礦用電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

郭軍凱

（山西焦煤西山煤電東曲礦， 山西 古交 030200）

0 引言

我國大部分礦用蓄電池電機(jī)車的傳統(tǒng)系統(tǒng)采用直流系統(tǒng)，其調(diào)速方式有串電阻調(diào)速和直流斬波調(diào)速兩種。在電樞回路串聯(lián)電阻，可以實現(xiàn)直流電機(jī)的啟動和調(diào)速，但是這種方式在結(jié)構(gòu)上占用空間大，電阻箱也存在散熱等問題，在性能上不能實現(xiàn)無級調(diào)速且浪費(fèi)電能，不符合企業(yè)節(jié)能減排的發(fā)展方向，已經(jīng)被淘汰。斬波調(diào)速雖然無電阻箱發(fā)熱問題，且能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速，是電機(jī)車調(diào)速模式的一大進(jìn)步，但是直流斬波調(diào)速存在控制死區(qū)，可調(diào)范圍較窄，而且調(diào)速時間長會出現(xiàn)發(fā)熱問題。目前最先進(jìn)的電機(jī)車調(diào)速方式是變頻調(diào)速，采用交流電機(jī)代替直流電機(jī)，主電路采用先進(jìn)的電力電子器件組成，控制上采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、調(diào)速范圍、控制方法等方面均具有先進(jìn)的性能[1]。

1 交流電機(jī)的優(yōu)點

1）功率密度和轉(zhuǎn)矩密度大。對于礦用電機(jī)車配置的牽引電機(jī)而言，直流電機(jī)的功率密度大約為0.3 kW/kg，交流電機(jī)的功率密度大約為0.7 kW/kg；直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度大約為1.1 Nm/kg，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度大約為1.3 Nm/kg；交流電機(jī)的功率密度是直流電機(jī)功率密度的2 倍左右，而交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度是直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩密度的120%左右。

2）免維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡單耐用。直流電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子是分體的，并且換向器占用安裝空間，換向電刷容易出現(xiàn)火花，在使用一段時間后會出現(xiàn)自然磨損，需要更換維護(hù)[2]。交流電機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，定子和轉(zhuǎn)子之間通過鐵心、拉桿和壓板等結(jié)構(gòu)連接為一個整體，轉(zhuǎn)子由鑄鋁和硅鋼片壓制而成。

3）設(shè)備占用空間小、散熱效果好。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度、功率密度隨著傳動比的提高而提高，性能提高空間大。由于不需要安裝換向器，節(jié)省的安裝空間既可以用來提高電機(jī)的性能，也可以提供更多的散熱空間。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 是電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為主電路部分和控制電路部分。主電路部分從左至右依次為升壓電路、濾波電路、逆變電路和直流電機(jī)?？刂齐娐芬訢SP 控制器為核心，控制器的輸入電路有主電路的電壓電流檢測電路、溫度檢測電路以及來自司機(jī)控制臺的閉鎖電路，控制器的輸出電路有蜂鳴器報警電路和IGBT 驅(qū)動電路。

圖1 電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

正常工作狀態(tài)下，IGBT 驅(qū)動電路將DSP 控制指令進(jìn)行功率放大，按照程序中的控制策略開通或關(guān)斷開關(guān)管Sx（x 代表a、b、c），直流電壓在此作用下被變換為高頻的PWM波，在直流電機(jī)電樞電感的濾波作用下形成正弦波，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨此正弦波的頻率變化而變化，達(dá)到電機(jī)車調(diào)速的目的。如果DSP 控制接收到來自控制臺的閉鎖信號、超限的溫度檢測信號或者IGBT 驅(qū)動電路故障信號，則啟動保護(hù)邏輯，指令信號全部為關(guān)斷信號，所有開關(guān)管關(guān)閉，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的[3]。

3 主電路設(shè)計

3.1 蓄電池組

升壓電路由蓄電池組、熔斷器、二極管、限流電阻和繼電器組成，蓄電池組是電機(jī)車的動力來源，也是整個系統(tǒng)的安全薄弱環(huán)節(jié)。由于電機(jī)車的工作環(huán)境是在井下，可能存在瓦斯氣體，或者空氣中相對濕度較大，因此在電池箱體的設(shè)計上必須考慮足夠的防爆措施和散熱通風(fēng)空間。電池的接線柱采用雙柱頭雙接線焊接結(jié)構(gòu)，電池加液孔加裝專用排氣裝置。蓄電池采用96 節(jié)鉛酸蓄電池串聯(lián)形成，額定電壓為192 V，當(dāng)電池電量下降后，端電壓也隨之下降，端電壓下降到165 V 時需要充電[4]。二極管、限流電阻和繼電器的作用是防止電機(jī)車在剎車時向蓄電池反送電，當(dāng)電機(jī)車剎車時，繼電器線圈得電，繼電器常閉觸點斷開，由于二極管的單向?qū)ㄐ?yīng)，由電機(jī)反送的電流被電容器組吸收，無法向蓄電池充電，保護(hù)了蓄電池的安全性。

