1.7.2　電力傳動

美國國家工程院評選了20項20世紀最偉大的工程技術成就，“電氣化”排名第一，第二項就是“汽車”，這兩項結合起來就是21世紀最有希望的電動汽車，電動輪自卸汽車可視為電動汽車的特例。

1960年尤尼特瑞格與GE合作推出第一臺電動輪自卸車以來，電傳動系統都采用直流發動機和直流牽引電機，70年代開始采用三相交流發電機和直流牽引電動機的結構。機械式車型的發展，迫使電動輪車型不斷升級。從80年代中后期開始，計算機控制技術已逐步應用于礦用電動輪的車速自動調節、柴油機燃油噴射及整車的故障分析診斷等領域，隨著計算機技術、通信技術、傳感器技術的進一步發展及有關元器件功能的完善、可靠性的提高，計算機控制技術已在礦用電動輪自卸車的許多方面得到應用。90年代后期，隨著交流變頻調速技術的發展和大功率逆變器的問世，美國的GE和德國的西門子先后推出了使用交流牽引電機的電傳動系統，礦用電動輪自卸車開始進入了交流傳動的時代。

1996年，日本小松公司在芝加哥國際博覽會上，展出了世界首臺交流傳動（交—直—交系統）的930E型礦用自卸車，也是世界首臺載重量達到300短噸的車型，見圖1.31。

930E的載重量為258～281t，最高車速為64.5km·h-1，采用德國MTU公司的16V396TB44L柴油機，額定功率2000kW，普利斯通的48/95R57型子午線輪胎，應用GE公司的GTA-34發電機，每臺交流感應電動機配備一個牽引逆變器，每套逆變器中有6個GTO（Gate Turn-Off Thyristor）型門控晶閘管和6個反并聯二極管，逆變器用強迫空氣冷卻，電動輪采用交流感應電動機，主減速比31.5∶1。在控制方面增加了減速時打滑和牽引時空轉的檢測保護，系統主電路的觸點由14個減少到5個，可減少動作延時3～4s，系統反應更為快速[13]。制動系統是一種電控油冷式多盤濕式制動器，圓盤直徑達1150mm。

隨后的1997年，尤克利德—日立（Euclid-Hitachi）公司和德國西門子公司合作推出了R260（現為EH4500）交流傳動礦用電動輪自卸車，并在1998年投入商業生產。

按發電機和牽引電機形式的不同，電傳動系統可分4個發展階段：

（1）直流發電機—直流電動機系統（直—直系統）

在直—直電傳動系統中，采用的是直流發電機和直流牽引電動機，見圖1.32（a），直流發電機將發出的直流電直接驅動直流牽引電動機。這種系統的優點是：發電機發出的電能，可以不通過任何裝置的轉換，而直接送到牽引電動機，從電傳動的角度來分析，這是一種最簡潔、最直接的結構，最初的電動輪自卸車就使用這種方式。但因直流發電機的電壓不能設計得太高，而使發電機的體積和質量都很大，成本高，最高轉速受限，整流器的火花大，其綜合性能是4種電傳動方式中最差的，現已不采用這種電傳動類型。

直—直系統的牽引電動機常采用直流串勵電動機，其轉矩和轉速的關系近似于雙曲線，這比其他直流電機更適合電動輪礦車牽引特性的要求。

（2）交流發電機—直流電動機系統（交—直系統）

圖1.32（b）所示的系統為交—直系統，一般包括發動機、同步牽引發電機、直流電動機、制動電阻柜、電控柜（整流單元和接觸器）、駕駛室以及整個電傳動控制和保護電路等。

交—直系統同1.32（a）所示系統的最大不同是用交流發電機代替了直流發電機，這從根本上消除了直流發電機在結構上所造成的固有缺陷，包括直流發電機的環火現象，而交流發電機可以提高轉速，縮小體積，結構堅固、簡單，運行可靠和維修保養工作量大大減少。發電機發出的三相交流電經大功率整流器整流后供給直流牽引電動機。

這種電傳動系統是自1963年尤尼特瑞格生產第一輛電傳動自卸車問世以來30多年時間里一直使用的，直到1996年交流傳動技術首次開始運用到大型自卸車為止，目前許多車型仍采用該種方式。

直—直系統和交—直系統的缺點包括：①直流牽引電動機有換向器，使其轉速和電流大小均受到制約；②低速情況下電制動力較小；③要求電樞磁場與轉子磁場須恒維持90°，這就需要碳刷及整流子，結構變得復雜；④碳刷及整流子在電機轉動時會產生火花、碳粉，易造成組件損壞，使用場合也受到限制；⑤在高壓大功率時換向困難、電位條件惡化、結構復雜、制造難度大、維修麻煩[11]。

