1.7.2　电力传动

美国国家工程院评选了20项20世纪最伟大的工程技术成就，“电气化”排名第一，第二项就是“汽车”，这两项结合起来就是21世纪最有希望的电动汽车，电动轮自卸汽车可视为电动汽车的特例。

1960年尤尼特瑞格与GE合作推出第一台电动轮自卸车以来，电传动系统都采用直流发动机和直流牵引电机，70年代开始采用三相交流发电机和直流牵引电动机的结构。机械式车型的发展，迫使电动轮车型不断升级。从80年代中后期开始，计算机控制技术已逐步应用于矿用电动轮的车速自动调节、柴油机燃油喷射及整车的故障分析诊断等领域，随着计算机技术、通信技术、传感器技术的进一步发展及有关元器件功能的完善、可靠性的提高，计算机控制技术已在矿用电动轮自卸车的许多方面得到应用。90年代后期，随着交流变频调速技术的发展和大功率逆变器的问世，美国的GE和德国的西门子先后推出了使用交流牵引电机的电传动系统，矿用电动轮自卸车开始进入了交流传动的时代。

1996年，日本小松公司在芝加哥国际博览会上，展出了世界首台交流传动（交—直—交系统）的930E型矿用自卸车，也是世界首台载重量达到300短吨的车型，见图1.31。

930E的载重量为258～281t，最高车速为64.5km·h-1，采用德国MTU公司的16V396TB44L柴油机，额定功率2000kW，普利斯通的48/95R57型子午线轮胎，应用GE公司的GTA-34发电机，每台交流感应电动机配备一个牵引逆变器，每套逆变器中有6个GTO（Gate Turn-Off Thyristor）型门控晶闸管和6个反并联二极管，逆变器用强迫空气冷却，电动轮采用交流感应电动机，主减速比31.5∶1。在控制方面增加了减速时打滑和牵引时空转的检测保护，系统主电路的触点由14个减少到5个，可减少动作延时3～4s，系统反应更为快速[13]。制动系统是一种电控油冷式多盘湿式制动器，圆盘直径达1150mm。

随后的1997年，尤克利德—日立（Euclid-Hitachi）公司和德国西门子公司合作推出了R260（现为EH4500）交流传动矿用电动轮自卸车，并在1998年投入商业生产。

按发电机和牵引电机形式的不同，电传动系统可分4个发展阶段：

（1）直流发电机—直流电动机系统（直—直系统）

在直—直电传动系统中，采用的是直流发电机和直流牵引电动机，见图1.32（a），直流发电机将发出的直流电直接驱动直流牵引电动机。这种系统的优点是：发电机发出的电能，可以不通过任何装置的转换，而直接送到牵引电动机，从电传动的角度来分析，这是一种最简洁、最直接的结构，最初的电动轮自卸车就使用这种方式。但因直流发电机的电压不能设计得太高，而使发电机的体积和质量都很大，成本高，最高转速受限，整流器的火花大，其综合性能是4种电传动方式中最差的，现已不采用这种电传动类型。

直—直系统的牵引电动机常采用直流串励电动机，其转矩和转速的关系近似于双曲线，这比其他直流电机更适合电动轮矿车牵引特性的要求。

（2）交流发电机—直流电动机系统（交—直系统）

图1.32（b）所示的系统为交—直系统，一般包括发动机、同步牵引发电机、直流电动机、制动电阻柜、电控柜（整流单元和接触器）、驾驶室以及整个电传动控制和保护电路等。

交—直系统同1.32（a）所示系统的最大不同是用交流发电机代替了直流发电机，这从根本上消除了直流发电机在结构上所造成的固有缺陷，包括直流发电机的环火现象，而交流发电机可以提高转速，缩小体积，结构坚固、简单，运行可靠和维修保养工作量大大减少。发电机发出的三相交流电经大功率整流器整流后供给直流牵引电动机。

这种电传动系统是自1963年尤尼特瑞格生产第一辆电传动自卸车问世以来30多年时间里一直使用的，直到1996年交流传动技术首次开始运用到大型自卸车为止，目前许多车型仍采用该种方式。

直—直系统和交—直系统的缺点包括：①直流牵引电动机有换向器，使其转速和电流大小均受到制约；②低速情况下电制动力较小；③要求电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就需要碳刷及整流子，结构变得复杂；④碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，易造成组件损坏，使用场合也受到限制；⑤在高压大功率时换向困难、电位条件恶化、结构复杂、制造难度大、维修麻烦[11]。