3.2 濾波電路

濾波電路接在升壓電路的輸出端與逆變電路的輸入端之間，由電容器C1—C10 并聯(lián)組成。濾波電路最主要的作用是濾除電壓波動，為逆變電路提供一個穩(wěn)定的直流電壓。除此以外，還有抵消母線電感效應(yīng)、吸收急停時的反向充電電流的作用[5]。從性能和安全角度而言，電容器組的容量越大，穩(wěn)壓效果和儲能效果越好，實際在設(shè)計時滿足直流電壓在允許波動范圍內(nèi)即可，本文根據(jù)電機(jī)功率選擇單個電容器容量為3 300 μF。

3.3 逆變電路

三相全橋逆變電路是主電路的核心部分，由6 只IGBT 開關(guān)管組成，2 只IGBT 串聯(lián)組成一個橋臂，上下兩個橋臂以高頻變化的占空比交替互補(bǔ)開通，中間輸出一相電壓。逆變電路可以由6 只單獨的IGBT 開關(guān)管組成，也可以選用集成好的功率模塊IPM，這類型功率模塊內(nèi)部集成了IGBT 組，并且還有完善的驅(qū)動電路和保護(hù)電路，這些保護(hù)電路在檢測到通過IGBT 的電流過大、IGBT 兩端承受電壓過大或模塊過熱等情況時能夠向控制器發(fā)出故障信號，控制器可以封鎖脈沖，保護(hù)模塊不受損壞[6]。

4 控制電路設(shè)計

4.1 電壓檢測電路

電壓檢測電路檢測濾波電路的直流電壓，用于控制器進(jìn)行控制。由于DSP 控制內(nèi)部集成了ADC 模塊，其能夠?qū)? V 的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供內(nèi)部程序使用。為了使濾波電路的高電壓能夠轉(zhuǎn)換為DSP 接收的低電壓，采用兩只電阻串聯(lián)分壓的方式組成電壓檢測電路，得到低電壓后經(jīng)過濾波、限流、再濾波，可以直接輸入給DSP 的ADC 模塊。分壓電阻根據(jù)直流電壓的范圍和系統(tǒng)所需精度確定，選擇5.62 kΩ 和100 kΩ 精密電阻，限流電阻為4.7 kΩ，濾波電容選擇10 nF。

4.2 電流檢測電路

電流檢測電路采集逆變器的輸出電流，用于變頻調(diào)速的閉環(huán)控制，另一方面也反映了電機(jī)的電樞電流，可以實現(xiàn)電機(jī)的相關(guān)保護(hù)。電流檢測電路由霍爾傳感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、濾波電路組成，霍爾傳感器將主電路的大電流信號轉(zhuǎn)換為0～20 mA 的小電流信號，還能實現(xiàn)電氣隔離，小電流信號經(jīng)過運(yùn)算放大電路被轉(zhuǎn)換為0～3 V 的電壓信號，經(jīng)過濾波電路送給DSP 的ADC 模塊。

4.3 司控臺閉鎖電路

由于電機(jī)車為雙方向行進(jìn)設(shè)計，因此在電機(jī)車兩端均設(shè)有司控臺，為保障司機(jī)在前進(jìn)方向上視野清晰，操作方便，兩個控制臺的控制權(quán)需要實現(xiàn)相互閉鎖，主司機(jī)控制臺在控制電機(jī)車時，副司機(jī)控制臺無法操作，反之亦然。司控臺通過電位器發(fā)送變化的電壓信號，此電壓信號由屏蔽電纜傳輸至閉鎖裝置，經(jīng)閉鎖裝置選擇一路輸出，給到DSP 控制主板。

4.4 溫度檢測電路

雖然功率模塊內(nèi)部集成了溫度保護(hù)電路，但是其保護(hù)范圍有限，只能測量功率模塊內(nèi)部溫度，且保護(hù)溫度的值不可調(diào)整，因此有必要為系統(tǒng)單獨設(shè)計溫度檢測電路。熱敏電阻的特性是其電阻值隨溫度的升高而降低，當(dāng)給定電壓信號在熱敏電阻和普通電阻之間分壓時，熱敏電阻上的電壓值就能間接反應(yīng)環(huán)境溫度。熱敏電阻可布置在蓄電池組、濾波電容器、DSP 控制器等溫升較大的位置，用于保護(hù)各個裝置。

5 結(jié)論

1）維修費(fèi)用更低，電能節(jié)省更多。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)以后，電機(jī)車維護(hù)工作省去了換向電刷維護(hù)工作，電機(jī)車在低速運(yùn)行時更加節(jié)能，沒有調(diào)速電阻損耗電能，在電機(jī)車減速、下坡或剎車等情況下機(jī)車的動能被電容器吸收，這部分電能還可以有效利用。

2）安全性更佳，調(diào)速性能更優(yōu)。采用交流變頻系統(tǒng)以后，提高了電機(jī)車的黏著利用率，拓寬了調(diào)速范圍，低速可達(dá)100 r/min，高速可達(dá)600 r/min。司機(jī)的停車、加速、減速和換向等操作更簡單。