礦用電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與研究

宋紅紅

（山西平舒煤業(yè)有限公司， 山西 陽泉 045400）

引言

礦用電機車作為煤礦生產(chǎn)重要的運輸工具之一，有著可靠性高、節(jié)能性好、運行穩(wěn)定、速度高、運載能力強等優(yōu)點，是煤礦井下長距離運輸?shù)闹饕绞健４ぶ绷麟妱訖C目前仍被廣泛用于礦用電機車中，其具有過載能力高、牽引特性強、起動轉(zhuǎn)矩大等主要優(yōu)點。然而由于技術(shù)方面的不足，使其在實際應(yīng)用中存在不能無級調(diào)速、起動時不夠平穩(wěn)、充電頻繁、維修工作量大等缺點。直流調(diào)速電機車在運行時，由于電阻器使電能一部分浪費在電阻上，導(dǎo)致生產(chǎn)成本變高，效率大幅降低，所以交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)是未來發(fā)展方向的首選[1]。

工業(yè)發(fā)達國家交流變頻設(shè)備的應(yīng)用占比相對于直流傳動設(shè)備在逐年升高，也更具有市場前景。而國內(nèi)由于工業(yè)技術(shù)落后，很多廠商仍生產(chǎn)使用老式電機車，也有一部分廠商開始應(yīng)用變頻調(diào)速電機車，但還是存在許多問題，如電壓波動范圍大、電機速度不穩(wěn)定、控制的精度和可靠性較差，這些都無法體現(xiàn)交流變頻的優(yōu)勢。本文針對礦用電機車存在的問題，設(shè)計了一種基于DSP 的礦用電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用高性能的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，可實現(xiàn)礦用電機車的無極調(diào)速。

1 系統(tǒng)設(shè)計的總體方案

本文的控制方式選用高性能微處理器的矢量管控，與一般的矢量控制相比具有計算量小等優(yōu)勢。礦用電機車上具有逆變器和電機等設(shè)備，本文將選用可以最大轉(zhuǎn)矩限幅的調(diào)速系統(tǒng)，而且整個調(diào)速系統(tǒng)的主要特點為空間占比小、結(jié)構(gòu)簡單和易于操控[2]。

本文設(shè)計的礦用電機車調(diào)速系統(tǒng)主要分為三部分，第一部分為參數(shù)檢測層，主要由電參數(shù)檢測、速度檢測、故障診斷檢測、光電編碼器組成。電參數(shù)傳感器用于采集電機的功率、電壓、電流等參數(shù)；速度傳感器用于采集電機的運行速度；故障診斷檢測主要對電機車進行保護，用于啟動限流過壓保護；光電編碼器用于提供給系統(tǒng)多路直流電源。第二部分為DSP 控制層，該層是調(diào)速系統(tǒng)的核心部分，第一部分采集的參數(shù)信號會上傳至這一部分，DSP 根據(jù)檢測信號進行分析判斷，完成對A/D 轉(zhuǎn)換、計算電機的轉(zhuǎn)速和位置、提供變頻調(diào)速驅(qū)動信號等操作；第三部分是由逆變模塊組成的執(zhí)行層，逆變器通過DSP 控制的電路發(fā)出的驅(qū)動信號輸出相應(yīng)頻率的電壓至電動機[3]，實現(xiàn)對電機的啟動和變頻調(diào)速以及其他功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本文選用了DSP 芯片TMS320F2812，該芯片針對電機的控制滿足系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，能達到矢量控制系統(tǒng)的要求。矢量控制方法選用直接矢量控制法，可以實現(xiàn)高動態(tài)調(diào)速性能的控制方案。PWM生成方式選用了具有母線電壓利用率高以及高次諧波小等特點的SVPWM。

2 硬件電路設(shè)計方案

圖2 變頻系統(tǒng)主電路圖

礦用電機車變頻控制主電路設(shè)計如下頁圖2 所示，主回路是功率變換的執(zhí)行機構(gòu)，采用交- 直- 交電路。蓄電池組輸入的電經(jīng)輸入濾波器、輸入電抗器后進行整流逆變，輸出的兩路交流電經(jīng)過輸出電抗器、輸出濾波器后進入電機，進而帶動電機車工作。

輸入電路的直流電壓具有脈動成分，此外逆變部分產(chǎn)生的脈動電流及負載變化也使直流電壓脈動，為了提高輸入系統(tǒng)直流電壓的質(zhì)量，減少逆變器輸出電壓的波動，要安裝濾波器。它可對輸入的電壓進行濾波并吸收因為負載等產(chǎn)生的逆變模塊的波紋電流和電壓。

逆變模塊的功率器選用智能功率模塊（IPM），由功耗低的管芯、優(yōu)化的門極驅(qū)動電路和保護電路組成，當發(fā)生負載事故時也可使自身不受損壞。IPM相對于IGBT 驅(qū)動的電路設(shè)計相比更為嚴格，其模塊內(nèi)部具有很強的自保護電路，分別為欠壓保護、過流保護、短路保護等。

系統(tǒng)的兩種故障分別為IPM 故障輸出信號和過壓、欠壓、過流，需要保護電路在出現(xiàn)故障時產(chǎn)生中斷信號，通知CPU 有異常情況，停止系統(tǒng)工作，整個系統(tǒng)全部自動完成，實現(xiàn)了故障的快速響應(yīng)處理。本文基于對DSP 進行編程來分析輸入信號，并輸出系統(tǒng)其他電路的信號，來對其他部分進行控制實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制。將檢測電路數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的變換得到系統(tǒng)的輸入信號，這與系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性直接相關(guān)。

3 軟件設(shè)計方案

本文基于DSP 來實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)采集、矢量控制、SVPWM輸出以及串行通信等功能。本文程序設(shè)計包括主程序和中斷服務(wù)子程序，主程序?qū)ψ兞亢陀布跏蓟拇嫫骱妥兞糠峙涞刂吩O(shè)置相應(yīng)的初值。中斷服務(wù)程序包括主中斷服務(wù)程序和保護中斷程序。A/D 采樣和PWM調(diào)制信號輸出及實現(xiàn)控制由主中斷程序負責(zé)。保護中斷程序負責(zé)處理過壓、過流等故障，對系統(tǒng)起保護作用。

主程序執(zhí)行時，首先對系統(tǒng)初始化，然后經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)控制模塊判斷是否執(zhí)行中斷服務(wù)子程序，本文主程序流程圖如圖3 所示。

本文的主中斷經(jīng)CPU 定時器產(chǎn)生，主控制周期設(shè)定為100μs。在執(zhí)行完所有控制指令后恢復(fù)現(xiàn)場，并返回至主程序，并等待下一次發(fā)生異常中斷。圖4為主中斷程序的流程圖。

圖3 主程序流程圖

保護中斷是在系統(tǒng)出現(xiàn)異常時保護功率模塊和控制設(shè)備而設(shè)置的，它是非屏蔽中斷，中斷等級為優(yōu)先級，可在最短的時間內(nèi)對功率模塊進行有效的保護。圖5 為保護中斷程序的流程圖。

圖4 主中斷程序

圖5 保護中斷程序

4 結(jié)語

本文設(shè)計的礦用電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)在實際測試中實現(xiàn)了電機速度的準確平穩(wěn)，實現(xiàn)了變頻運行，同時大大降低了能耗，同時，檢測系統(tǒng)故障保護水平提高，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了提高。該系統(tǒng)能較好地滿足煤礦井下的礦用電機車運行工況，系統(tǒng)過載能力強，具有良好的應(yīng)用前景及經(jīng)濟效益。