（3）交—直—交电传动系统（交—直—交系统）

交流发动机输出的电能经过整流及变频装置以后，输送给交流电动机，称为交—直—交系统，见图1.32（c）。该系统和1.32（b）所示的交—直系统相比，驱动车辆车轮用交流电动机代替了直流电动机，给交流电动机提供电源的是接在整流器后面的逆变器，逆变器输出的频率和电压均是可调的交流电源，从而控制了交流电动机转速，进而控制了矿车车速。

20世纪90年代前后，门控晶闸管（GTO）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）等自关断器件纷纷面世，并进入实用化阶段，首先在机车、地铁等领域用GTO、IGBT等电力电子器件构成的逆变器，给担当主牵引电动机的交流鼠笼电动机提供交流电源。在电传动自卸车领域，新型电力电子组成的逆变器进入该领域的时间约比进入地铁领域晚15年左右。

交—直—交型驱动系统的原理是：柴油机带动同轴的交流发电机产生固定频率和固定电压的三相交流电，然后传送至主电控柜，经过硅整流器整流变成直流电，再经过晶闸管逆变器，将直流电变成预定可变频率和可变电压的三相交流电，以供给后轮内的交流牵引电动机使用。逆变后的三相交流电频率根据需要是可控制的，这种交流电能遵照矿车实际运行条件，提供给牵引电动机合适功率大小的电能。图1.33给出了卡特彼勒与日本三菱公司合作的交—直—交系统原理。

交—直—交系统一般包括发动机、同步牵引发电机、交流电动机、制动电阻柜、电控柜（整流单元和逆变器）、驾驶室以及整个电传动控制和保护电路等。这是目前所有交流驱动型矿用车的电传动方式。

交流驱动系统中，通常使用结构简单、运行可靠、成本低廉的三相鼠笼式感应电动机，由变频装置向其提供频率可控的电源驱动车辆。目前的交流驱动技术多数应用了IGBT技术，使系统更简单、更可靠、成本更低、体积更小。

以150t级矿用电动轮自卸车为例，GE公司给出了交—直—交驱动系统和交—直驱动系统的牵引特性和制动特性的对比情况，见图1.34。在图1.34所示条件下，交流电传动比直流电传动的牵引功率最大提高幅度达到27.87％，电制动功率提高比例约14％[19]。

交—直—交系统的优点包括：①与直流驱动相比，交流驱动效率平均提高6％～7％，一般200t以上的矿车都采用交流驱动方式；②交流牵引电动机（特别是鼠笼式电动机）与直流电动机相比，取消了碳刷、换向器及其他须经常维护的零部件，明显减少了接触器数量，结构简单，外形尺寸小，可以设计和制造出功率较大、转速较高的电动机，运行更可靠，维护更方便；③交流电机相对直流电机价格便宜，制造周期短，使运行费用大为降低。缺点包括：系统更复杂，非专业人员不能维修，成本较高。

（4）交流发电机—交流电动机（交—交系统）

图1.32（d）所示的驱动型式为交—交型交流驱动系统。由图1.32（d）可见，结构中没有直流环节，采取直接变频方式，比较简单，但实际上是4种传动类型中技术最复杂的一种。其原理是发动机驱动一台同步交流发电机，发出的交流电输出给变频器，变频器向交流牵引电动机输送频率可控的交流电。这种系统对变频技术和电动机结构都有较高要求，目前尚未实现，这会是以后的发展方向。

通常说的电动轮自卸车的直流驱动是指上述第（2）种情况，交流驱动指第（3）种电传动系统。

综上，电力传动的优点总结如下：调速性能好，响应速度快，启动力矩大。从零转速至额定转速可提供额定转矩，可以提供显著的牵引能力优势；还可以进行打滑和空转的控制，以降低轮胎的磨损；还具有无级变速的特性，可使车辆运行平稳；具有恒功控制，能方便地测定转速和转矩，使柴油发动机功率能与发电机相匹配而得到充分利用，能使发动机经常保持在最佳工况，提高了车辆的动力性能[3]。电传动还具有无摩擦电制动和自动电动差速等功能，动力缓行制动使行驶更安全等；还可以使用架线辅助供电等双动力节能模式。