大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)式接觸器設(shè)計(jì)

郭俊義

(國(guó)家能源準(zhǔn)能集團(tuán)公司設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古自治區(qū) 鄂爾多斯 010300)

0 引言

我國(guó)擁有豐富的礦產(chǎn)資源，迄今為止已發(fā)現(xiàn)170多種礦產(chǎn)資源。其中，錫、銻、稀土、菱鎂礦等礦產(chǎn)資源儲(chǔ)藏量排名世界第一，礦產(chǎn)資源總量排名世界第二，我國(guó)已經(jīng)成為礦產(chǎn)資源大國(guó)。礦用自卸卡車(chē)是礦產(chǎn)資源開(kāi)采的重要交通工具，隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)采量的飛速提升，大型礦用自卸卡車(chē)得到大力推廣。目前準(zhǔn)能兩個(gè)露天煤礦就擁有220～350噸級(jí)的礦用自卸卡車(chē)180多臺(tái)。

大型礦用自卸卡車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)使用的接觸器為機(jī)械式接觸器。機(jī)械式接觸器開(kāi)關(guān)流通電流能力大、裝置簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)在于其機(jī)械動(dòng)作會(huì)引起電壓和電流的大幅度抖動(dòng)及拉弧、燒毀觸點(diǎn)的故障[1]。相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對(duì)接觸器展開(kāi)了研究。趙升等[2]設(shè)計(jì)了電磁-永磁復(fù)合型接觸器結(jié)構(gòu)，將電磁、永磁以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行整合計(jì)算，通過(guò)計(jì)算參數(shù)獲得電磁-永磁復(fù)合型接觸器控制電路的控制邏輯，完成電磁-永磁復(fù)合型接觸器的設(shè)計(jì)，該接觸器提高了效率和精度，但沒(méi)有解決壽命短的問(wèn)題。方朝林等[3]提出了基于混合換流技術(shù)的接觸器無(wú)弧控制策略，將強(qiáng)迫過(guò)零和自然換流的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行融合，結(jié)合新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)理論分析實(shí)現(xiàn)接觸器無(wú)弧控制，該方法可以有效提升機(jī)械運(yùn)行壽命，但沒(méi)有解決維護(hù)成本高的問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)接觸器。

1 大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)式接觸器工作原理

大型礦用自卸卡車(chē)RP1/RP2制動(dòng)接觸器工作原理：司機(jī)踩下動(dòng)態(tài)制動(dòng)踏板(動(dòng)態(tài)手柄)—制動(dòng)接觸器吸合—卡車(chē)運(yùn)行中的機(jī)械能通過(guò)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)化為直流電輸入電阻柵—電阻柵風(fēng)機(jī)導(dǎo)通給電阻柵散熱[4]。通過(guò)能量守恒定律得出：礦用卡車(chē)動(dòng)態(tài)制動(dòng)能量變化為礦用卡車(chē)運(yùn)行的機(jī)械能—電能—熱能，最后通過(guò)電阻柵風(fēng)機(jī)將熱能吹入空氣，礦用重型卡車(chē)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)工作電路如圖1所示。

根據(jù)圖1可以看出，DCP為直流母線正極，DCN為直流母線負(fù)極，VAM3是電壓衰減模塊(變比為200∶1)，主要監(jiān)測(cè)直流母線兩側(cè)電壓是否正常。

圖1 礦用重型卡車(chē)動(dòng)態(tài)制動(dòng)工作電路圖

FDR、GRR分別是濾波放電電阻、接地故障電阻。當(dāng)?shù)V用重型卡車(chē)直流母線出現(xiàn)接地，接地電流>641mA時(shí)，會(huì)報(bào)出接地故障代碼，根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)判斷是直流母線正極或負(fù)極接地。

BM1、BM2、BM11、BM21分別代表1號(hào)、2號(hào)電阻柵風(fēng)機(jī)以及1號(hào)、2號(hào)電阻柵電流互感器。

RP1、RP2為礦用重型卡車(chē)制動(dòng)回路控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)RP1、RP2接觸器吸合時(shí)制動(dòng)回路接通，礦用重型卡車(chē)動(dòng)態(tài)制動(dòng)回路接通，無(wú)觸點(diǎn)式接觸器主要用于取代RP1、RP2接觸器。

