礦用直流電機(jī)車斬波調(diào)速系統(tǒng)再生制動(dòng)研究?

馮高明,朱家豐

(河南理工大學(xué) 電氣自動(dòng)化學(xué)院, 河南 焦作市 454000)

0 引 言

礦用電機(jī)車作為地下礦的主要運(yùn)輸工具,在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用[1G2].而以直流電動(dòng)機(jī)作為牽引電機(jī)的電機(jī)車,目前仍在大量使用[3],這主要是由于直流電動(dòng)機(jī)具有技術(shù)成熟、調(diào)速性能好、制動(dòng)力矩大[4G5]等優(yōu)點(diǎn).而今變頻調(diào)速和PWM斬波調(diào)速是2個(gè)主要的研究方向.但變頻調(diào)速會(huì)使系統(tǒng)變得十分復(fù)雜、維修困難,因此以PWM斬波方式控制的電機(jī)車依然在實(shí)際使用中得到大家的青睞.

由于煤礦井下工作環(huán)境較為復(fù)雜,電機(jī)車在運(yùn)行時(shí)難免會(huì)進(jìn)行頻繁的制動(dòng),其制動(dòng)方式主要有機(jī)械制動(dòng)和電氣能耗制動(dòng)兩大類[6].機(jī)械制動(dòng)在制動(dòng)時(shí),存在閘瓦磨損的問題,對(duì)電機(jī)車的運(yùn)行造成安全隱患.電氣能耗制動(dòng)在制動(dòng)期間,電阻在短時(shí)間內(nèi)有大電流流過,產(chǎn)生很高的熱量,同樣不利于電機(jī)車的運(yùn)行[7].而上述2種制動(dòng)方式,存在的共同缺點(diǎn)是:能量都以熱量的形式消耗掉,造成能源的浪費(fèi).

本文研究了一種基于恒流控制的再生控制系統(tǒng),從再生制動(dòng)的原理和能量轉(zhuǎn)化兩個(gè)方面對(duì)電機(jī)車的制動(dòng)過程進(jìn)行了分析,建立了電機(jī)車再生制動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型,進(jìn)行仿真驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明,采用恒流制動(dòng)的電機(jī)車,在制動(dòng)時(shí),能夠有效實(shí)現(xiàn)能量的回收,并使制動(dòng)電流很好地跟隨給定電流的變化而變化,從而達(dá)到根據(jù)駕駛員意愿來控制制動(dòng)力矩大小的目的,令電機(jī)車駕駛員有良好的操縱感,保證電機(jī)車可靠制動(dòng).

1 再生制動(dòng)系統(tǒng)原理

再生制動(dòng)的原理是:當(dāng)電機(jī)車在制動(dòng)時(shí),其本身有很大的慣性能量,此時(shí)電機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài),實(shí)現(xiàn)能量的回收再利用.同時(shí),由電機(jī)產(chǎn)生的制動(dòng)力矩使電機(jī)車減速直至停止[8].電機(jī)車再生制動(dòng)系統(tǒng)的原理,如圖1所示.圖中U是蓄電池兩端的電壓,E是電機(jī)反電動(dòng)勢,R是電機(jī)電樞回路總電阻,L是電機(jī)電樞回路總電感,VT1~VT4是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT).制動(dòng)時(shí),電機(jī)在某一轉(zhuǎn)速下開始制動(dòng),VT1、VT4處于關(guān)斷狀態(tài),而對(duì)VT2、VT3進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制.當(dāng)VT2、VT3導(dǎo)通時(shí),制動(dòng)電流的方向?yàn)?蓄電池－VT3－電機(jī)－VT2－蓄電池,此時(shí),電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài),在電機(jī)反電勢和蓄電池電壓的作用下,對(duì)電感L進(jìn)行充電,電路中電流上升;當(dāng)VT2、VT3關(guān)斷時(shí),由于電樞電感的存在,電流無法突變,制動(dòng)電流的方向?yàn)?電機(jī)－VD1－蓄電池－VD4－電機(jī),此時(shí),電機(jī)處于給蓄電池充電狀態(tài),電路中電流下降.

圖1 再生制動(dòng)系統(tǒng)原理

通過上面分析可知,再生制動(dòng)電路是一個(gè)升壓斬波電路,其本質(zhì)是使電機(jī)反電動(dòng)勢大于電機(jī)兩端所加的電壓[9].

