MT5500B型矿用自卸卡车主发电机散热风机逆变器供电电路改造
发布时间：2021-12-06
摘要：目前主发电机散热方式是在主发电机输出端直接连接一套风扇叶轮，由主发电机的转动带动叶轮转动，达到快速散热的目的。MT5500B型自卸卡车由于主发电机结构的特殊性和空间的局限性，主发电机无法进行结构性改造，即不能采用去掉散热风机直接连接风扇叶轮的方式。为了改善MT5500B型矿用自卸卡车主发电机散热风机的运行寿命，减少更换风机的成本，降低维修工作人员的工作量，提出了一种MT5500B型矿用自卸卡车主发电机散热风机逆变器供电电路改造方案。该方案在主发电机散热风机前端增加1个逆变供电电路，并且利用电控柜的直流母线供电，可以根据风机的输出特性匹配对应变频变压交流电，使风机处于平滑稳定运行状态。试验结果表明，该方案设计的主发电机风机供电变频器供电电路使用性能完全满足MT5500B型矿用自卸卡车的主发电机风机供电技术要求，其可靠性高于原有主发电机直接供电系统，解决了由于供电电路电流不稳定造成的风机异常损坏故障，提高了自卸卡车的运行效率。
关键词：露天煤矿;矿用自卸卡车;主发电机散热风机;变频器;逆变电路
0引言
MT5500B型卡车为326t级矿用重载自卸卡车，承担着大型露天煤矿的土方、岩石、原煤等的运输生产任务。由于MT5500B型自卸卡车载重量大，且作业环境差，各类故障频发，维修维护成本高。MT5500B型自卸卡车的主发电机散热方式不同于其他车型采用的传动轴带动风扇叶片的机械直驱方式，而是采用三相异步电动机直接连接到发电机输出端，带动风扇叶片转动的驱动方式。由于发电机输出的电能变化剧烈，使得主发电机散热风机(以下简称散热风机)运行时，电流不稳定，特别是瞬时电流过大时，极易导致散热风机过流损坏。不仅维修成本高，而且MT5500B型自卸卡车散热风机安装空间狭小，更换十分困难，导致设备长时间停机。
目前国内外先进设备普遍采用的主发电机散热方式是在主发电机输出端直接连接一套风扇叶轮，由主发电机的转动带动叶轮转动，达到快速散热目的。MT5500B型自卸卡车由于主发电机结构的特殊性和空间的局限性，主发电机无法进行结构性改造，即不能采用去掉散热风机，直接连接风扇叶轮的方式。因此，笔者提出一种MT5500B型自卸卡车散热风机变频器供电电路改造方案，既不需要投入过多的改造费用，也不增加改造难度。该改造方案在散热风机前端增加1个逆变供电电路，并且利用电控柜的直流母线供电，可以根据风机的特性输出对应匹配的变频变压交流电，使风机一直平滑稳定运行。此外自卸卡车在电制动工况下，风机由发电机供电改为电动轮回馈电能供电，提高燃油经济性，从而提高散热风机运行的稳定性，并较低故障率。
1主要研究内容
(1)逆变供电电路。基于成熟的电气设备平台，预留智慧矿山接口。区别于采用三相交流电源的传统变频器，该逆变供电电路直接利用电控柜的直流母线供电，不仅可以使输入电源更平稳，而且可以高效利用电制动时的回馈能量。
(2)逆变供电电路及控制参数。掌握MT5500型自卸卡车发电机、电气柜、散热风机等设备的电气性能和运行工况，做到与整车原电气系统电气性能兼容匹配。增加逆变供电电路后，散热风机转速不受限于发电机输出频率，可以根据实际需求在一定范围内自由调节散热风机转速，改变风量大小。
(3)新设备结构。研究自卸卡车实际运行工况，针对矿山实际运行环境，重新设计满足使用强度的设备结构。设备采用通用电路，并预留多种接口，方便兼容同类型应用。
2改造要求
改造涉及的零部件属于原有设备(MT5500型自卸卡车)部件优化升级的产品，应符合国家政策和环保要求。
