郝存

摘要：目前我礦架線電機車全部進行了載波變頻調(diào)速改造，使用效果良好，節(jié)能環(huán)保且起動調(diào)速平穩(wěn)；針對目前礦用直流架線式電機車在調(diào)速過程中采用直流電動機方式而浪費大量電能的問題，可能過載波變頻調(diào)速技術(shù)啟動電機的方式來改變架線式電機車直流電動機直接起動的弊端，逆變器采用電壓空間矢量控制方式，利用單片機生成波，優(yōu)化了系統(tǒng)的調(diào)速性能；就載波變頻調(diào)速技術(shù)進行原理分析。

關(guān)鍵詞：煤礦架線式電機車載波變頻調(diào)速

0 引言

目前，在煤礦企業(yè)中，架線式電機車的牽引動力源主要是直流電動機。為了達到限流以及獲取啟動和制動平穩(wěn)的目的，通過采用恒定的直流電源對直流電動機機車進行供電。借助電阻直接控制啟動調(diào)速和制動，沒有取得預期的效果，并且耗電量比較大，容易損壞控制設(shè)備，出現(xiàn)經(jīng)常性地對控制設(shè)備進行維修。如果將變頻調(diào)速器應用到電機車中，在一定程度上保證了機車運行的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了機車無級調(diào)速和再生制動，降低了能耗，提升了機車的變頻調(diào)速性能，擴大了調(diào)速范圍，而且其使用期限比較長，維護維修更為便捷。

1 變頻調(diào)速的方法

1.1 交-交直接變頻

通常情況下，交一交直接變頻范圍比較窄，主要應用在大功率低速設(shè)備中。

1.2 交-直-交變頻

通過整流將交流變成直流，然后直流經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變成交流。在直流到交流的逆變環(huán)節(jié)，利用逆變器件的導通頻率，獲得不同頻率的交流電，并且該交流電不受變頻范圍的制約，其工頻甚至可以達到200%。因此，交—直—交的變頻方法在電機車上容易推廣和使用。當前，運行的供電系統(tǒng)基本可以進行整流處理，具備整流的功能，在架空供電系統(tǒng)中，使用單項直流電與使用三相交流電相比，前者更容易在機車上安裝逆變設(shè)施，借助逆變設(shè)施將架空電網(wǎng)上的直流電轉(zhuǎn)變成頻率可調(diào)的三相交流電。因而，直流電動機具有取代三相異步交流電動機的趨勢。實踐證明通過對電源頻率進行改變，電機車的行駛速度可以進行不斷地調(diào)整。

2 控制逆變器

2.1 SVPWM的控制原理

三相正弦電流通過輸入異步電動機，進而在空間產(chǎn)生了旋轉(zhuǎn)磁場，獲得電磁轉(zhuǎn)矩。把逆變器和異步電動機視為統(tǒng)一的整體，在一定程度上，借助旋轉(zhuǎn)磁場對電壓進行控制，借助電壓空間矢量相加獲得磁鏈的軌跡，完成對電壓空間矢量脈寬的調(diào)制，同傳統(tǒng)的控制方法相比，SVPWM的控制方法具有直流電壓利用率高、控制方便、能耗小、便于數(shù)字化管理等優(yōu)點。因此，脈寬調(diào)制PWM控制技術(shù)在交流異步電動機調(diào)速方面得到推廣和使用，進而帶動高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)的廣泛使用。

2.2 SVPWM調(diào)制的實現(xiàn)

2.2.1 SVPWM波的實現(xiàn)

本文的微機控制是借助等效面積法實現(xiàn)的。等效面積法是指把一個正弦半波進行N等分，并且用相同面積的等高矩形脈沖取代每一等分的正弦曲線與橫軸組成的圖形面積，正弦波的等分中點與矩形脈沖的中點保持彼此之間的重合，通過進行上述處理，將正弦半波由N個等幅而不等寬的矩形脈沖構(gòu)成的波形進行取代處理，通過利用數(shù)學方法進行計算得到，脈沖波形的寬和開關(guān)。

