礦用電機車重聯同步控制策略的研究與應用

張 凱

（山西華鑫電氣有限公司，山西 陽泉 045000）

引言

在礦用電機車無線重聯同步控制系統的研發中共有重聯方式的選擇、無線通信的選擇、網絡架構的設計以及重聯同步控制策略的設計四個核心點。其中重聯同步控制策略不僅是設計核心點更是設計難點。合理的重聯同步控制策略不僅是兩臺重聯機車共同出力、平穩運行的基礎，而且還是應對各種特殊情況的保障，如起步打滑、底卸放煤。

1 重聯機車運行狀態分析

本文以雙機重聯中最復雜的車型——雙駕駛雙變頻礦用電機車為基礎，對機車正常運行進行相關技術分析。為了論述方便準確，將對重聯機車中2臺機車的4臺電機進行標注定義，具體可分為主控機車主控電機、主控機車從控電機、從控機車主控電機、從控機車從控電機。

對于正常行車的重聯機車來講，其4臺電機以等速同負荷的方式運行才是其最佳工作狀態。其中單臺礦用電機車內部的2臺電機由于共同安裝在一個車架中，故而可以近似看作是鋼性連接；而重聯主控機車與從控機車之間雖然采用的是半鋼性連接，但由于半鋼性的范圍較小，在極限時可以轉變為鋼性連接，此時主從機可以通過負載耦合來同步車速，故同樣可以以鋼性連接的方式來進行相關數據分析。

重聯主控機車與從控機車之間的負載耦合是一個動態且非線性的過程，該過程的快慢、平穩將是重聯機車同步運行的關鍵。

2 基于速度控制的轉矩跟隨功率平衡策略

根據礦用電機車的相關技術知識可知，在正常運行狀態下，同規格機車的車速與電機轉速，也就是與變頻器的輸出頻率之間成固定的線性關系，再加之重聯機車可以以鋼性連接的方式來進行相關數據分析，因此重聯機車之間的同負荷等速控制就可以等效為重聯機車內部電機之間的功率平衡控制。

基于轉矩跟隨的功率平衡策略的核心思想是：通過轉矩給定控制的方式來直接控制每臺電機的輸出轉矩，進而控制電機的輸出功率，也就是電機運行電流，來達到多臺電機輸出功率的一致性。

要實現多臺電機基于轉矩跟隨的功率平衡控制，首先應與電機負載與額定功率的客觀水平相結合進行轉矩分配，而后依靠直接轉矩控制使電機控制與功率平衡的目的得以實現。

假設單臺電機的額定功率λi分配系數為可由下面的公式得出

式中：Pi為第i臺電機的額定功率為受控電機的總額定功率；N為受控電機的總數量。

功率分配系數λi滿足歸一化條件，即

功率與轉矩的關系滿足如下等式：

式中：T為電機的輸出轉矩；ω為電機的角速度。

電機輸出經過固定齒比減速器后的角速度與電機角速度的關系公式如下：

式中：ω'為電機輸出經過固定齒比減速器后的角速度；μ為電機所連接減速器的傳動比。

對于電機車驅動機構而言，車輪角速度就是電機輸出經過固定齒比減速器后的角速度，車輪角速度與線速度的關系公式如下：

式中：v為電機所帶車輪的線速度，在不打滑的情況下，就等于機車速度；r為電機所帶車輪的半徑。

將公式（3）（4）代入到公式（2）可得如下公式：

通過公式（5）可知，在礦用電機車的應用中，第i臺電機的輸出功率與電機的輸出轉矩、所帶車輪的線速度與半徑以及減速器的傳動比有關。

當礦用電機車處于正常的牽引狀態下時，也就是處于非打滑狀態時，功率分配系數只與車機減速器的傳動比以及機車車輪半徑有關，而與速度無關。也就是只要機車不發生打滑情況，基于轉矩跟隨的功率平衡控制策略均適用于從起步到額定速度的任意工作狀態。

