蓄電池電機車變頻調速系統設計與應用

劉宏偉

（山西焦煤西山煤電集團有限公司西銘礦，山西 太原 030052）

引言

電機車是煤礦井上井下長距離運輸的主要方式，主要有架線式電機車和蓄電池電機車兩種，架線式電機車通過受電弓和機車軌道與直流電源形成回路，這種架線式電機車雖然不需要對蓄電池充電，但是需要建設線路，同時也存在雜散電流的危害。蓄電池電機車通過蓄電池帶動直流電機，不需要建設線路，也沒有雜散電流現象。蓄電池電機車需要在電池欠壓后充電，調速方式有電樞回路串電阻方式和直流斬波調速兩種。這兩種調速方式各有優點，但是也存在可靠性低、能耗高的缺點。隨著電力電子技術的發展，變頻器驅動的交流電機車的應用越來越展現了其優勢，交流電機不僅沒有換向器，也沒有電阻能耗，對于煤礦企業提高能效和可靠性具有重要意義。

1 變頻調速的優勢

蓄電池電機車的牽引電動機為直流電動機，直流電機的換向器和電刷是最容易產生故障的部件，換向過程中產生的火花極易引起井下瓦斯爆炸。實際生產中常采用串電阻調速和斬波調速的方式進行控制。在啟動和調速過程中，電樞回路串連電阻的電阻上有電能消耗，不符合企業節能減排綠色發展的定位。斬波調速的無級調速性能和能源消耗有所進步，但是存在控制死區，影響了調速區的開放角度。蓄電池電機車的動力來源是直流蓄電池，可以通過變頻技術將直流電逆變為交流電，采用交流異步電機拖動電機車，這種調速方案稱之為變頻調速。變頻調速的優點很多，從電機本身性能和電能變換的控制性能和利用率等方面均具有質的飛躍。

2 變頻系統硬件結構

系統的硬件結構如圖1 所示，主要由直流母線部分、主副司機控制臺、IGBT 逆變電路、主控電路及信號檢測和保護電路組成。直流母線的主要器件為蓄電池組和濾波電容，司機控制臺包括控制線路和操作閉鎖方案，IGBT 逆變電路為三菱公司的模組，主控電路采用以DSP F2407 為核心的控制板，保護電路有欠壓保護、短路保護和過載保護等[1-2]。

2.1 主控制板

DSP 是一種實時信號處理能力強的控制器，在運動控制領域被廣泛應用。TI 公司生產的TMS320系列代碼兼容、功耗小、存儲功能強大，本文選擇TMS320 F2407 芯片為主控芯片。外圍電路包括監控電路、電源電路、時鐘電路和模數采樣調理電路等。

2.2 直流母線

如圖1 所示，直流母線主要由蓄電池組和儲能電容組成，其他輔助電路還有熔斷器和電壓檢測電路等。蓄電池組的設計需要重點考慮防爆性能和蓄電池產生氣體的釋放，在設計蓄電池接線柱頭時采用特殊嚴密焊接結構，加液口的排氣栓方便電池組氫氣排出，同時還能避免電解液濺出。設計蓄電池組端電壓為192 V，采用96 節鉛酸蓄電池串聯組成，低電壓充電電壓為165 V。電容器組是直流母線的重要器件，可以吸收由電流突變產生的電壓尖峰，提供輸入電流，吸收開關管急停的電機去磁能量。電容器的電壓滿足192 V 耐壓情況下，容量越大濾波效果越好，電容器組串聯實現耐壓目的，并聯實現擴容目的，在安裝時注意控制布線長度，以免線路寄生電感產生電壓尖峰。

圖1 蓄電池電機車變頻調速系統結構

2.3 操作閉鎖方案

為了提高電機車的安全性，保證電機車的前進方向改變后，司機始終保持在前進方向獲得最好的視野，在電機車的一主一副司機控制室設置在機車首尾兩端。主副司控操作臺操作功能基本相同，同時只能由一名司機進行操作，實現功能相互閉鎖。控制電路閉鎖方案接線圖如圖2 所示，用12 芯屏蔽線將9 路控制信號由主駕駛室接至副駕駛室，速度給定信號通過電位器調節，正反轉和相互閉鎖由干簧管操作手柄確定，兩個控制器中的一個的調速手柄置于零位時，另一個操作手柄才能與調速電位器連接起來，實現調速功能[3-4]。

圖2 主副駕駛操作閉鎖方案接線圖

2.4 IGBT 模塊及其驅動

IGBT 是圖1 中完成電能由交流變直流的核心器件，具有大電流、高電壓、高頻率的特點，是功率半導體的主流器件。IGBT 模塊的封裝形式多種多樣，有單管封裝、半橋封裝、全橋封裝等類型。IGBT的選擇主要取決于電壓、電流和封裝形式，對于直流192 V，功率44 kW的蓄電池電機車，根據滿載電流2 倍的選取原則，選擇三菱公司生產的600 V、600 A的半橋模塊CM600DY-12NF，這款模塊通態飽和壓降僅為1.7 V，損耗非常低[5-6]。IGBT的輔助電路有驅動電源和驅動電路，采用單端反激電路作為模塊驅動電源。開關電源的輸出形式有電壓型和電流型，由于電壓型控制的開關電源為單閉環二階系統，電感電流不參與控制，穩定條件比較苛刻，因此選擇電流型電壓電流雙閉環開關電源，很容易獲得較大開環增益的電感電流。

2.5 電流傳感器

變頻調速系統的控制策略為無速度傳感器的直接轉矩控制，需要獲取較高精度的電機定子電流，因此需要布置一個穩態和動態性能都滿足要求的電流傳感器。零磁通型霍爾電流傳感器的測量范圍寬，從直流到頻率100 Hz的交流信號均能夠準確分辨，同時與主電路沒有直接的電氣聯系，實現了電氣隔離。根據電機功率和電壓，電機定子額定電流為254 A，因此可選擇300 A的電流互感器，輸出15 mA的電流信號，實際采樣效果表明其動態特性滿足調速系統的要求。

3 應用效果

1）機械損耗小。交流電機沒有換向器，不需要定期維護。變頻調速系統的制動方式為電制動，閘瓦起輔助作用，維護頻率可大大降低。

2）調速和制動性能好。變頻調速的調速范圍為低速100 r/min，高速600 r/min，調速范圍寬。變頻調速電機車的黏著利用率高，在撒沙的情況下可達到0.36，啟動黏著系數則更高，因此交流電機車的牽引力和爬坡能力更強。

3）經濟性好。除了節省維護費用，變頻電機車調速不存在電阻上的電能損耗，相較于串電阻調速和斬波調速，電能節約在20%以上，每臺機車的支出節省可達5 萬元以上。

4）操作簡單。司機的操作為選擇檔位和推動司控器手柄，停車、換向、加減速等操作均通過自動裝置完成，減輕了司機的培訓和勞動強度。

5）故障率低。直流電機容易出現環火和磨損，異步電機誤整流子，可靠性較高，司控器和逆變器均為無觸點電路，避免了觸點類故障。

4 結論

與電樞回路串電阻和直流斬波調速相比，變頻調速電機車具有機械損耗小、調速和制動性能好、經濟性好、操作簡單和故障率低的優點，值得企業推廣。