煤礦電機車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

王瀏潔

（陽煤集團(tuán)機電設(shè)備管理中心，山西 陽泉 045000）

引言

電機車作為煤礦的重要運輸工具，其主要承擔(dān)著煤炭、矸石等物料的運輸任務(wù)。隨著采煤機技術(shù)及綜采設(shè)備能力的提升，對工作面運輸設(shè)備的運輸能力提出了更高的要求。礦用電機車將朝著高性能、低能耗的方向發(fā)展，以往直流電機車將逐步被交流電機車所取代。因此，采用變頻調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)電機車的節(jié)能運行是可行的[1]。本文研究變頻調(diào)速系統(tǒng)在電機車速度控制功能上的應(yīng)用。

1 電機車變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的確定

傳統(tǒng)電機車采用直流串勵電機為其牽引電機，直流串勵電機具有牽引特性好、啟動轉(zhuǎn)矩大以及過載能力強等優(yōu)勢。但是，在實際生產(chǎn)中通過在回路中串接電阻以實現(xiàn)對電機的啟動和調(diào)速控制，此種控制方式具有控制效率低、能耗大等缺陷。雖然，針對直流電機采用IGBT 模塊可解決電機調(diào)速時能耗過高的問題，但是采用直流控制電機仍然存在維護(hù)困難的缺陷，間接制約工作面生產(chǎn)效率。因此，當(dāng)前將逐步采用交流電機車取代直流電機車，從而解決電機車結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、成本昂貴以及工作效率低的問題[2]。本文以所使用的12 t 礦用交流電機車為載體，為其配置變頻調(diào)速系統(tǒng)。該電機車的運輸能力及關(guān)鍵參數(shù)主要參數(shù)如表1 所示。

對于交流變頻調(diào)速系統(tǒng)而言，可通過多種控制方式完成對電機車速度的控制。在眾多的控制方式中，由于直接轉(zhuǎn)矩控制方式具有簡化控制方式、響應(yīng)速度好以及控制效果好等優(yōu)勢，本文針對表1 所示電機車選用直接轉(zhuǎn)矩控制方式對其進(jìn)行變頻調(diào)速控制。

表1 電機車主要參數(shù)

2 電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

鑒于綜采工作面環(huán)境非常惡劣，其粉塵濃度大、相對潮濕以及瓦斯等易燃易爆氣體的存在，需為電機車配置防爆外殼[3]。此外，針對電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)電氣分系統(tǒng)的設(shè)計盡量避免電氣裝置分散布置，對其進(jìn)行集中布置。電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 變頻調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心控制器為DSP，還包括有IGBT 驅(qū)動器、報警器、控制臺等設(shè)備。此外為盡量減少變頻調(diào)速控制系統(tǒng)電氣裝置的分散布置，且盡可能減少電氣布線，采用無速度傳感器控制技術(shù)對電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 所示的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有全面保護(hù)電機車的功能，可實現(xiàn)IGBT、欠壓、短路以及過載等保護(hù)功能。此外，基于上述變頻調(diào)速系統(tǒng)對電機車進(jìn)行減速或制動操作時，過程中所產(chǎn)生的電能將返回至電池組中，一定程度上提升了節(jié)能效果。

3 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計

本文所設(shè)計電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心硬件設(shè)備包括有電源、IGBT 模塊以及儲能電容器等。

3.1 電源裝置的設(shè)計

本文所研究電機車的動力源為蓄電池。鑒于蓄電池結(jié)構(gòu)的特殊性以及工作面防爆的性能要求，對于蓄電池的隔爆腔體有特殊要求。由于蓄電池在為電機車供電時會產(chǎn)生一定量的氫氣，而所產(chǎn)生的氫氣需及時溢出[4]。故，需對蓄電池采取全面的防范措施。

