李保生 杜貴平

（1.永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司 2.華南理工大學(xué)）

應(yīng)用于礦用電機(jī)車的新型交流牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

李保生1杜貴平2

（1.永濟(jì)新時(shí)速電機(jī)電器有限責(zé)任公司 2.華南理工大學(xué)）

針對(duì)架線式礦用電機(jī)車負(fù)載變化頻繁、供電波動(dòng)較大、工作環(huán)境惡劣等具體工程實(shí)際問題，提出了具有最大轉(zhuǎn)矩輸出能力的改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制方法及重載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償和母線電壓補(bǔ)償措施，研制了DC550V/ 300KW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在啟動(dòng)和拖動(dòng)過程均具有較大的轉(zhuǎn)矩輸出能力和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，提高了牽引性能和系統(tǒng)的可靠性。

礦用電機(jī)車；最大轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)差頻率

1 引言

架線式窄軌電機(jī)車是廣泛應(yīng)用于地下鐵道及工礦挖掘工程等領(lǐng)域的重要牽引動(dòng)力設(shè)備，經(jīng)常面臨負(fù)載變化頻繁、供電波動(dòng)較大、工作環(huán)境惡劣(振動(dòng)、潮濕、腐蝕等)等具體工程實(shí)際問題，針對(duì)上述問題及需求，綜合考慮目前交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主流控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)[1～5]，兼顧工程實(shí)用性和技術(shù)先進(jìn)性，研究并提出了具有較大轉(zhuǎn)矩輸出的改進(jìn)型轉(zhuǎn)差頻率控制方法以及母線電壓補(bǔ)償及重載轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償措施，設(shè)計(jì)了工程樣機(jī)，并開展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由功率電路、系統(tǒng)控制電路、保護(hù)電路三部分構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體框圖

主功率電路主要由浪涌抑制環(huán)節(jié)、直流側(cè)濾波電容、制動(dòng)模塊、三相逆變橋及緩沖吸收電路組成。架線直流電壓經(jīng)濾波后，由控制電路通過脈寬調(diào)制信號(hào)控制三相逆變橋的功率管工作輸出正玄電流，拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；浪涌抑制環(huán)節(jié)防止開機(jī)浪涌沖擊，制動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)車的有效制動(dòng)，緩沖吸收電路用來減小功率開關(guān)管的電應(yīng)力，保證逆變橋穩(wěn)定工作。

系統(tǒng)控制電路由輔助電源電路、數(shù)字控制電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。輔助電源電路將架線電壓經(jīng)濾波、穩(wěn)壓、分壓、高頻變換、變壓器處理等環(huán)節(jié)為控制電路提供各等級(jí)的直流電源；數(shù)字控制電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的綜合分析、控制算法和用戶界面的設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)六管電路IGBT器件的驅(qū)動(dòng)處理。

保護(hù)監(jiān)測包括電流、電壓、溫度保護(hù)電路。電流保護(hù)電路是對(duì)電機(jī)定子電流的檢測保護(hù)電路；電壓保護(hù)電路是指對(duì)直流側(cè)電壓的檢測、保護(hù)并進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償；溫度保護(hù)電路是對(duì)變頻器底座溫度的檢測保護(hù)，避免過熱引起變頻器異常。

3 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率控制策略

窄軌電機(jī)車通常運(yùn)行路面不平坦，負(fù)載較重，除了要求具有良好的動(dòng)態(tài)性能和調(diào)速特性以外，還要求機(jī)車能夠應(yīng)對(duì)重載情況，并具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。異步電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與頻率有關(guān)，起動(dòng)時(shí)，一般轉(zhuǎn)速較低，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與頻率并非簡單的單調(diào)遞增或遞減關(guān)系。為了得到最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的探討：

異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩與電壓、轉(zhuǎn)差率、頻率間的關(guān)系[6]：

K為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，代入相關(guān)參量可得：

可得轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差頻率的關(guān)系如下：

其中，Ks是依賴于電機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，在磁通恒定時(shí)為常數(shù)。在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差頻率sω很小。

異步電機(jī)起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)差率s=1，此時(shí)sω=ω，將此關(guān)系代入式（1），可得到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與頻率的函數(shù)關(guān)系式：

將上式對(duì)頻率求導(dǎo)等于零，可得到最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的頻率，即：

因此，當(dāng)sω滿足下式（4）關(guān)系時(shí)，電機(jī)具有最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，記此時(shí)的轉(zhuǎn)差頻率為ωmax。

進(jìn)一步研究，可以發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行過程中保證上式成立，可得到最大輸出轉(zhuǎn)矩。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率法限制了因而傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率法不具備最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為了消除PI參數(shù)的影響，同時(shí)得到最大轉(zhuǎn)矩，在本文的算法中，不再引入PI調(diào)節(jié)器。最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法的控制規(guī)律簡要如以下公式表示：