(1)优先选择可靠性高的新技术，选择更高效的设备。
(2)引用成熟且质量可靠的专业配套零配件，减小技术风险，提高生产效率。
(3)新增加的散热风机逆变供电设备与原车电气控制柜通信，数据共享，实现车辆安全运行。
(4)必须对原有电控系统深入了解，结合整车需求与原电控系统通信，实现数据共享。
(5)必须充分考虑技术上的可能性，在工厂建立散热风机逆变供电设备试验台，先通过出厂模拟车辆工况试验再上车试验。
(6)充分考虑改造方案的经济性，改造费低于1—2a节省下来的原配件损耗和维修成本，大大提高车辆出动率和效率。
3改造方案
3.1散热风机控制变频器主要电气参数见表1。
3.2电气回路组成
散热风机变频器供电电路原理如图1所示，增加变频器后自卸卡车电气传动系统原理如图2所示。变频器的输入连接到交流发电机的输出，输出连接到自卸卡车后桥冷却风机。变频器按照V/F模式输出变频变压的三相交流电源，对后桥冷却风机进行独立控制。变频器基于英威腾集团的通用变频器平台，根据应用的环境条件和该应用工况下的特殊技术要求进行升级改造，确保新增变频器与原有自卸卡车电气传动系统匹配。
3.3变频器结构
散热风机变频器包括集成电气主回路、控制系统、冷却系统(含散热器、风道、散热风机)等。
3.4变频器性能
(1)通信功能。满足ModBus通信协议所要求的主从通信方式，通过RS485通信接口设定变频器控制命令、运行频率，修改相关功能码参数，监控变频器工作状态及故障信息。另外，可通过增配综合扩展卡或通信扩展卡实现CAN通信。
(2)保护功能。具有过压、欠压、过流、过温、缺相、过载等多种保护功能，且部分保护可实现自恢复。
(3)效率高。标准输入电压、输出功率下，效率大于98%。
(4)冲击和振动。变频器在自卸卡车正常运行时产生的冲击下能正常工作。
(5)冷却性能。变频器本体具备一套独立的冷却系统(图3)，可将自身热源(整流二极管、IGBT、电解电容等)产生的热量，通过2台小型轴流风机抽风带走。此外变频器具有温度检测保护功能。
(6)电磁兼容性能。电磁兼容性满足GB/T24338.4或EN50121-3-2的规定。
(7)绝缘性能。电气间隙符合IEC60077-1：2017中8.2.6的规定，爬电距离符合IEC60077-1：2017中8.2.7的规定。
(8)噪声。不做定量要求，应符合整车规定的司机室≤75dB(A)要求。
(9)防火及环保。其中非金属材料应使用阻燃型并可回收利用的材料;电线电缆应为低烟、无卤、阻燃型的环保产品，其防火性能可满足EN45545-2或BS6853的相应等级要求;电子元器件也应当选用环保器件。
(10)中断保护功能。在任何工况下的输入电压中断时都应无损伤。负载中断时应能正常工作，无部件损伤。同时也可实现转速追踪再启动的目的，可实现对旋转中的电动机的无冲击平滑启动。
研发的MT5500B型自卸卡车散热风机变频器还具有多重保护功能，能可靠地给散热风机提供电源，使散热风机故障率下降50%以上。
4结语
该改造方案已在哈尔乌素露天煤矿一台MT5500B型自卸卡车进行试验。结果表明，散热风机变频器供电电路完全与整车电气系统匹配，风机散热器运行稳定，风机运行寿命可由现在的平均3000h提升至8000h，并大幅降低了维修工作量。下一步计划将改造方案逐步实施到哈尔乌素露天矿所有MT5500B型自卸卡车，同时进一步分析改造后的经济效益，为进一步推广提供数据支撑。——论文作者：李虎
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