2 大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)接觸器整體組成

大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)接觸器整體組成包括控制單元、散熱單元、IGBT單元、安裝座4個(gè)部分，無(wú)觸點(diǎn)式接觸器模塊如圖2所示。

圖2 無(wú)觸點(diǎn)式接觸器模塊

控制單元主要包括主控制器、4G模塊；散熱單元包括冷卻風(fēng)扇、散熱器；IGBT單元包括IGBT、驅(qū)動(dòng)板、復(fù)合母排[5]。

3 大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)式接觸器控制單元設(shè)計(jì)

無(wú)觸點(diǎn)式接觸器控制單元主要包括主控制器、4G模塊。主控制器主要用于實(shí)現(xiàn)邏輯控制；4G模塊主要用于向云端服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。

3.1 主控制器硬件設(shè)計(jì)

控制板核心控制器為STM32F405VGT6，芯片采用ARMCortex-M4內(nèi)核1兆字節(jié)的Flash，168MHz的CPU，滿足控制要求。CPLD選用EPM507T100I5N，其功耗低、可靠性高。

采用控制板集成8路數(shù)字量I/O通道，實(shí)現(xiàn)數(shù)字量信號(hào)的輸入和輸出，使用4路模擬量通道，實(shí)現(xiàn)電壓和電流信號(hào)的采集；兩路PT100溫度采集信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)散熱器溫度；1路CAN通道；1路串口通道。控制板還安裝了4個(gè)歐姆龍的繼電器，模擬接觸器的常開(kāi)、常閉觸點(diǎn)。主控制器硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 主控制器硬件設(shè)計(jì)

3.2 主控制器軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字量I/O通道，采集整車(chē)微機(jī)控制器發(fā)出的吸合信號(hào)。電流傳感器信號(hào)通過(guò)模擬通道輸入控制器。當(dāng)控制器收到吸合信號(hào)，且電流、溫度無(wú)異常時(shí)，利用光纖將PWM脈沖信號(hào)輸送至IGBT驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為動(dòng)作的反饋信號(hào)，再利用光纖傳送至控制板，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT的工作狀態(tài)。

3.3 4G模塊硬件設(shè)計(jì)

4G控制板的結(jié)構(gòu)由上層控制板和下層控制板組成，上層控制板主要由4G卡槽、1路串口通道構(gòu)成。下層控制板集成STM32F405VGT6控制芯片、SD槽；1路CAN通道。

3.4 4G模塊軟件設(shè)計(jì)

采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)控制板CAN端口傳輸?shù)?G芯片，由4G芯片將信息發(fā)送到云端服務(wù)器，用戶可以從客戶端直接登錄云端服務(wù)器讀取車(chē)輛運(yùn)行信息。在4G信號(hào)較弱的環(huán)境下信號(hào)會(huì)存儲(chǔ)到板載的SD卡中，確保所有信息不會(huì)丟失，當(dāng)4G信號(hào)恢復(fù)時(shí)，軟件會(huì)檢索SD卡中的信息和云端服務(wù)器信息，及時(shí)將未發(fā)送到云端服務(wù)器的信息發(fā)送上去。

4 大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)接觸器散熱單元設(shè)計(jì)

無(wú)觸點(diǎn)接觸器散熱單元包括冷卻風(fēng)扇、散熱器。由于無(wú)觸點(diǎn)接觸器需要安裝在電器柜內(nèi)，需在電器柜側(cè)門(mén)上加裝進(jìn)風(fēng)口，在電器柜頂蓋上加裝出風(fēng)口。風(fēng)自側(cè)門(mén)進(jìn)入，流經(jīng)風(fēng)扇、散熱片，最后從頂蓋的出風(fēng)口排到外界，使電器與外界實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，防止電器內(nèi)部熱量過(guò)高。改造后的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示。