如圖S1正弦波面積為：S1則有

S1=M×Us■sin?覣tdt

=■×Uscos?覣t-cos?覣t+ΔtI

式中M 為調(diào)制深度；Us為直流電源電壓

對應圖1中脈沖面積：S2=δk×■

將正弦信號的正半周進行N等分，則每份為π/N弧度，由圖1可知脈沖高度為Us/2，設(shè)脈沖寬度為δk，則第K份正弦波面積與對應的第K個SPWM脈沖面積相等，解得：δk=■×cos■π-cos■π

=■×cos■π-cos■π

IGBT開啟時刻：

Ton=■×Δt-δk=■×■-δk

IGBB關(guān)斷時刻：

Toff=■×Δt-δk=■×■+δk

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2.2.2 控制規(guī)律

一般情況下，利用固定功率控制高頻段F≥50Hz和低頻段F≤10Hz的情況，在一定程度上擴大調(diào)速范圍，采用恒轉(zhuǎn)矩對中頻段進行控制。通過采用分段同步調(diào)制的方法對系統(tǒng)進行處理，輸出的波形在對稱性方面比較好，并且諧波分量比較小，通常情況下，對于整個變頻開關(guān)頻率來說不會發(fā)生很大的變化，因此每個頻段的載波比N是一個固定值，當頻段不同時載波比N也會有所差異。通過查表方式確定余弦，進而使得計算更加方便快捷。在360°范圍內(nèi)余弦三角函數(shù)每隔0.1°就有一個余弦值與之相對應，通常情況下該余弦值由16位的二進制表示，其中符號位用最高位表示，后15位表示數(shù)值，在EPROM中預先存入整個余弦函數(shù)表，占用了8kb的寄存器。通常情況下，N值常設(shè)為3的整數(shù)倍，保證三相互差120°。

3 電機車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)

在礦用架線式電機車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，AVR單片機是整個系統(tǒng)的核心，其系統(tǒng)組成為：主電路、控制電路、延時驅(qū)動電路、鍵盤顯示電路。AT90系列單片機能夠滿足多種需要，具有較高的靈活性，并且成本比較低等優(yōu)勢，是一種高效的微控制器。本文所介紹的系統(tǒng)框圖如圖2所示，系統(tǒng)采用的SRAM內(nèi)存為512B，3路PWM通道，8路10位A/D，經(jīng)分相與開通延時電路將AT90LS8535輸出的三相脈寬調(diào)制SPWM波分為6路輸出，自動完成鍵盤掃描和LED掃描并顯示輸出。

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4 設(shè)計系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件涉及到主程序、外部中斷服務子程序、T/C0中斷服務子程序、鍵盤顯示子程序等，通過模塊化的設(shè)計思想對系統(tǒng)軟件進行開發(fā)和設(shè)計。

主程序的主要任務是利用逆變器的輸出頻率，對載波比N、載波周期定時常數(shù)T、脈沖寬度δK進行計算。圖3為主程序流程圖，圖4為中斷程序流程圖。

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5 結(jié)論

通過在礦用架線式電機車中使用載波變頻調(diào)速控制系統(tǒng)。在一定程度上提高了礦用架線式電機車啟動運行時的平穩(wěn)性，并且從根本上實現(xiàn)礦用架線式電機車的無級調(diào)速以及再生制動等功能，降低了能量損耗，調(diào)速范圍也大大拓寬、靜態(tài)穩(wěn)定性比較良好。通過在礦用架線式電機車中使用SVPWM控制方式對逆變器進行處理，其輸出的線電壓的最大值為直流的側(cè)電壓，因此，變頻調(diào)速方案在礦用架線式電機車上得到廣泛推廣和使用。

參考文獻：

[1]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版，1998.

[3]耿德根，宋建國，馬潮等.AVR高速嵌入式單片機原理及應用[M].北京：北京航天航空大學出版社，2001.