礦用雙軌電機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)研究

馬闖

摘 要：為了解決傳統(tǒng)礦用電機(jī)車效率低等問題，本文提出電機(jī)車驅(qū)動及充電一體化結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖及工作原理，并利用仿真軟件對驅(qū)動及充電一體化結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，驗證了設(shè)計的可行性，有效解決了電機(jī)車充電慢、效率低的問題，為提升礦山經(jīng)濟(jì)作出一定的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：雙軌電機(jī)車;一體化結(jié)構(gòu);驅(qū)動系統(tǒng);效率

隨著我國工業(yè)化的不斷加速，各行各業(yè)對能源的需求量逐步增大，雖然2012年國家對能源的使用進(jìn)行了一定的調(diào)整，但化石能源的需求仍是我國目前為止能源需求的主體，隨著礦山開采年限的不斷加大，越來越多賦存條件較為優(yōu)越的煤層已經(jīng)完成開采，為了保障煤炭產(chǎn)量，開采目標(biāo)已經(jīng)逐步向著賦存條件較為復(fù)雜的煤層進(jìn)行轉(zhuǎn)移。礦用電機(jī)車作為我國主要的開采運(yùn)輸設(shè)備，其使用性能直接影響著礦山的經(jīng)濟(jì)效益。在復(fù)雜地況進(jìn)行工作時，對礦用電機(jī)車的驅(qū)動系統(tǒng)的要求也是逐步提升，與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比較可知，交流電機(jī)不但體積小、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實用外，還能消除環(huán)電刷及換向器時的一些危險。同時電機(jī)車的蓄電池需要及時更換降低了電機(jī)車的工作時長[1]，此前眾多學(xué)者對電機(jī)車的蓄電池及驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行過研究[2]，本文對電機(jī)車驅(qū)動及充電一體化控制進(jìn)行研究，有效提升了礦用電機(jī)車的工作性能，為提升礦山經(jīng)濟(jì)做出一定的貢獻(xiàn)。

1 一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

在電機(jī)車的工作過程中一般可分為兩種工作模式，一種為驅(qū)動模式，而另一種模式為充電狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)車停車時，蓄能系統(tǒng)從電網(wǎng)中進(jìn)行及時取電，當(dāng)發(fā)生充電行為時，電機(jī)車其余部件不參加工作，這就導(dǎo)致倆種組件是兩個獨(dú)立存在的系統(tǒng)，這不僅增大了電機(jī)車的重量也造成一定的材料浪費(fèi)，所以研究驅(qū)動系統(tǒng)與充電一體化是十分重要的。

根據(jù)實際需求對驅(qū)動及充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計中需要包含雙向DC/DC充放電電路以及三相全路逆變電路，設(shè)計如圖1所示。

根據(jù)圖1驅(qū)動及充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以看出，當(dāng)電機(jī)車處于驅(qū)動模式下時，開關(guān)S2接通，此時永磁同步電機(jī)是由超級電容進(jìn)行供電，當(dāng)電機(jī)車處于充電模式下時，此時開關(guān)S1被接通，此時超級儲能器由電網(wǎng)進(jìn)行電量補(bǔ)給。

對驅(qū)動模式下的驅(qū)動系統(tǒng)程序進(jìn)行研究，在驅(qū)動模式下，進(jìn)入驅(qū)動電機(jī)的子程序，第一步先對超級電容器的電量進(jìn)行判斷，當(dāng)超級電容器的內(nèi)存電量超過30%時，此時進(jìn)入欠點(diǎn)保護(hù)狀態(tài)，當(dāng)超級電容器內(nèi)部的電量小于30%時，此時的迅速結(jié)束驅(qū)動。采集的轉(zhuǎn)速信號通過速度環(huán)做PI調(diào)節(jié)，后續(xù)通過電流環(huán)進(jìn)行PI電流調(diào)節(jié)，此時獲得的電壓信號通過Park逆變換得出靜止坐標(biāo)下的電壓信號，從而通過PWM發(fā)生器進(jìn)行開關(guān)管的控制，以此來實現(xiàn)控制驅(qū)動程序。為了對礦用電機(jī)車充電及驅(qū)動一體化控制系統(tǒng)進(jìn)行分析及驗證，利用MATLAB仿真模擬軟件對一體化系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。選定的永磁電機(jī)參數(shù)分別為：極對數(shù)為4，定子的電阻為0.0918Ω，永磁磁鏈為0.1688Wb，負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量為0.03945kg·m2，給定轉(zhuǎn)矩為24N·m，額定功率為4kW。

