蓄電池電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)改造及其運(yùn)行分析

1 引言

　　礦用電機(jī)車是煤礦工業(yè)的重要運(yùn)輸工具。由于煤礦井下的工作環(huán)境十分惡劣，對(duì)電機(jī)車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求很高。然而，當(dāng)前礦用電機(jī)車采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、故障率高、維修費(fèi)用大的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)還是采用的原始落后的電阻降壓調(diào)速方式，這種多級(jí)觸頭變阻調(diào)速器常因觸頭產(chǎn)生較強(qiáng)火花而燒損，所以維修量大。同時(shí)，電機(jī)車帶電阻運(yùn)行導(dǎo)致電能浪費(fèi)很大。對(duì)于高瓦斯礦井，普遍采用防爆型蓄電池電機(jī)車作為運(yùn)輸材料和矸石的工具。多年來(lái)，蓄電池電機(jī)車一直采用直流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速方式，從而使20～25%的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費(fèi)。特別是蓄電池電機(jī)車，由于電能消耗過(guò)快，使蓄電池的充電間隔縮短，蓄電池壽命減少。近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已經(jīng)獲得圓滿的解決。交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電機(jī)的性能一樣，而且成本和維護(hù)費(fèi)比直流電機(jī)系統(tǒng)更低，可靠性更高。用交流電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速勢(shì)在必行，并且交流電動(dòng)機(jī)有著直流電動(dòng)機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。由于直流調(diào)速帶有電阻器運(yùn)行，電能消耗較大，交流變頻調(diào)速由于不用高耗能的電阻，節(jié)電率可達(dá)35%。如果電機(jī)車設(shè)置成再生回饋制動(dòng)，可以利用電機(jī)車減速或下坡時(shí)將電機(jī)發(fā)出的電能回饋給蓄電池，這樣可以大大節(jié)約電能，延長(zhǎng)充電時(shí)間。

2 異步電動(dòng)機(jī)的四象限特性及能量再生

　　三相交流異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉，效率高，節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用語(yǔ)蓄電池電機(jī)車的改造工程中。

　　由于礦用電機(jī)車工作于井下惡劣的環(huán)境中，調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、加減速等狀態(tài)，這樣一來(lái)，我們就能充分利用三相交流異步電動(dòng)機(jī)的四象限特性進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)：第一象限和第三象限是電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，分別為正、倒轉(zhuǎn)；第二象限和第四象限是電動(dòng)機(jī)的發(fā)電狀態(tài)，分別為正、倒轉(zhuǎn)。由于蓄電池電機(jī)車采用的是直接轉(zhuǎn)矩的方式進(jìn)行變頻調(diào)速。

　　電機(jī)車在減速運(yùn)行過(guò)程或急剎車時(shí)都將發(fā)生能量再生。先假定三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中通以三相電流，極性為i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下標(biāo)：“1”表示定子，“2”表示轉(zhuǎn)子，字母上加點(diǎn)表示向量），該電流將在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布，并以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)f1，如圖1。f1先建立氣隙主磁場(chǎng)bm（фm），bm是個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速no總是先于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降，即n0m切割定子、轉(zhuǎn)子繞組，并在定子、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出定子電動(dòng)勢(shì)e1a、e1b、e1c和轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)e2a、e2b、e2c，于是轉(zhuǎn)子回路中就有三相電流i2a、i2b、i2c。與氣隙磁通фm相互作用，產(chǎn)生了電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，方向與n0相反，制止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。i1形成的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f1，i2形成的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f2。設(shè)相序?yàn)閍—b—c的定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為逆時(shí)針?lè)较?，由于n0o。由于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此f2的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n2=n-△n=no，方向?yàn)槟鏁r(shí)針，即f1和f2都逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速都為n2。換句話說(shuō)，f1和f2保持相對(duì)靜止，兩者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

　　異步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)bm的正是這兩個(gè)相對(duì)靜止的磁動(dòng)勢(shì)f1和f2的合成磁動(dòng)勢(shì)fm作用的結(jié)果，即f1=fm+（－f2），此式表示：異步電動(dòng)機(jī)的定子磁動(dòng)勢(shì)包含兩個(gè)分量：產(chǎn)生氣隙主磁通φm的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)fm和抵消由于轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)f2的部分（－f2）。