由于重聯中采用的是2臺同規格礦用電機車，其牽引電機、減速器、車輪規格均完全相同，根據公式（1）與（5）可知，在正常的牽引狀態下，4臺電機的功率平衡就等同于4臺電機的輸出轉矩相同，即分配系數

根據轉矩跟隨的功率平衡策略的相關理論可知，電機之間通過硬連接來實現等速運行是該理論的基礎，而機車內部的2臺電機以及重聯的2臺機車之間并不是直接的硬連接，所以要對從控電機以及從控機車進行對應的速度控制。

以正常運行的機車內電機功率平衡控制為例，因為同一臺電機車上的2臺牽引電機、減速器、車輪規格均完全一樣，故同一臺機車上的車輪速度必然相同，也就是說2臺牽引電機的角速度是完全相同的。那么對于這2臺電機的功率分配問題，就可以根據公式（1）與（5），就可以得出以下關系：

式中：T1'為1號牽引電機的給定轉矩；T2'為2號牽引電機的給定轉矩。

通過公式（6）可知，只需要將功率平衡控制中主機的輸出轉矩作為從機給定值即可實現2臺電機功率平衡調節。

基于上述理論，對于正常狀態下的重聯機車的功率平衡調節給定策略如下：

1）司機的給定操作直接給定到主控機車的主控電機；

2）從控電機以主控電機的輸出（輸出頻率、輸出轉矩）作為給定值；

3）從控機車以主控機車的輸出（輸出轉矩）作為給定值，即主控機車中主控電機的輸出值是從控機車中主控電機的給定值。

由于重聯機車之間的負載耦合是存在一個半鋼性與鋼性相互變化的過程，根據轉矩控制的特性可知，當給定轉矩大于負載轉矩時電機將按加速曲線加速至給定頻率，也就是說從控機車在給定轉矩大于其負載后會呈現加速運行狀態，故而在重聯機車負載耦合時會產生較大的沖擊。為了保證負載耦合過程的快速性，同時減少在負載耦合過程中的沖擊問題，可在從控機車的控制策略中加入PID控制器對從控機車進行速度調節，具體內容如下：

以主控機車的輸出轉矩作為PID的設定值；以從控機車的輸出轉矩作為PID的反饋值；以主控機車的輸出頻率×（1+PID的調節值）作為從控機車的頻率給定值；PID控制器采用雙向調節正向控制方式，即從控機的頻率給定值同從控機車的轉矩給定值與其反饋值的差值成正向控制關系；模糊PID、神經網絡PID等智能算法可以帶來更好的調節效果。

因為重聯機車每趟運行的負載分布都不一樣，再加之負載耦合是一個動態的過程，所以對于傳統PID控制器的各項參數的整定值不易獲取。重聯機車之間的負載耦合過程中的沖擊問題僅存在于從控機車的轉矩給定大于負載的情況下，且從控機車負載的增加并非線性，而是階梯性變化。綜上所述，僅需要對從控機車輸出頻率加以限制，來控制負載耦合過程中的車速，即可達到減少沖擊的目的。也就是說，將基于PID速度控制的轉矩跟隨功率平衡策略中的PID調速算法這塊直接由“主控機車輸出頻率×（1+設定值）”來代替。具體內容如下：

將PID調速算法用主控機車輸出頻率×（1+設定值）來代替，作用于從控機車的給定頻率；從控機車的給定頻率一般情況下小于等于其額定工作頻率，也就是50 Hz；對于平穩性要求不高的應用場合，設定值可以采用固定值方式，推薦0.2~0.3；對于平穩性要求較高的應用場合，設定值可以跟據從控機車的輸出轉矩與給定轉矩之間差值的大小做簡單的線性或非線性調節。

3 結論

采用基于速度控制的轉矩跟隨功率平衡策略的礦用電機車無線重聯同步控制系統已經在陽煤集團五礦的12T礦用防爆特殊型蓄電池電機車上得到了應用。經過半年以上的測試與使用，重聯車組起步平穩、牽引有力、同步性好，且易于操控可滿足用戶的既定要求，從而證實了基于速度控制的轉矩跟隨功率平衡策略的可行性與實用性。