2 一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真研究

整個仿真模塊是由幾個模塊組合而成，其中包括充電與驅(qū)動一體化主電路、驅(qū)動模塊下的永磁同步電機(jī)模塊、充電模式下的雙向DC/DC變壓器切換模塊等。進(jìn)行驅(qū)動仿真時先在驅(qū)動模式下選擇Dischange，進(jìn)入驅(qū)動模式的下的仿真運(yùn)行，為了避免出現(xiàn)電流過載造成的電路控制錯誤情況，在系統(tǒng)中增加直流母線電容預(yù)充電路，對電容進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)電容充電達(dá)到一定程度后，結(jié)束充電，進(jìn)入驅(qū)動控制，仿真曲線如圖2所示。

如圖2（a）所示為驅(qū)動模式下直流母線的預(yù)充電波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)仿真開始時，直流母線電壓從零開始緩慢上升，當(dāng)直流母線預(yù)充電時間來到0.67s時，此時的直流母線電壓為148V，隨著預(yù)充電時間的上升，此時直流母線的預(yù)充電速度出現(xiàn)突然增大，當(dāng)直流母線充電時間來到0.76s時，直流母線電壓上升至308V，此時直流母線電壓與電機(jī)工作電壓的壓差較小，不會出現(xiàn)啟動時電流的突然增大造成的損壞現(xiàn)象。隨著時間的進(jìn)一步增大，此時直流母線的電壓達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。這是由于在充電開始時在模型的右邊電路設(shè)置電壓為150V，在左邊電路電壓設(shè)置為270V，隨著充電時間的增加，直流母線率先達(dá)到150V，后續(xù)支持上漲至270V左右，此時系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動模式。如圖2（b）為電機(jī)驅(qū)動速度圖，從圖中可以看出，當(dāng)時間為0s～0.76s時，此時的電機(jī)速度為零，這是由于直流母線處于充電狀態(tài)，當(dāng)驅(qū)動時間來電0.76s之后時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速快速上升至給定轉(zhuǎn)速為1000r/min，隨著時間的繼續(xù)增長達(dá)到10s時，此時的電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值約為1500r/min，且在轉(zhuǎn)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1500r/min時，驅(qū)動系統(tǒng)快速達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，可以看出，設(shè)計的充電驅(qū)動一體化結(jié)構(gòu)在驅(qū)動模式下的運(yùn)行情況是符合要求的。

由于本文設(shè)計的為驅(qū)動充電一體化系統(tǒng)，所以需要對充電模式下進(jìn)行仿真研究，在進(jìn)行充電模式下的仿真研究之前進(jìn)入SC模塊點(diǎn)擊Charge，在運(yùn)行前同樣需要進(jìn)行直流母線的預(yù)充電。

當(dāng)啟動充電模式時，直流母線電壓從零開始緩慢上升，當(dāng)直流母線預(yù)充電時間來到1.44s時，此時的直流母線電壓為268V，隨著預(yù)充電時間的增大，此時直流母線的預(yù)充電速度出現(xiàn)快速的波動，當(dāng)直流母線充電時間來到1.52s時，直流母線電壓上升至300V，此時直流母線電壓與電機(jī)工作電壓的壓差較小，不會出現(xiàn)啟動時電流的突然增大造成的損壞現(xiàn)象，直流母線的電壓達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。觀察可以看出，當(dāng)試件在1.5s前時處于直流母線預(yù)充電階段，此時的電壓電流均為0，隨著時間的增大，超級電容的充電量出現(xiàn)快速上升，此階段為電流充電階段，利用恒電流300A進(jìn)行充電，但超級電容的充電試件來到10s時，此時的超級電容的充電量達(dá)到80%，隨后降低電流為60A進(jìn)行充電，當(dāng)充電時間達(dá)到18.5s時，此時電壓已經(jīng)達(dá)到額定電壓，所以將電流充電轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐撼潆?，在時間18.5s～20s為恒壓充電階段，當(dāng)充電時間超過20s時，此時超級電容的電量已經(jīng)充滿?？梢钥闯稣麄€充電過程持續(xù)時間較短，充電速度較快，符合充電驅(qū)動一體化控制系統(tǒng)的要求。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)蓄能電機(jī)車驅(qū)動與充電分離的情況，提出礦用電機(jī)車驅(qū)動充電一體化控制結(jié)構(gòu)，給出了礦用電機(jī)車驅(qū)動充電一體化控制結(jié)構(gòu)的示意圖，并利用MATLAB仿真模擬軟件對驅(qū)動模式及充電模式進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)所提出的驅(qū)動充電一體化控制結(jié)構(gòu)可以完美的實現(xiàn)充電與驅(qū)動的一體化，有效的提升了礦用電機(jī)車效率低，充電慢的問題，為礦用電機(jī)車驅(qū)動及充電系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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