其中ωref表示參考角速度，2ω表示實(shí)測轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)角速度；ωmax表示最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)差角頻率。

在電機(jī)啟動(dòng)瞬間，反饋轉(zhuǎn)速為零，此時(shí)根據(jù)式（4），得到的轉(zhuǎn)差頻率對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩，保證最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。而在運(yùn)行過程中也保持對(duì)轉(zhuǎn)差頻率的控制，因此系統(tǒng)具備最大輸出轉(zhuǎn)矩功能。

與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率法相比，本控制策略無須PI調(diào)節(jié)，而是根據(jù)式（5）進(jìn)行簡單的運(yùn)算得到對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)差頻率。同時(shí)，利用恒壓頻比方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法的電流-轉(zhuǎn)差頻率曲線，便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

本文提出的方法在機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)具有最大的輸出轉(zhuǎn)矩，在重載時(shí)也通過調(diào)整電壓補(bǔ)償轉(zhuǎn)矩，使整個(gè)控制過程保持較大的輸出轉(zhuǎn)矩，不僅適應(yīng)機(jī)車運(yùn)行的實(shí)際情況，且修正了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率法的不足，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。

4 仿真及實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法的大轉(zhuǎn)矩輸出特性，利用MATLAB/SIMULINK構(gòu)建了系統(tǒng)的控制模型，見圖2。

圖2 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法Simulink仿真框圖

圖3為最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法與開環(huán)恒壓頻比方法的人為特性仿真曲線，參考轉(zhuǎn)速3000r/min。

圖3反映了調(diào)速過程中，轉(zhuǎn)矩的變化情況。由圖可明顯看出，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率方法具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，且在調(diào)速過程中始終保持最大的轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩的變化較為平整。雖然以上最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法比較的對(duì)象是開環(huán)恒壓頻比方法，但其結(jié)果適用于最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率法的比較。另外，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率方法相比，最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率方法還有無需調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，移植性好等特點(diǎn)。

圖3 最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法與開環(huán)恒壓頻比方法調(diào)速過程轉(zhuǎn)矩變化比較圖

基于以上算法，實(shí)際研制了DC550V/300kW工礦用電機(jī)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（見圖1），并進(jìn)行了現(xiàn)場模擬試驗(yàn)，閉環(huán)模式下設(shè)定參考頻率為50Hz，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)定子電流波形如圖4。由圖中可以看出，此時(shí)輸出電流具有良好的正弦特性。

圖4 閉環(huán)模式參考頻率50Hz定子電流波形

圖5 閉環(huán)模式下電機(jī)升速過程定子電流波形

為了驗(yàn)證本文控制算法調(diào)速過程平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩沖擊小等特點(diǎn)，我們觀察了電機(jī)升速的電流波形，見圖5。從圖中可看出升降速過程較快，且過程中轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定（表現(xiàn)為電流幅值變化穩(wěn)定），不存在轉(zhuǎn)矩沖擊（電流幅值不存在突變）。

5 結(jié)論

針對(duì)機(jī)車要求較大轉(zhuǎn)矩、運(yùn)行環(huán)境惡劣等情況，本文從最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩推導(dǎo)出發(fā)，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)差頻率法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，提出最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)差頻率法。理論研究及仿真試驗(yàn)表明該方法具有更優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩輸出特性。結(jié)合提出的算法和轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償?shù)却胧?，已開發(fā)了集成于數(shù)字系統(tǒng)的電機(jī)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并通過了實(shí)踐驗(yàn)證，表明基于本文方法的控制器具有較高的轉(zhuǎn)矩輸出，且調(diào)速過程平滑，電流正弦特性好，具有低壓時(shí)低速平滑運(yùn)行的性能。具有較大的工程實(shí)用價(jià)值。

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A Novel AC Drive System For Electric Mine Locomotive

Li Baosheng1Du Guiping2
(1. Yongji Xinshisu Electric Equipment Co., Ltd. 2.South China University of Technology)

The load and volatile electricity of mining locomotives is frequently changes with poor working conditions. A maximum-torque slip frequency control method with maximum torque output and overload torque compensation and bus voltage compensation measures is proposed. A DC550V/ 300KW experimental prototype is developed. The simulation and experiment tets show that the drive system in the process of start-up and speeding with heavy loads has stable torque control effect and good dynamic response. The traction performance and reliability of the system is improved.

Electric Mine Locomotive; Maximum Torque; Slip Frequency

李保生，男，1967年生，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向：工礦電機(jī)車研究設(shè)計(jì)。