（3）交—直—交電傳動系統（交—直—交系統）

交流發動機輸出的電能經過整流及變頻裝置以后，輸送給交流電動機，稱為交—直—交系統，見圖1.32（c）。該系統和1.32（b）所示的交—直系統相比，驅動車輛車輪用交流電動機代替了直流電動機，給交流電動機提供電源的是接在整流器后面的逆變器，逆變器輸出的頻率和電壓均是可調的交流電源，從而控制了交流電動機轉速，進而控制了礦車車速。

20世紀90年代前后，門控晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等自關斷器件紛紛面世，并進入實用化階段，首先在機車、地鐵等領域用GTO、IGBT等電力電子器件構成的逆變器，給擔當主牽引電動機的交流鼠籠電動機提供交流電源。在電傳動自卸車領域，新型電力電子組成的逆變器進入該領域的時間約比進入地鐵領域晚15年左右。

交—直—交型驅動系統的原理是：柴油機帶動同軸的交流發電機產生固定頻率和固定電壓的三相交流電，然后傳送至主電控柜，經過硅整流器整流變成直流電，再經過晶閘管逆變器，將直流電變成預定可變頻率和可變電壓的三相交流電，以供給后輪內的交流牽引電動機使用。逆變后的三相交流電頻率根據需要是可控制的，這種交流電能遵照礦車實際運行條件，提供給牽引電動機合適功率大小的電能。圖1.33給出了卡特彼勒與日本三菱公司合作的交—直—交系統原理。

交—直—交系統一般包括發動機、同步牽引發電機、交流電動機、制動電阻柜、電控柜（整流單元和逆變器）、駕駛室以及整個電傳動控制和保護電路等。這是目前所有交流驅動型礦用車的電傳動方式。

交流驅動系統中，通常使用結構簡單、運行可靠、成本低廉的三相鼠籠式感應電動機，由變頻裝置向其提供頻率可控的電源驅動車輛。目前的交流驅動技術多數應用了IGBT技術，使系統更簡單、更可靠、成本更低、體積更小。

以150t級礦用電動輪自卸車為例，GE公司給出了交—直—交驅動系統和交—直驅動系統的牽引特性和制動特性的對比情況，見圖1.34。在圖1.34所示條件下，交流電傳動比直流電傳動的牽引功率最大提高幅度達到27.87％，電制動功率提高比例約14％[19]。

交—直—交系統的優點包括：①與直流驅動相比，交流驅動效率平均提高6％～7％，一般200t以上的礦車都采用交流驅動方式；②交流牽引電動機（特別是鼠籠式電動機）與直流電動機相比，取消了碳刷、換向器及其他須經常維護的零部件，明顯減少了接觸器數量，結構簡單，外形尺寸小，可以設計和制造出功率較大、轉速較高的電動機，運行更可靠，維護更方便；③交流電機相對直流電機價格便宜，制造周期短，使運行費用大為降低。缺點包括：系統更復雜，非專業人員不能維修，成本較高。

（4）交流發電機—交流電動機（交—交系統）

圖1.32（d）所示的驅動型式為交—交型交流驅動系統。由圖1.32（d）可見，結構中沒有直流環節，采取直接變頻方式，比較簡單，但實際上是4種傳動類型中技術最復雜的一種。其原理是發動機驅動一臺同步交流發電機，發出的交流電輸出給變頻器，變頻器向交流牽引電動機輸送頻率可控的交流電。這種系統對變頻技術和電動機結構都有較高要求，目前尚未實現，這會是以后的發展方向。

通常說的電動輪自卸車的直流驅動是指上述第（2）種情況，交流驅動指第（3）種電傳動系統。

綜上，電力傳動的優點總結如下：調速性能好，響應速度快，啟動力矩大。從零轉速至額定轉速可提供額定轉矩，可以提供顯著的牽引能力優勢；還可以進行打滑和空轉的控制，以降低輪胎的磨損；還具有無級變速的特性，可使車輛運行平穩；具有恒功控制，能方便地測定轉速和轉矩，使柴油發動機功率能與發電機相匹配而得到充分利用，能使發動機經常保持在最佳工況，提高了車輛的動力性能[3]。電傳動還具有無摩擦電制動和自動電動差速等功能，動力緩行制動使行駛更安全等；還可以使用架線輔助供電等雙動力節能模式。