基于力矩模式的礦山牽引電機車控制系統的研究與實現

宗 劍， 阮 毅， 陳名輝， 徐立波

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072;

2.上海應用技術學院電氣與電子工程學院，上海 201418)

0 引言

礦山牽引電力機車是礦山重要運載設備，逐漸由交流電機驅動取代直流驅動。牽引系統供電電源大多處在負荷的末端，電壓波動較大，電能質量較差。機車運行軌道多數依地形而鋪設，機車運行顛簸常使受電電弓掉電而中斷供電。應用中要求機車控制系統能適應頻繁起動、制動、加速、減速等不同工況，同時要求牽引電力機車具有起動轉矩大、帶負載能力強、對供電電壓波動適應能力強等特性［1，5-6］。

傳統的牽引電機控制多采用速度閉環控制。但是，機車的頻繁起動、制動、加速、減速會導致電網波動較大，給控制帶來很多困難，特別是在減速、制動過程中機車運行平穩性較差，制動產生的能量會導致電壓泵升，給礦山供電系統的絕緣帶來嚴重考驗。在滿足電力機車供電及控制要求的前提下，研究采用力矩模式，實現礦山牽引電力機車的控制，在一定程度上抑制電壓泵升，對礦山供電系統的安全有重要意義［2-6］。

1 電機控制模型［2］

牽引電機采用異步電機成為主要趨勢，但異步電機具有非線性、強耦合、多變量等性質，要獲得良好的調速性能，必須從動態模型出發。經過Clarke變換和Park變換后，可獲得由靜止坐標系變換到任意旋轉坐標系(d-q坐標系)下狀態方程。

為獲得等效直流電機模型，按照直流電機的控制方法控制電磁轉矩和磁鏈，采用以ω-is-Ψr為狀態變量，可得到按轉子磁鏈定向矢量控制系統，為保持dq旋轉坐標系與轉子磁鏈矢量嚴格保持同步旋轉，使d軸與轉子磁鏈矢量重合，可得按轉子磁鏈定向同步旋轉的M-T坐標系。由于M軸與轉子磁鏈矢量重合，故有:

為保證M軸與轉子磁鏈矢量嚴格重合，還應滿足:

可獲得按轉子磁鏈定向同步旋轉坐標系M-T中狀態方程:

由式(6)可以解得:

ω——電機實際轉速;

ω1——同步轉速;

ωs——轉差;

Ψs、Ψr——定、轉子磁鏈;

np——電機極對數;

下標 r、s——轉子、定子。

經過坐標變換和按轉子磁鏈定向，三相異步電機等效為一臺由ism和ist為輸入，ω為輸出的直流電機。m繞組相當于直流電機的勵磁繞組，ism相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，ist相當于電樞電流。

2 力矩模式控制系統

在按轉子磁鏈定向的矢量控制系統基礎上，結合礦山牽引電機車要求起動轉矩大、運行平穩，而對速度的控制精度要求不高等特點，為使控制系統簡單，可省去速度環節，將定子電流轉矩分量作為直接給定量，由機車司機直接對定子電流轉矩分量進行調節，這樣可以簡化控制系統的結構，減少控制系統的運算量，其特點是控制模式可以實現類似于汽車駕駛，對機車駕駛人員來說更容易接受。同時，這種控制方式又不同于直接轉矩控制，其基于按轉子磁鏈定向的矢量控制系統，既繼承了矢量控制方式控制連續平滑和無轉矩脈動的優點，又能達到對轉矩直接控制的效果。力矩模式結構圖如圖1所示。

圖1 力矩模式控制系統結構圖

力矩模式采用磁鏈開環的控制方式，無需計算轉子磁鏈幅值，但對于矢量變換而言，仍然需要轉子磁鏈的位置信號。為避免計算磁鏈相位角時受電機參數Tr和Lm變化的影響，系統盡可能加以簡化，控制中磁場定向采用間接定向，即用定子電流轉矩分量給定信號和轉子磁鏈給定信號計算轉差頻率給定信號，如式(11)所示，將轉差頻率給定信號加上實際轉速ω，得到坐標系的同步旋轉角速度，經積分環節產生矢量變換角，實現轉差頻率控制功能。

3 系統構建與試驗

系統主電路采用AC-DC-AC模式工作，由于采用力矩模式控制，在減速過程中不產生泵升電壓，故AC-DC采用二極管不可控整流。系統包括主電路、控制電路和附件。控制系統采用以微芯片dsPIC30F6010A為核心的控制器，包括電流、電壓檢測模塊，測速模塊，保護模塊和通信模塊等。控制系統和上位機部分通過CAN通信進行實時通信。系統主電路結構如圖2所示。

圖2 系統結構拓撲圖

試驗電機采用礦山牽引型異步電機，電機參數如下:PN=45 kW，f=50 Hz，IN=84 A，n=1 460 r/min，Te=286 N·m，Rs=0.120 3 Ω，Rr=0.096 89 Ω，Lm=0.081 57 H，Lr=0.084 55 H，np=2。為驗證控制系統的動態性能，測取系統起動、突加負載、突減負載、穩定運行時的定子電流波形。圖3～圖5分別為力矩模式下帶負載起動，突加、突減負載和穩定運行時A、C兩相定子電流波形圖。由所測波形可知，系統在突加、突減負載時響應迅速，負載變化時轉速能夠快速恢復，系統有較好的加載特性。

圖3 帶負載起動定子電流波形

圖4 突加負載、突減負載定子電流波形

圖5 穩態運行時定子電流波形

4 結語

試驗證明，采用力矩模式控制，系統運行穩定，能夠滿足系統起動時輸出大轉矩的要求，同時在頻繁切換時系統運行平穩，能夠有效克服在減速制動過程中直流母線電壓泵升，系統結構簡單、通用性很強，滿足工礦對牽引電機車控制性能要求。

［1］杜貴平，李樹強，姜孝華，等.礦用電機車最大轉矩交流牽引驅動系統［J］.電氣傳動，2010(8):16-19.

［2］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統–運動控制系統［M］.4版.北京:機械工業出版社，2009.

［3］李振璧，石曉艷.基于DSP控制的蓄電池電機車直流斬波調速系統［J］.煤礦機電，2007(2):26-28.

［4］王淑芳，楊智勇，席巍.礦用電機車調速控制系統研究［J］.金屬礦山，2009(8):101-105.

［5］葛麗霞.礦用機車直流電源變換器的研究開發［J］.機械管理開發，2010(3):44-46.

［6］盧文生，郭殿林，閆大新.基于DSP的礦井電機車調速系統的設計［J］.自動化儀表，2009(10):16-22.