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电动推土机电驱动系统

[ 时间:2015-10-11 ]

LRS240E轮胎推土机电传动系统

概述

LRS240E轮胎推土机的电传动系统采用交--交传动方式,以柴油发动机作为原动机,由主发电机将发动机的机械能转化为电能。牵引变流柜将主发电机发出的电压和频率固定的三相交流电转化为直流电,并由牵引逆变器将直流电转化为电压和频率可控的交流电来驱动牵引电机,牵引电机再通过齿轮传动机构带动车轮实现推进功能。当牵引变流柜工作在制动状态时,制动能量可通过牵引逆变器的制动控制,将其回馈到直流母线上,并通过斩波器控制将制动能量消耗在制动电阻栅上,实现无摩擦制动方式。采用PLC逻辑控制,可实现压路机牵引、制动的无级调速和定速巡航功能。

基本参数

LRS240E轮胎推土机的基本参数要求如下:

整机重量:                                  40t

发电机额定功率:                     132kW

工作速度:                                05km/h

最高行驶速度:                           11.5km/h

爬坡度:                                     20%

电动机额定功率:                     120kW

电动机峰值功率:                     2.5倍额定功率

电动机额定转速:                     900r/min,最高转速2890r/min

系统设计方案

40t轮胎推土机的电传动系统由电力推进系统、24V电气系统(硬件)、以及电控系统(软件)组成。

电力推进系统

电力驱动系统主要功能是能量传递,将柴油发动机的机械能转化为电能,牵引电机把电能转化为机械能,通过传动机构驱动车轮实现行走。电力驱动系统包括永磁同步发电机、牵引变流柜、三相异步牵引电机、制动电阻栅,系统的额定电压采用与D230E相同的480VAC,原理图如图1所示

1 电力推进系统原理图

主发电机

主发电机为永磁同步发电机,其技术参数如下:

额定功率:      132kW

额定转速:      2200r/min

额定电压:      480VAC

额定频率:      300Hz

极数:             12

冷却方式:      水冷(≤145℃)

绝缘等级:      F

防护等级:      IP54

工作制式:      S1

牵引变流柜

牵引变流柜主要由整流器、斩波器、牵引逆变器、吸收电容以及保护电路等组成,模块化设计,集整流、斩波、变频变流功能为一体,采用美国爱立信电力驱动柜的一体化铸铝柜体,与D230E相同,如图2所示。

整流器采用三相全桥整流电路,将主发电机输出的三相交流电转化为直流电,输送到斩波器和牵引逆变器。

牵引逆变器为电传动系统的技术核心所在,包括ICU(逆变控制单元)、FC(滤波电容器)、传感器、逆变器功率模块。牵引逆变器将直流电转化为电压和频率可控的三相交流电,按控制所期望的转矩和转速来调节输出的电压和电流波形,完成主电路和牵引电机之间的能量传输,实现推土机推进、电制动的连续控制。推土机在电制动时,牵引逆变器通过控制,使牵引电机工作在发电机模式,将制动能量转化为电能并回馈到直流母线上。

斩波器由IGBT和功率二极管桥式电路组成,实现稳定母线电压,消耗制动能量的控制功能。系统对直流母线电压进行监测,如果母线电压高于660VDC的设定值,斩波器投入工作,将制动能量输送到电阻栅,并由电阻栅把制动能量消耗尽。

吸收电容用以消除由于母排的杂散电感引起的尖峰电压,保证直流电压的品质。保护电路主要有直流母线正负对地漏电检测保护电路、紧急放电电路、直流母线带电指示电路。

2 牵引变流柜三维图

牵引变流柜技术参数如下:

输入电压:      480VAC

额定功率:      132kW

斩波电压:      660VDC

斩波功率:      100kW

输出电压:      0~480VAC

工作频率:      1~300Hz

冷却方式:      水冷(≤80℃)

防护等级:      IP65

电阻栅

电阻栅将斩波器传送过来的制动能量以电阻发热的形式消耗掉。电阻材料按美国GE矿卡电驱动电阻栅的标准,选用耐高温材料Cr20Ni35。电阻栅外形尺寸及温度曲线如图3所示。

 

3 GE电驱系统采用的电阻栅尺寸及温升曲线

电阻栅技术参数如下:

斩波电压:                660VDC

额定功率:                50kW(详见制动功率计算)

阻值(20℃):         8.7Ω±5%

绝缘电阻:                ≤10MΩ

工频耐压:                2500VAC 1min不击穿

电阻最高温度:         不允许超过500

牵引电机

牵引电机采用三相交流异步电动机,其技术参数如下:

额定功率:      120kW

额定电压:      480VAC

额定转速:      800r/min

最大转速:      2850r/min

极数:              6

过载能力:      2.5

冷却方式:      水冷(≤145℃)

防护等级:      IP54

工作制式:      S1

24V电气系统

24V电气系主要由PLC(可编程控制器)、操纵杆(集成调速和换档功能)、HMI(人机界面,可编程触摸屏显示器)、故障复位开关、以及信号采集传感器等硬件组成,原理图如图4所示。

PLC

可编程控制器PLC采用基于CoDeSys高级编程平台的工程车辆专用移动控制器C310C310是一款基于CoDeSysV2.3软件平台开发的可现场编程控制器,在恶劣环境如高振动、宽温度变化和潮湿等条件下仍能正常工作,具有高可靠性和安全性。

主要特点如下:

16bit,40MHZ处理器;

2CAN接口,1RS232接口;

集成功率输出供电管理,对输出功能起到保护作用;

带主板温度检测,可对PLC的运行提供参数及保护;

带主板电压检测,可实时掌握PLC的电源运行情况;

集成钥匙开关和保持开关,可对PLC的上电、断电进行软件控制;

带输出故障检测,可在任意时刻监测PLC的输出管脚是否正常;

可读取用户编码,对用户的程序及参数提供保护;

具有上电冷态检测功能,可检测PLC每个输出管脚是否开路或短路(大于8A,带FB功能管脚除外);

高防护等级IP67;连接器镀金接触、密封良好;

一个8AMP接插件和三个23AMP接插件。

4 电控系统原理图

5 PLCHMI

调速-档位操纵杆

调速-档位操纵杆选用SEK系列,适用于矿山机械、船用机械、工程机械,如图6所示。操纵杆具有以下特点:

操纵杆集成调速信号和换档信号,减少操作复杂性,节省安装空间;

操纵杆金属结构安全可靠,系统按IP65 等级设计,防尘防水方面表现突出;

操纵杆配备模块化电路输出,性价比高;

操纵杆人性化设计,手柄握持感强,操作方便;

操纵杆带中心零位锁定,防止误操作;

操纵杆采用摩擦定位,手动复位,便于实现定速巡航控制。

6 集调速和换档功能为一体的操纵杆

HMI

人机界面HMI选用上海鸿昶7CAN总线可编程触摸屏,CAN总线口支持CAN2.0标准的所有CAN通讯协议,包括主流的CANopenJ1939协议,在工程机械、特种车辆等领域大量的应用。HMI主要技术参数如下:

操作系统:      WINCE组态软件

显示尺寸:      7 寸真彩TFT152.0W×91.0Hcm

分辨率:          800×480

通讯端口:      COM1RS232/RS422/RS485/CANCOM2RS232C/RS485

工作温度:      -1060

工作湿度:      1090RH(无冷凝)

防震度:          10 25 HzXYZ 方向2G/30min

防护等级:      IP65(面板)

电控系统

电控系统通过软件实现电传动系统的数据采集处理、控制算法逻辑分析、控制信号输出、总线数据通信等功能。软件由PLC主控制程序和显示器程序两部分组成,实现压路机的推进和电制动转矩控制、定速巡航、以及车辆状态显示/报警等人机交互功能。

主控制程序

主控制程序装载于PLC中,按功能模块编程,主要模块包括:输入端口数据采集处理模块、推进控制功能模块、信息分析处理模块、故障诊断模块、显示器数据处理模块、数据通信模块、信号输出端口控制模块。

主控制程序的功能为,装载控制软件程序,实时检测输入端口的指令信号,在满足功能条件后,启动相应功能模块的控制程序,通过逻辑运算输出信号控制执行元件工作,实现推进、电制动、状态显示等功能。PLC的数据显示功能模块接收牵引变流柜和发动机的数据进行分析处理,并传输到显示器进行显示,故障信息可进行声光报警,以提示驾驶人员。

显示器程序

显示器程序包括画面制作和数据组态两部分。显示器画面制作分为开机欢迎屏、主显示屏、状态监控和报警屏,画面显示内容为压路机工作状态的数据监控和报警,包括电传动系统、电控系统、以及发动机的实时工作状态,并对故障信息进行声光报警和提示。显示和报警功能由PLCHMI共同实现,主要包括:工作状态显示,故障信息记录和报警,人机交互操作。工作状态显示主要对发动机、电传动系统进行监控。

 

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