈沖，使晶閘管工作并調(diào)節(jié)勵磁電流If，從而使發(fā)電機電壓UG恒定。

圖4 發(fā)電機和電壓調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 恒功率牽引運行勵磁控制

電動輪自卸車的控制系統(tǒng)要在實際工況里需滿足“恒功率匹配”，即在牽引工況時，一般通過調(diào)節(jié)發(fā)電機與電動機的勵磁來實現(xiàn)同步發(fā)電機的輸出功率與柴油機的負(fù)載能力相匹配［5］。經(jīng)實驗測試，本文研究的電動輪自卸車牽引時的特性曲線如圖5所示，其中，AB段為電流限制線，BC段為恒功率線，CD段為電壓限制線。

圖5 電動輪自卸車恒功牽引特性曲線

圖中，IF為牽引時IM1、IM2電流中取大值;UF為主電壓同時限制UF1(單機電壓)不能超過800 V，UF－UF1也不能超過800 V;電功率Pmax=1 000 kW是指當(dāng)全壓牽引踏板，柴油機轉(zhuǎn)速超過1 900 r/min時，電功率為最大，該值典型為1 000 kW，同時可通過PTU設(shè)備調(diào)整，調(diào)整范圍700～1 300 kW。

牽引特性的功能是根據(jù)反饋量和給定量計算出控制量，一是控制電動機的勵磁電流IMF，二是控制發(fā)電機的勵磁電流IAF，使車輛能夠滿足牽引運行特性的要求?？刂破鞲鶕?jù)采集到柴油機輸出給發(fā)電機功率P與反饋給主回路電壓UF和發(fā)電機電流IF的乘積即電功率信號對比，計算出電功率誤差，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)計算移相觸發(fā)角α0，經(jīng)過移相觸發(fā)單元發(fā)出脈沖，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流IAF［6－7］，如圖 6 所示。

圖6 發(fā)電機勵磁控制方框圖

圖7為柴油機轉(zhuǎn)速與輸出電功率Pmax的函數(shù)關(guān)系，可描述為:

圖7 轉(zhuǎn)速與輸出功率關(guān)系

在滿足功率匹配的前提下控制電動機勵磁電流IMF實現(xiàn)無級調(diào)速。牽引電動機勵磁電流IMF以發(fā)電機的輸出電流IF作為其給定，來實現(xiàn)功率匹配，如圖8所示。

圖8 IMF控制框圖

IMF跟隨IF按圖8變化，應(yīng)滿足:

3.3 勵磁調(diào)節(jié)器觸發(fā)信號的產(chǎn)生

同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)采用相控方式來觸發(fā)，觸發(fā)回路在軟件 MATLAB/Simulink中建立，在MATLAB中建立Ansoft S Function與Simplorer軟件相聯(lián)接，在Simplorer軟件中通過Simplorer circuit－方法將觸發(fā)信號傳入Simplorer中，然后設(shè)置好路徑就可以進(jìn)行simplorer與MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真。MATLAB中的觸發(fā)回路是兩套勵磁信號回路，一套是發(fā)電機勵磁回路，引入諧波繞組(T13、T14)。由于勵磁方式是三次諧波勵磁，所以諧波繞組波形有時在半波出現(xiàn)過零點，采用水平積分器，可準(zhǔn)確知道過零點的時刻，以便及時調(diào)整載波來產(chǎn)生觸發(fā)信號，解決了諧波較大時勵磁控制難的問題。

4 場路耦合仿真模型及結(jié)果分析

電機系統(tǒng)場路耦合仿真技術(shù)是把電路與磁場理論進(jìn)行控制系統(tǒng)綜合仿真的方法，經(jīng)有限元法計算出電機磁場的結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析、計算，再將控制系統(tǒng)計算結(jié)果反饋給有限元分析的輸入進(jìn)行計算，如此反復(fù)循環(huán)計算直到計算完畢。再對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，用以指導(dǎo)電機最優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。三次諧波勵磁同步發(fā)電機需要由諧波勵磁供電方可正常運行。

4.1 仿真模型

在結(jié)合MATLAB/Simulink軟件、有限元仿真軟件Maxwell 2D及聯(lián)合仿真軟件Simplorer各自的優(yōu)點情況下，建立三次諧波勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)的仿真模型。由于Maxwell 2D沒有與MATLAB/Simulink直接耦合的接口，因此只能在Simplorer軟件中建立其功率驅(qū)動主電路，再與二維模型中的電樞繞組相接，加上額定機械負(fù)載。具體仿真環(huán)境如圖9所示。

采用Simplorer軟件，按要求建立系統(tǒng)的仿真模型，對諧波勵磁同步發(fā)電機帶直流電動機的運行特性進(jìn)行了仿真研究。仿真中假設(shè)三次諧波發(fā)電機轉(zhuǎn)速恒定為2 100 r/min，直流母線電壓目標(biāo)值為588 V。

4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果與分析

本文給出了諧波發(fā)電機帶兩臺500 kW即1000 kW直流電動機負(fù)載時的仿真模型。自勵磁時相應(yīng)的控制性能仿真結(jié)果如圖10所示。從圖10(a)可以看出，實際輸出功率與給定功率相吻合，即功率的實際值對指令值跟蹤得較好，說明控制器的參數(shù)設(shè)計是合理的。電動機轉(zhuǎn)速可達(dá)1 080r/min，直流母線電壓能夠穩(wěn)定在1 200 V，發(fā)電機勵磁電流為275 A左右，電樞電流為800 A，電動機勵磁電流能穩(wěn)定在250 A，主繞組和諧波繞組感應(yīng)電壓均滿足設(shè)計要求。

圖9 MATLAB中總體仿真模型

圖10 諧波發(fā)電機帶兩臺直流電動機負(fù)載自勵磁仿真波形

5 結(jié) 語

本文從電機設(shè)計理論出發(fā)，通過Ansoft/Maxwell 2D軟件的有限元方法，建立了三次諧波勵磁同步發(fā)電機的有限元模型。針對電傳動系統(tǒng)的特殊要求，提出了一種新方法，即利用聯(lián)合仿真軟件Simplorer并結(jié)合Matlab/Simulink及Ansoft/Maxwell 2D軟件對諧波勵磁同步發(fā)電機系統(tǒng)帶直流電動機負(fù)載下進(jìn)行了聯(lián)合仿真計算和深入分析。經(jīng)過多次修改參數(shù)及調(diào)試，仿真結(jié)果驗證了設(shè)計方案的正確性，已基本滿足154 t直流電傳動系統(tǒng)的要求。

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