為解決上述問題，蓄電池采用雙柱頭的出線方式，并在連線位置處進(jìn)行嚴(yán)密焊接，同時加強蓄電池正極和負(fù)極之間的絕緣處理。此外，還需對蓄電池加液口進(jìn)行特殊處理，在保證加液時能防止液體溢出，還能夠確保反應(yīng)時產(chǎn)生的氫氣及時逸出。

為避免由于電源欠壓導(dǎo)致運輸能力下降的問題，變頻調(diào)速系統(tǒng)會對電源電壓進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)電壓值低于165 V 時，需對電源進(jìn)行及時補液。

3.2 IGBT 模塊的設(shè)計

電機車變頻調(diào)速系統(tǒng)中最重要的功率單元為逆變部分。IGBT 模塊的主要功能是在開關(guān)處流經(jīng)大電流時確保系統(tǒng)的安全。因此，所選IGBT 模塊的容量尤為重要，不僅需考慮系統(tǒng)的安全問題，還需考慮成本。本文所研究蓄電池電機車在滿載狀態(tài)下的電流為：

式中：P 為電機車的額定功率，取22 kW；D 為IGBT模塊導(dǎo)通占空比，取0.4；U 為直流母線的電壓值，取192 V。經(jīng)計算，滿載狀態(tài)下的電流為286 A。

考慮取計算電流值兩倍以上的余量，結(jié)合IGBT模塊相關(guān)產(chǎn)品的參數(shù)，最終選擇IGBT 模塊的型號為CM600DY-12NF，該IGBT 模塊的額定電壓值為600 A，滿足滿載狀態(tài)下的電流要求。

3.3 儲能電容器的選型

由于逆變器在開關(guān)過程中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，為保證系統(tǒng)運行的安全性，為其配置濾波電容器消除感應(yīng)電動勢的影響。儲能電容器選型的主要依據(jù)直流母線的電壓。由于直流母線的電壓為192 V，因此所選型儲能電容器的型號為3 300 μF/250 V。

此外，為減小感應(yīng)電動勢，在布線過程中采用鍍錫扁銅條對儲能電容器和直流母線進(jìn)行固定，并盡可能縮短布線的長度[5]。

4 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

為保證變頻調(diào)速控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，要求所設(shè)計的軟件需滿足如下功能：

1）系統(tǒng)軟件可實時對電機車電壓和電流值進(jìn)行監(jiān)測，并將所監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后送至DSP 核心控制器中；

2）基于直接轉(zhuǎn)矩控制算法，分析所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，完成對電機車速度的控制；

3）當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)生故障時，應(yīng)及時作出中斷處理。

變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的中斷程序流程圖如圖2 所示。

圖2 變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中斷程序流程圖

為驗證變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的性能，針對電機車在空載運行狀態(tài)下勻加速過程中不同頻率對應(yīng)定子的電流值進(jìn)行分析，試驗結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 所示，電機車在空載狀態(tài)下啟動時，雖然定子頻率為0 Hz，但是其定子電流值不為零，而且隨著電機頻率（電機轉(zhuǎn)速）的升高定子電流迅速升高；當(dāng)達(dá)到其額定電流140 A 后，隨著頻率的增加定子電流值逐步減小，并最終在靠近頻率上限值50 Hz處保持穩(wěn)定。

圖3 空載工況下頻率與定子電流之間的關(guān)系

5 結(jié)論

電機車為煤礦生產(chǎn)中的關(guān)鍵運輸設(shè)備，為響應(yīng)國家節(jié)能減排的生產(chǎn)要求，本文采用變頻調(diào)速實現(xiàn)對電機車速度的控制，并采用直接轉(zhuǎn)矩控制方式對速度進(jìn)行變頻控制。經(jīng)對所設(shè)計變頻調(diào)速控制系統(tǒng)試驗可知：

1）基于直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，可確保電機車在零速運行時仍有足夠的啟動轉(zhuǎn)矩；

2）在低頻控制范圍內(nèi)，其電流值波動較小，電機車具有較好的穩(wěn)定性，調(diào)速過程相對平穩(wěn)且無劇烈振動。