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重型矿用电动轮汽车电气控制系统的改造升级

发表时间：2020/12/23 来源：《基层建设》2020年第24期作者：刘宇民谷阳

[导读] 摘要：电气控制系统作为发动机的关键组成部分，能够将蓄电池的电能转换成驱动发动机运转的机械能。

        内蒙古霍林河露天煤业股份有限公司北露天煤矿内蒙古通辽 029200
        摘要：电气控制系统作为发动机的关键组成部分，能够将蓄电池的电能转换成驱动发动机运转的机械能。汽车电气控制系统由电气控制机及其控制电路组成，本文在详述汽车电气控制系统的结构与控制原理的基础上，解析汽车电气控制系统故障诊断与维修方法，对职业院校教师从事汽车电气设备系统教学或汽车维修人员从事电气控制系统维修具有理论与应用价值。为了提高矿用电动轮汽车运行效率、降低维修费用、提高运输产量，针对我国大型露天矿山矿用电动轮自卸车使用现状，对电动轮自卸车电气控制系统进行了研究，提出了电动轮自卸车的改造方案。实践结果表明，改造升级后的电气控制系统可极大提升电动轮汽车的可靠性和稳定性，降低故障率和使用成本，为大型矿山创造更好的经济效益。
        关键词：电动轮自卸车；直流静态励磁系统；轮马达
        引言
        自1963年由美国Unit-Rig公司和GE公司合作研制出世界上第一台装载质量为77t矿用电动轮自卸车以来，已形成了以美国小松德莱赛、尤克里德、尤尼特一里格等为代表的矿用电动轮自卸车生产企业，其标准装载质量已从77t提升到目前最大的320t，并具有108，120，154，170，190，220，280t等多个系列，在年采剥量千万吨级以上大型露天矿山的运输设备中，矿用电动轮自卸车已占用2/3的市场，成为开采的主要运输设备。重型矿用电动轮自卸车在我国大型露天矿山的使用始于1970年代中期，到目前为止使用单位已达到数十个，主要分布在煤炭、冶金等行业，总购车量达到1000台，其装载质量主要为108，154，190，220，320t。目前矿山使用的电动轮自卸车以进口的190，220t为主。南芬露天矿在1980年代末至1990年代末引进的电动轮自卸车，虽已达到了报废年限，但由于资金原因至今仍然在使用。由于电动轮自卸车使用年限过长、控制系统老旧等原因，造成运行成本过高，出勤率低、可靠性和稳定性差等不利影响。因此，提升电动轮自卸车作业效率，降低运营费用成为南芬矿亟待解决的事项，而其控制系统的改造，由于无需更换任何主回路部件和机械结构，就能极大地提升其可靠性和稳定性，尤其是发动机、主发电机、轮马达等大总成件使用寿命，降低故障率和使用成本，几乎是唯一的选择。汽车一般由机械系统和电子系统两部分构成，其中电子系统作为整车的程序化控制的核心组成部分，对汽车性能有着至关重要的影响。本文首先介绍了汽车电控系统的组成，然后分析了汽车电控系统开发的难点，最后对汽车电控系统关键技术进行了研究，以期为汽车智能化设计提供参考。
        1电气控制系统的发展历程
        1960年代美国GE公司开始研发矿用电动轮自卸车电气控制系统，目前为全世界的电动轮汽车生产厂家配套电控系统占有率达90%以上，技术成熟，应用广泛。控制系统已是第四代。第一代系统为E型励磁系统statex，采用磁放大器等分离器件，作为一种开环系统，其控制精度、稳定性和可靠性都存在一定的缺陷，已基本淘汰；第二代系统为GE公司的statexII静态励磁系统，采用了模拟乘法器等集成电路，大规模应用了无触点的逻辑控制系统，作为一种比例积分静态无差恒功率闭环控制系统，其控制精度、稳定性和可靠性都得到了一定的改善和提高，引进的154t电动轮自卸车均采用此系统；1990年代后期，美国GE公司研发了第三代的智能电脑控制系统statexIII，并已大量推广使用，由于极大地简化了过去相对庞大的硬件电路，极大地提高了控制精度、稳定性和可靠性，以及各项功能指标。目前国内新引进的电动轮自卸车基本采用此系统。前三代系统均采用直流调速的模式，而第四代系统则采用了交流IGBT变频技术，从2000年以后开始部分装备大吨位的矿用电动轮自卸车，技术上属于世界先进水平。
        GE公司的statex直流静态励磁系统在经历了多次的升级后，目前市场上广泛使用的是statexIII系统和少量的statexII系统。2statexII系统和statexIII系统的区别statexII系统由FL191励磁盘和FL236逻辑盘两套盘，33块板组成（加装扩展电制动组件后，板数量提升至35块），用于电动轮汽车励磁控制和逻辑控制。