2 電機(jī)制動(dòng)過程分析

制動(dòng)時(shí),電機(jī)電樞兩端電壓和電樞電流波形如圖2所示.設(shè)在一個(gè)脈寬調(diào)制周期T中,VT2、VT3導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間為t1,占空比α＝t1/T.下面對(duì)再生制動(dòng)過程進(jìn)行分析.

圖2 電樞電壓和電流波形

2.1 制動(dòng)過程中的電路方程

在制動(dòng)時(shí)的一個(gè)PWM周期中,當(dāng)VT2、VT3導(dǎo)通時(shí),電機(jī)系統(tǒng)處于反接制動(dòng)狀態(tài).設(shè)此時(shí)電樞電流是ia1,電路方程為:

解上式,得:

由上式可以看出,ia1的絕對(duì)值在逐漸增大.

當(dāng)VT2、VT3關(guān)斷時(shí),電機(jī)系統(tǒng)處于充電狀態(tài).設(shè)此時(shí)電樞電流為ia2,電路方程為:

解上式,得:

由上式可以看出,ia2的絕對(duì)值在逐漸減小.

2.2 占空比和電機(jī)反電勢

由于采用恒流控制策略,因此制動(dòng)時(shí)電樞電流ia在某一恒值－IM上下波動(dòng)(如圖2所示).在每個(gè)PWM周期中,電機(jī)處于充電狀態(tài)的時(shí)間(即VT2、VT3關(guān)斷的時(shí)間)與電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間(即VT2、VT3導(dǎo)通的時(shí)間)之比等于對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)電流變化率(取絕對(duì)值)的反比.

將式(8)代入式(6),可得:

由式(8)可知,制動(dòng)時(shí)電機(jī)反電勢E隨著時(shí)間的增加而近似線性降低.由式(9)可以看出,制動(dòng)時(shí)占空比α隨著時(shí)間的增長而近似線性增長.

2.3 能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系

當(dāng)電機(jī)車處于反接制動(dòng)狀態(tài)時(shí),其動(dòng)能和電源輸出的能量一部分以電阻的熱能形式消耗掉,另一部分轉(zhuǎn)化為電樞電感的磁場能量儲(chǔ)存起來.此時(shí),由電源提供的能量Q1為:

當(dāng)電機(jī)車處于充電狀態(tài)時(shí),在電機(jī)的自感電動(dòng)勢和反電動(dòng)勢的共同作用下,產(chǎn)生回饋充電電流,其能量一部分儲(chǔ)存在蓄電池中,另一部分同樣以熱能的形式消耗在回路電阻中.此時(shí),電源吸收的能量Q2為:

在整個(gè)制動(dòng)過程中,若忽略功率器件的開關(guān)損耗,電機(jī)車的動(dòng)能除了一部分消耗在電阻上以外,其余全部以電能的形式回饋到蓄電池中.每個(gè)PWM周期中,回饋到蓄電池中的能量ΔQ為:

由式(2)可以看出,當(dāng)占空比α＞時(shí),回饋到蓄電池中的能量為負(fù);當(dāng)占空比α＜時(shí),回饋到蓄電池中的能量為正.

由于PWM波頻率很高,因此一個(gè)PWM斬波周期T可以看作為一個(gè)很小的微分量,則式(12)可以化為:

整個(gè)制動(dòng)過程中,回饋到蓄電池中的能量為:

將式(9)代入式(14),可得:

式中,E0＝Ceω0.解上式,可得:

由式(16)可以看出,回饋到蓄電池的能量Q是關(guān)于時(shí)間t的二次拋物線函數(shù).令＝0,可得,使回饋能量Q達(dá)到最大值時(shí),所對(duì)應(yīng)的t值為:

回饋能量的最大值為:

將式(17)代入式(9)可得,此時(shí)對(duì)應(yīng)的占空比為:

由式(18)可知,回饋到蓄電池的能量最大值Qmax與制動(dòng)電流IM有關(guān);由式(8)、式(9)和式(19)可以看出,當(dāng)回饋能量達(dá)到最大值時(shí),反電動(dòng)勢E的值與回路電阻的壓降IMR相同.當(dāng)占空比α＞時(shí),回饋到蓄電池的能量為負(fù)值,此時(shí)為了保持電樞制動(dòng)電流的恒定,蓄電池會(huì)對(duì)外釋放能量.

