- 探討蓄電池電機車調速系統分析及其改造設計
- 采用直接轉矩的方式進行變頻調速
- 采用直流電動機串電阻調速
1 引言
礦用電機車是煤礦工業的重要運輸工具。由于煤礦井下的工作環境十分惡劣，對電機車的電氣驅動系統要求很高。然而，當前礦用電機車采用結構復雜、造價昂貴、故障率高、維修費用大的直流電機驅動，調速系統還是采用的原始落后的電阻降壓調速方式，這種多級觸頭變阻調速器常因觸頭產生較強火花而燒損，所以維修量大。同時，電機車帶電阻運行導致電能浪費很大。對于高瓦斯礦井，普遍采用防爆型蓄電池電機車作為運輸材料和矸石的工具。多年來，蓄電池電機車一直采用直流電動機串電阻調速方式，從而使20～25%的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費。特別是蓄電池電機車，由于電能消耗過快，使蓄電池的充電間隔縮短，蓄電池壽命減少。近幾年來，隨著科學技術的發展，交流電機的調速問題已經獲得圓滿的解決。交流電機的調速系統不但性能同直流電機的性能一樣，而且成本和維護費比直流電機系統更低，可靠性更高。用交流電動機取代直流電動機進行調速勢在必行，并且交流電動機有著直流電動機無法比擬的優勢。由于直流調速帶有電阻器運行，電能消耗較大，交流變頻調速由于不用高耗能的電阻，節電率可達35%。如果電機車設置成再生回饋制動，可以利用電機車減速或下坡時將電機發出的電能回饋給蓄電池，這樣可以大大節約電能，延長充電時間。
2 異步電動機的四象限特性及能量再生
三相交流異步電機傳動系統具有結構簡單、工作可靠、造價低廉，效率高，節約能源等優點，因而被廣泛用語蓄電池電機車的改造工程中。
由于礦用電機車工作于井下惡劣的環境中，調速系統處于頻繁的起動、制動、加減速等狀態，這樣一來，我們就能充分利用三相交流異步電動機的四象限特性進行調速制動：第一象限和第三象限是電動機的運行狀態，分別為正、倒轉；第二象限和第四象限是電動機的發電狀態，分別為正、倒轉。由于蓄電池電機車采用的是直接轉矩的方式進行變頻調速。
電機車在減速運行過程或急剎車時都將發生能量再生。先假定三相異步電動機定子繞組中通以三相電流，極性為 i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下標：“1”表示定子，“2”表示轉子，字母上加點表示向量），該電流將在電動機氣隙內形成按正弦規律分布，并以同步轉速旋轉的磁動勢f1，如圖1。f1先建立氣隙主磁場bm（фm），bm是個旋轉磁場。當變頻器驅動異步電動機減速運行時，旋轉磁場同步轉速no總是先于轉子轉速n下降，即n0m切割定子、轉子繞組，并在定子、轉子繞組內感應出定子電動勢e1a、e1b、e1c和轉子電動勢e2a、e2b、e2c，于是轉子回路中就有三相電流i2a、i2b、i2c。與氣隙磁通фm相互作用，產生了電磁制動轉矩，方向與n0相反，制止轉子旋轉。i1形成的勵磁磁動勢 f1，i2形成的勵磁磁動勢f2。設相序為a—b—c的定子電流所產生的旋轉磁場為逆時針方向，由于n0o。由于轉子以轉速n逆時針旋轉，因此f2的實際轉速為n2=n-△n=no，方向為逆時針，即f1和f2都逆時針旋轉，轉速都為n2。換句話說，f1和f2保持相對靜止，兩者之間無相對運動。
異步電動機帶負載時氣隙內產生旋轉磁場bm的正是這兩個相對靜止的磁動勢f1和f2的合成磁動勢fm作用的結果，即f1=fm+（－f2），此式表示：異步電動機的定子磁動勢包含兩個分量：產生氣隙主磁通φm的勵磁磁動勢fm和抵消由于轉子電流產生的轉子磁動勢f2的部分（－f2）。