　　因?yàn)閚00-n/n＜0，所以轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉(zhuǎn)子電流的有功分量i’2a《0，而轉(zhuǎn)子電流的無(wú)功分量i’2r》0。

　　異步電動(dòng)機(jī)處于減速時(shí)相當(dāng)于異步發(fā)電機(jī)，即其向量圖如圖所示。u1和i1之間的相角φ1》90°，此時(shí)定子的有功功率為負(fù)值，即定子繞組向直流側(cè)回饋電能，而定子的無(wú)功功率為正值。站在電動(dòng)機(jī)的角度上看，異步電動(dòng)機(jī)吸收了負(fù)的有功功率和滯后的無(wú)功功率，前者輸出給電網(wǎng)，后者用于勵(lì)磁。

3 電機(jī)車回饋制動(dòng)的控制

　　電動(dòng)機(jī)等效電路如圖2所示。

　　假設(shè)電機(jī)所帶負(fù)載的機(jī)械能基本上被電機(jī)內(nèi)部所消耗，于是有

　　當(dāng)電機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)差率位于范圍時(shí)，系統(tǒng)的機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能向蓄電池回饋。同時(shí)電機(jī)不出現(xiàn)過(guò)流，也就是反饋的電能不能被電池吸收的部分，可以由電機(jī)本身承受消耗而不出現(xiàn)過(guò)流當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化超過(guò)該范圍時(shí)，機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能無(wú)法有效回饋給電池，而剩余部分的能量在電機(jī)的線圈內(nèi)阻中又無(wú)法完全消耗，因此容易出現(xiàn)過(guò)流。所以，從簡(jiǎn)化控制的角度出發(fā)，當(dāng)控制轉(zhuǎn)差率在s1≥s≥s2范圍內(nèi)變化時(shí)，再生制動(dòng)過(guò)程就可以避免出現(xiàn)過(guò)流。

　　本文提出的再生制動(dòng)方法在直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）中。首先觀測(cè)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(lái)調(diào)節(jié)瞬時(shí)轉(zhuǎn)差，控制輸出轉(zhuǎn)矩恒定，所以，由磁鏈環(huán)節(jié)觀測(cè)定子磁鏈的幅值及相位，并且選擇矢量控制磁鏈幅值大?。晦D(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)（與磁鏈控制環(huán)節(jié)相結(jié)合）選擇矢量控制磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度。系統(tǒng)采用了直接轉(zhuǎn)矩控制方式，其磁鏈控制環(huán)節(jié)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(yùn)行平穩(wěn)。而在直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的再生制動(dòng)控制，就是使定子頻率跟蹤轉(zhuǎn)子速度變化，只要能保證轉(zhuǎn)差率的變化范圍，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在制動(dòng)過(guò)程中不出現(xiàn)過(guò)流。而且制動(dòng)效果的強(qiáng)弱可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率和定子磁鏈負(fù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 仿真結(jié)果

　　對(duì)以上建立的新型直接轉(zhuǎn)矩控制異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。三相逆變器開關(guān)器件采用igbt，反并聯(lián)反饋二極管，igbt的緩沖電阻rs＝10kω，緩沖電容cs＝10－3μf。仿真實(shí)驗(yàn)所采用的異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)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(tǒng)參數(shù)：ψ*s=0.95wb，速度給定為150rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定tm＝15n.m，轉(zhuǎn)矩限幅值為80n.m，pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp＝50，積分系數(shù)ki＝130，直流側(cè)電壓udc＝600v。

　　首先速度給定設(shè)為150rad/s，等到系統(tǒng)穩(wěn)定以后，再將速度給定設(shè)為－150rad/s，觀察其磁鏈，速度，轉(zhuǎn)矩，線電流，直流側(cè)電流波形。

　　從圖3波形可以看出，異步電動(dòng)機(jī)處于加速減速反轉(zhuǎn)等運(yùn)行狀態(tài)，從正向加速到回饋制動(dòng)，最后到反向加速至穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的四象限特性。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　我國(guó)礦用蓄電池電機(jī)車多數(shù)采用的是直流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速，若是課題的成功得以順利的應(yīng)用于煤礦實(shí)際中，無(wú)論是電機(jī)車的調(diào)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(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，蓄電池電機(jī)車利用制動(dòng)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，節(jié)約了大量的電能，延長(zhǎng)蓄電池電機(jī)車的工作時(shí)間，減少了蓄電池年平均充電數(shù)，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。