礦用直流電機車斬波調(diào)速系統(tǒng)勵磁方式研究

馮高明, 何艷杰

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

由于礦用電機車在煤礦巷道作業(yè)時,所處的工作條件較差,要求電機車應(yīng)具有良好的啟動性能、調(diào)速性能以及動態(tài)性能等，而這與直流電動機的勵磁方式是密切相連的[1～5]。本文詳細分析直流電機的勵磁方式，得出直流電機他勵、串勵和并勵方式均能夠通過調(diào)節(jié)電壓進行調(diào)速，建立電機車直流脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)斬波調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，實現(xiàn)對直流電機的控制，得出直流電機3種(他勵、串勵、并勵)勵磁方式運行規(guī)律的特性曲線，對于提高礦用電機車運行的工作效率及理論學(xué)習(xí)具有一定的理論價值和指導(dǎo)借鑒意義。

1 直流電機的勵磁方式

勵磁方式是勵磁繞組和電樞繞組之間的連接方式。直流電機的勵磁方式分為他勵、并勵、串勵以及復(fù)勵4類，其中復(fù)勵電機應(yīng)用相對較少，不做討論。如圖1所示，U為電樞電壓，Uf為勵磁電壓，Ia為電樞電流，If為勵磁電流，I為主電源電流。

圖1 直流電機的勵磁方式

當(dāng)上述3種電機滿足各自轉(zhuǎn)速特性條件時，可得出轉(zhuǎn)速特性為

(1)

式中n并可由公式

(2)

另外,對于他勵、并勵、串勵、復(fù)勵直流電機而言，雖然他勵和并勵直流電機的機械特性相似，但前者的機械特性“最硬”[6，7]。通過分析式(1)可知，他勵、并勵以及串勵電機的轉(zhuǎn)速n與電壓Ua和電樞電流Ia成函數(shù)關(guān)系，可以利用PWM驅(qū)動絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制電壓Ua，進而對他勵、并勵和串勵直流電機調(diào)速。

2 電機車直流PWM斬波調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

圖2為系統(tǒng)仿真模型，選用2相Universal Bridge模塊,由雙極式控制電路(圖3)進行驅(qū)動。圖3中，2個PWM發(fā)生器模塊產(chǎn)生4路脈沖驅(qū)動信號，并經(jīng)過增加的Selector模塊改變脈沖序列，使2相Universal Bridge模塊能夠同時實現(xiàn)對角IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。而IGBT存在導(dǎo)通與關(guān)斷時間，故在下橋臂設(shè)置延遲時間(0.001 s)[8，11]，以避免多功能橋的上下橋臂同時關(guān)斷和導(dǎo)通。通過改變步長Step的值(-1～1)[12，13]，可實現(xiàn)直流電機調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。

圖2 直流PWM斬波調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖3 雙極式驅(qū)動控制系統(tǒng)模型

3 仿真結(jié)果分析

礦用電機車作為煤礦巷道的主要運輸工具[14，15],由于運輸生產(chǎn)的需要,需經(jīng)常變速運行，要求電機車具有良好的啟動性能、調(diào)速性能以及動態(tài)性能等。而上述性能與直流電機的勵磁方式緊密相關(guān)。

仿真采用額定功率為17 kW的直流電動機,直流電動機參數(shù)為額定電壓Vn為220 V，額定功率Pn為17 kW，額定電流In為88.9 A,額定轉(zhuǎn)速Nn為3 000 r/min，電樞總電阻值Ra為0.087 Ω，勵磁總電阻值Rf為181.6 Ω，轉(zhuǎn)動慣量J為0.759 kg·m2，極對數(shù)p為1。直流電動機的其他參數(shù)經(jīng)計算為:電樞電感量La=0.003 2 H，電樞互感量Laf=0.56 H，額定負載轉(zhuǎn)矩TL=60.1 Nom。

3.1 同負載下3種勵磁方式的啟動性能分析

選用的電機車應(yīng)具有良好的啟動性能，為限制啟動電流，仿真中采用低壓啟動方法進行啟動。設(shè)置電源E為220 V，Step為0.4，負載為0.5TL，預(yù)置仿真時間為4 s。改變直流電動機的接線方式，得出同負載情況下3種勵磁方式的轉(zhuǎn)速和電樞電流響應(yīng)曲線如圖4、圖5所示。

圖4 同負載下3種勵磁方式轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖5 同負載下3種勵磁方式電樞電流響應(yīng)曲線

從圖4中可以看出，在同負載情況下，仿真時間在4 s時他勵、串勵和并勵方式均已達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，分別為1 045，721，2 752 r/min。而串勵方式所需時間最短,為0.35 s，他勵方式次之,為0.95 s，并勵方式最長,為3.98 s，并且串勵方式的最大啟動電樞電流最小。仿真結(jié)果說明同負載情況下串勵方式的啟動性能較其他2種勵磁方式好，能夠滿足礦用電機車啟動快，啟動能量消耗小，啟動平穩(wěn)的要求。

3.2 額定負載下3種勵磁方式的調(diào)速性能分析

仿真通過改變Step(占空比P)值的大小，進而使輸入電機的端電壓在0～220 V變化。設(shè)置負載為1TL，在不同Step值下分別測出3種勵磁方式下電機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，繪制出額定負載情況下3種勵磁方式的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速隨輸入電壓變化的曲線，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速隨輸入電壓變化曲線

可以看出，額定負載情況下他勵方式的轉(zhuǎn)速與輸入電壓的變化曲線近似于直線，而其他2種勵磁方式的變化曲線不同。說明額定負載情況下，礦用電機車他勵方式在采用直流PWM斬波系統(tǒng)進行調(diào)速時，所具有的調(diào)速性能明顯優(yōu)越于其他2種，能夠很好地滿足電機車巷道運行的調(diào)速要求。

3.3 負載突變時3種勵磁方式的動態(tài)性能分析

為進一步研究礦用電機車在負載突變時，3種勵磁方式的適應(yīng)性，對負載突增/減擾動情況下直流電機3種勵磁方式的轉(zhuǎn)速動態(tài)過程和響應(yīng)進行了計算與分析。設(shè)置Step(占空比P)值為0.4，負載變化為0.5TL～1TL和1TL～0.5TL。直流電機3種勵磁方式的轉(zhuǎn)速動態(tài)過程和響應(yīng)如圖7所示。

圖7 負載突變時3種勵磁方式的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

可以看出：在t=6.0 s突然改變負載情況下，他勵方式下的速度響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)速最大下降為56 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間為0.49 s，而并勵和串勵方式的速度響應(yīng)曲線的轉(zhuǎn)速最大下降值分別為343，224 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時間分別為 3.98，0.21 s。因此，礦用電機車在負載突變時，他勵方式在速度響應(yīng)方面明顯優(yōu)于并勵方式和串勵方式，較適于負載突變的場合。

4 結(jié) 論

1)同負載情況下，串勵方式的礦用電機車啟動性能較好，能夠滿足礦用電機車頻繁啟動的要求。

2)他勵方式的礦用電機車較并勵和串勵方式具有更好的電壓調(diào)速特點，更加適用于額定負載長距離運輸，尤其是爆炸性物品的安全運輸。

3)他勵方式的礦用電機車在應(yīng)對負載突變時，其調(diào)速轉(zhuǎn)矩最好，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變化小并且恢復(fù)所用時間短。而串勵方式的礦用電機車能夠維持其功率基本不變。