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而statexIII型微机控制系统仅用5块插件板就能够完成励磁控制、逻辑控制、系统保护、故障显示和信息存储等全部功能，且仅通过修改控制软件配置文件就可加装扩展电制动。statexII系统采用传统的固定逻辑控制电路（FL236盘），逻辑控制关系固定；逻辑信号可接电平检测；逻辑关系可直接从FL236盘各插件板上分析。而statexIII系统采用计算机通过软件进行总线集中控制，CPU根据各种系统反馈信号和总机给定条件进行逻辑判断参数计算，以决定实际工况，总线和接口上的逻辑信号和数据信号是随时段（地址数据访问）而变化的，只能用波形图和时序分析方法进行，提供了故障诊断功能，可根据两位数显盘代码用PTU来查找诊断故障和检测参数和数据。
        2控制系统升级的优越性
        （1）减少电气故障，节省运行费用。statexIII控制系统作为电控制系统的检测核心，由微机控制通过软件计算来提供车辆牵引制动基准信号，使车辆具有高恒功精度，理想的静态和动态特性，避免了statexII型通过电位计调节设定静动态特性产生的漂移现象，使直流牵引电动机始终处于良好的工况。statexIII控制系统还能提供限流、限压、防误反向、弱磁控制、牵引切除、自动控制、自动制动、扩展制动等速度控制信号，以及接地保护、电动轮转子超速保护、过流、堵转等保护功能，减少电气系统故障，避免了环火、短路等故障的出现，延长了电机的使用寿命。
        （2）提高对车辆电气故障检修的指导作用。statexIII控制系统具有故障自动跟踪记录、诊断功能，实现对系统运行参数和实际数据的实时监测和记录，进行操作参数的历史数据统计报表，维修人员可以根据系统提供的故障代码进行电气故障的诊断和排除，减少了故障排除的范围，缩短了检修时间。另外管理人员可以查阅历史数据分析发生故障原因或故障征兆，及时处理，合理安排点检定修工作。
        （3）系统故障率更低。相比statexII系统，statexIII系统仅有5块板，减少了28块板，采用集成芯片设计，避免了零漂移，提升信号输入和输出稳定性，大幅度降低接触不良、数据不稳等故障现象，本身故障率可降低80%以上。
        （4）经济性。statexII系统和statexIII系统的隔离放大器、换向器、接触器等零部件全都通用，因此从II型升级到III型系统，只需要重制控制柜用FL275盘替换掉FL191励磁盘和FL236盘，重新布线即可，改造费用投资较小。
        （5）提高总成件耐用性。statexIII系统保护稳定齐全，对轮马达、主发电机和鼓风机等总成件的电压、电流信号调节控制更精准，改善电机运行环境，提高其使用寿命。
        电动轮自卸车直流牵引电动机价格高、运行环境差，在电动轮汽车检修费用中的占比大，据矿山统计，每台电动轮汽车的总成件检修成本占全车成本的70%以上，因此升级节省的直流牵引电动机维修远远大于改造投入的费用。从以上分析可以看出，statexIII静态励磁系统采用微机控制、监测和故障诊断技术，改善了汽车性能，缩短了技术故障造成的停车时间，减少检修和技术保养工时消耗，根据国外经验可使汽车运营费用节省25%，因此，将电动轮自卸车的statexII控制系统改造为statexIII控制系统非常必要且可行。
        3实践效果
        对电动轮汽车进行升级改造，效果相比较改造前，改造后的设备开动率提高6%，电气故障停机小时降低35%，电机总成件检修费用降低30%，设备运输产量提高16%。通过实践改造效果可知，设备改造创造的效益远远高于升级改造的费用，下一步将继续对其它电动汽车进行升级改造。
        参考文献：
        [1]北京ABB电气传动系统有限公司.ABB传动现代交流传动系统的轴承电流[R].2010.
        [2]戴文进，徐龙权，张景明.电机学[M].北京：清华大学出版社，2008.
        [3]胡明振，郭年琴.矿用电动轮汽车经济寿命影响因素分析与估算[J].矿山机械，2008，36（21）：60-63.