因為n00-n/n＜0，所以轉子感應電動勢se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉子電流的有功分量i’2a《0，而轉子電流的無功分量i’2r》0。
異步電動機處于減速時相當于異步發電機，即其向量圖如圖所示。u1和i1之間的相角φ1》90°，此時定子的有功功率為負值，即定子繞組向直流側回饋電能，而定子的無功功率為正值。站在電動機的角度上看，異步電動機吸收了負的有功功率和滯后的無功功率，前者輸出給電網，后者用于勵磁。
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3 電機車回饋制動的控制
電動機等效電路如圖2所示。
假設電機所帶負載的機械能基本上被電機內部所消耗，于是有
當電機負轉差率位于范圍時，系統的機械能經電機轉化為電能向蓄電池回饋。同時電機不出現過流，也就是反饋的電能不能被電池吸收的部分，可以由電機本身承受消耗而不出現過流當轉差率變化超過該范圍時，機械能經電機轉化的電能無法有效回饋給電池，而剩余部分的能量在電機的線圈內阻中又無法完全消耗，因此容易出現過流。所以，從簡化控制的角度出發，當控制轉差率在s1≥s≥s2范圍內變化時，再生制動過程就可以避免出現過流。
本文提出的再生制動方法在直接轉矩控制（dtc）中。首先觀測定子磁鏈，控制定子磁鏈的幅值為恒定然后選擇零矢量、非零矢量來調節瞬時轉差，控制輸出轉矩恒定，所以，由磁鏈環節觀測定子磁鏈的幅值及相位，并且選擇矢量控制磁鏈幅值大小；轉矩控制環節（與磁鏈控制環節相結合）選擇矢量控制磁鏈的旋轉速度。系統采用了直接轉矩控制方式，其磁鏈控制環節可以有效的控制磁鏈的偏差，在這種情況下可以保證輸出的電流諧波少，運行平穩。而在直接轉矩控制的基礎上實現的再生制動控制，就是使定子頻率跟蹤轉子速度變化，只要能保證轉差率的變化范圍，就可以實現系統在制動過程中不出現過流。而且制動效果的強弱可以通過調節轉差率和定子磁鏈負值來實現。
4 仿真結果
對以上建立的新型直接轉矩控制異步電動機變頻調速系統進行仿真實驗。三相逆變器開關器件采用igbt，反并聯反饋二極管，igbt的緩沖電阻rs＝10kω，緩沖電容cs＝10－3μf。仿真實驗所采用的異步電動機參數為：額定功率pn＝12kw，額定頻率 fn＝50hz，ψn＝0.95wb，rs＝0.16891ω，rr＝0.13973ω，ls＝0.02877h，lm＝0.02777h，lr＝0.0289h，np＝2，j＝0.1349kg.m2。控制系統參數：ψ*s=0.95wb，速度給定為150rad/s，負載轉矩給定tm＝15n.m，轉矩限幅值為80n.m，pi調節器的比例系數 kp＝50，積分系數ki＝130，直流側電壓udc＝600v。
首先速度給定設為150rad/s，等到系統穩定以后，再將速度給定設為－150rad/s，觀察其磁鏈，速度，轉矩，線電流，直流側電流波形。
從圖3波形可以看出，異步電動機處于加速減速反轉等運行狀態，從正向加速到回饋制動，最后到反向加速至穩定狀態，實現異步電動機的四象限特性。
5 結束語
我國礦用蓄電池電機車多數采用的是直流電動機串電阻調速，若是課題的成功得以順利的應用于煤礦實際中，無論是電機車的調速性能，牽引能力，承載量和維修量等方面都有全面的提升，另外，從經濟效益出發，蓄電池電機車利用制動對蓄電池進行充電，節約了大量的電能，延長蓄電池電機車的工作時間，減少了蓄電池年平均充電數，延長了蓄電池的使用壽命，大大提高了經濟效益。
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