3 回饋制動(dòng)控制策略

在電機(jī)系統(tǒng)滿足安全制動(dòng)的前提下,考慮制動(dòng)能量回收最大化,文獻(xiàn)[9]提出了最大回饋效率制動(dòng)、最大回饋功率制動(dòng)、恒值電流制動(dòng)(即恒轉(zhuǎn)矩制動(dòng))3種方式.最大回饋功率制動(dòng)沒有考慮電池最大充電電流的限制,且電機(jī)轉(zhuǎn)速呈指數(shù)形式下降,不符合駕駛員的操作習(xí)慣;最大回饋效率制動(dòng)需要實(shí)時(shí)檢測車輛制動(dòng)時(shí)的阻力矩,且電機(jī)轉(zhuǎn)速呈拋物線形式下降,同樣不符合駕駛員的操作習(xí)慣;恒轉(zhuǎn)矩制動(dòng),以電樞電流為控制對(duì)象,控制方式簡單、易于實(shí)現(xiàn),且電機(jī)轉(zhuǎn)速呈線性下降,符合駕駛員的操作習(xí)慣,同時(shí)兼顧盡可能大的能量回收效率.

本文采用以電樞電流為控制對(duì)象的恒流控制策略,從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電流的恒定.在制動(dòng)過程中,使電樞電流緊緊跟隨給定電流的變化而變化,進(jìn)而調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的大小.采用該控制策略的優(yōu)點(diǎn)在于,制動(dòng)力矩的大小與制動(dòng)手柄的開度有著近似線性比的關(guān)系[10],且在制動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速以線性規(guī)律下降,能夠符合駕駛員的操作習(xí)慣,為大眾所接受.

在電路處于穩(wěn)態(tài)條件下,根據(jù)電樞電流脈動(dòng)上升值和下降值相等,建立再生制動(dòng)的線性化方程,設(shè)I為電機(jī)電樞電流平均值,可得:

解上式,可得:

式(22)中,Ib為一個(gè)周期內(nèi)回饋到蓄電池的電流值.由式(21)可知,恒值制動(dòng)電流的控制方程為:

4 再生制動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的正確性,根據(jù)升壓斬波的原理,結(jié)合電機(jī)的參數(shù),在MATLAB的仿真軟件中建立了對(duì)應(yīng)的仿真模型[11],如圖3所示.系統(tǒng)仿真模型選用2相Universal Bridge模塊,由雙極式控制電路(圖4所示)進(jìn)行驅(qū)動(dòng).在圖4中,由輸入信號(hào)和三角載波信號(hào)(幅值變化范圍－1－1)經(jīng)過4次比較,分別產(chǎn)生四路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào),使2相UniG versal Bridge模塊能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)角IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷.設(shè)置Step1的階躍時(shí)間為4 s、初值為1、終值為－1,做為Switch1模塊控制端口的控制條件.在制動(dòng)時(shí),通過Switch1模塊實(shí)現(xiàn)VT1、VT4管子脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比為零,從而關(guān)斷VT1、VT4功率管,并保持VT2、VT3處于開關(guān)狀態(tài).設(shè)置電池SOC初始值為80%,轉(zhuǎn)速控制器和電流控制器都選用PI調(diào)節(jié)器.電動(dòng)運(yùn)行時(shí)采用雙閉環(huán)控制策略,以達(dá)到更好的控制轉(zhuǎn)速的目的;回饋制動(dòng)運(yùn)行時(shí)采用恒流控制策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制.經(jīng)過計(jì)算,PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)如表1所示.

5 仿真結(jié)果分析

礦用電機(jī)車作為煤礦運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?由于工作的需要,比如巷道的坡度變化、滿載時(shí)遇到障礙物時(shí)減速、接送工作人員上下班等,電機(jī)車需要頻繁地進(jìn)行制動(dòng),要求電機(jī)車具有良好的制動(dòng)性能.同時(shí),又要求電機(jī)車的制動(dòng)方式要符合駕駛員的操作習(xí)慣,這樣在實(shí)際運(yùn)用中才能被大家所認(rèn)可.

仿真采用額定功率為37 k W的直流電動(dòng)機(jī),直流電機(jī)的參數(shù)如表2所示.直流電機(jī)的其他參數(shù)經(jīng)計(jì)算可得;電樞電感La＝0.012H,電機(jī)電樞互感Laf＝1.8H.電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為10 N