圖4 改造后電器柜側(cè)門(mén)、頂蓋

圖5 改造后頂蓋出風(fēng)口

由于IGBT功率模塊采用強(qiáng)制性風(fēng)冷散熱設(shè)計(jì)，對(duì)散熱器設(shè)計(jì)及選材極其嚴(yán)格，不僅要保證散熱器的散熱能力，也要保證散熱器具備耐絕緣、耐高溫、耐高壓能力，除此之外散熱器還要抗振動(dòng)、沖擊能力強(qiáng)，以滿足礦用自卸卡車(chē)工況要求。

針對(duì)散熱器的抗震動(dòng)、沖擊能力進(jìn)行仿真，并對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6-圖8所示。

圖6 應(yīng)力示意圖

圖7 應(yīng)力位移示意圖

圖8 應(yīng)力應(yīng)變示意圖

通過(guò)分析圖6、圖7及圖8可知，散熱片材質(zhì)為6063鋁合金。鑒于使用環(huán)境簡(jiǎn)化受力，于安裝座頂部施加640N·m轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析。其最大值位置的應(yīng)力值為14.49MPa，位移量為0.015mm，應(yīng)變?yōu)?.355×10-4，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，且在允許變形量范圍內(nèi)。

風(fēng)扇型號(hào)為D5920N-05W-B75供電電壓24V 。風(fēng)扇風(fēng)量-風(fēng)壓特性如圖9所示。

圖9 風(fēng)扇風(fēng)量-風(fēng)壓特性

分析圖9曲線可知，當(dāng)靜壓為0.0 Pa(0.0 mmH2O)時(shí)，風(fēng)量為8.96 m3/min(320.0CFM)；隨著靜壓的增大風(fēng)量逐漸減小，當(dāng)靜壓為235.2 Pa(24.0mmH2O)時(shí)，風(fēng)量為0.0 m3/min(0.0 CFM)。即風(fēng)扇的最大風(fēng)量為320.0 CFM，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 大型礦用自卸卡車(chē)無(wú)觸點(diǎn)接觸器IGBT單元設(shè)計(jì)

IGBT的全稱為絕緣柵雙極型晶體管，是MOSFET和BJT的組合體，既有MOSFET的柵極電壓控制晶體管(高輸入阻抗)，又有BJT的雙載流子達(dá)到大電流(低導(dǎo)通壓降)，使IGBT的驅(qū)動(dòng)功率小、飽和壓降低。在直流電壓為600V及以上的變流系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用[6]。本項(xiàng)目選用ABB 公司IGBT模塊，其最大耐壓等級(jí)≥3300V，最大通過(guò)電流≥1500A。IGBT模塊如圖10所示。

圖10 IGBT模塊

驅(qū)動(dòng)板應(yīng)具有良好的電子性能，確保光信號(hào)傳輸穩(wěn)定，有足夠輸出電隔離能力。還要確保IGBT保護(hù)功能的完整性，來(lái)保證IGBT的可靠工作[7]。本項(xiàng)目選用的驅(qū)動(dòng)板如圖11所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)板

低感母排通常用于高集成、低電感要求的回路中，主要結(jié)構(gòu)包括導(dǎo)電體、絕緣體、支撐構(gòu)件、連接螺栓，其阻抗低、抗干擾能力強(qiáng)、裝配簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)、風(fēng)力發(fā)電等方面。本文對(duì)低感母排的低阻抗特性研究，是功率模塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵。IGBT、驅(qū)動(dòng)板、復(fù)合母排的實(shí)際安裝結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 低感母排

6 結(jié)語(yǔ)

IGBT是MOSFET和BJT的組合體，擁有電壓高、電流大、頻率高、導(dǎo)通電阻小等特點(diǎn)，分?jǐn)鄷r(shí)不會(huì)導(dǎo)致電壓和電流的大幅度抖動(dòng)及拉弧、燒毀觸點(diǎn)的故障。IGBT無(wú)觸點(diǎn)接觸器使用壽命超過(guò)機(jī)械式接觸器壽命，并且可以降低維護(hù)頻率，從而有效減小了維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度。