窄軌電機車牽引變流器控制策略研究

王 瑋

（西山煤電東曲煤礦，山西 太原 030200）

引言

帶式輸送機、刮板輸送機、提升機、絞車以及窄軌列車均為煤礦的主要運輸設(shè)備。其中，窄軌列車主要承擔(dān)工作面運輸大巷以及地面長距離的運輸任務(wù)，鑒于煤礦工作面相對惡劣的工作環(huán)節(jié)且工況復(fù)雜，在實際運輸過程中經(jīng)常會遇到重載、爬坡以及負載突變的情況，即要求窄軌電機車具備大轉(zhuǎn)矩的啟動功能[1]。目前，針對窄軌電機車主要采用電阻調(diào)速和斬波調(diào)速為主，在實際應(yīng)用中存在電能浪費且轉(zhuǎn)矩不滿足運輸需求的問題。為此，基于PWM整流方案對窄軌電機車的核心牽引變流器控制，解決變流器功率因數(shù)低、電流畸變嚴重的問題。

1 牽引變流器概述

窄軌電機車為現(xiàn)代煤礦的主要運輸設(shè)備之一，主要承擔(dān)煤礦工作面及地面煤炭、矸石以及其他小型設(shè)備的運輸任務(wù)。

如圖1所示，受電弓將電能通過斷路器引入窄軌電機車的電機內(nèi)，在變壓器和牽引變流器的作用下實現(xiàn)了電能的交流-直流-交流的變換，最終將三相電提供給窄軌電機車。牽引變流器作為窄軌電機的核心設(shè)備，可分為整流器和逆變器，其主要任務(wù)分為兩個階段：一是完成三相電能的變化；二是對窄軌電機車電機的啟動、停機以及速度進行實時控制。

圖1 窄軌電機車動力傳動線路

隨著功率器件開關(guān)容量的提升，對于整流器而言，根據(jù)其整流原理的不同可分為電流型PWM整流器和電壓型PWM整流器。而且，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展PWM整流器可有效消除低次諧波，從而解決了傳統(tǒng)整流裝置對電網(wǎng)造成的干擾；所輸出的電壓穩(wěn)定性較好，可根據(jù)負載變化和網(wǎng)絡(luò)中的電壓值對輸出電壓進行精準調(diào)控[2]。

對于逆變器而言，在電力電子開關(guān)器件技術(shù)發(fā)展的推動下，主要以IGBT逆變器為主，其可適應(yīng)更高的電壓、更大的功率。目前，針對IGBT逆變器的控制主要以變壓變頻控制為主，其主要以空間電壓矢量調(diào)試為主，該方法能夠保證開關(guān)頻率的恒定。

本文重點以電壓型PWM變流器為載體對其控制策略進行研究。

2 牽引變流器控制策略研究

2.1 牽引變流器的雙環(huán)控制策略研究

牽引變流器作為窄軌電機車的核心部件，其屬于非線性耦合系統(tǒng)，其對應(yīng)的控制系統(tǒng)可分為電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)和電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。其中，電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)的核心為滑模變結(jié)構(gòu)，電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)的核心為前饋解耦控制。牽引變流器控制原理如下頁圖2所示。

圖2中滑?？刂平Y(jié)構(gòu)的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對電路中有功功率的有效控制，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定；基于前饋結(jié)構(gòu)模式的電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)可消除電路中的電流耦合，并通過對其中微分、積分參數(shù)的調(diào)整確?？刂葡到y(tǒng)的響應(yīng)特性和精準性[3]。

圖2 牽引變流器控制結(jié)構(gòu)原理圖

結(jié)合上述控制策略和思路，基于simulink軟件建立牽引變流器的PWM仿真模型，并采用矢量調(diào)制方法對信號進行控制。設(shè)定系統(tǒng)對應(yīng)交流側(cè)電壓的有效值為220 V，直流側(cè)電壓的有效值為800 V。系統(tǒng)在0.15 s時受到負載擾動時交流側(cè)電壓值和直流側(cè)電壓值輸出量的波動情況的仿真結(jié)果見圖3。

圖3 雙環(huán)控制策略下的系統(tǒng)輸出電壓的波動情況

如圖3所示，基于電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略下，當(dāng)系統(tǒng)對應(yīng)的負載恒定不變時其所輸出的直流和交流側(cè)的電壓值穩(wěn)定在恒定值或為正弦波，且對應(yīng)的電流與電壓處于相同相位；當(dāng)系統(tǒng)在0.15 s負載出現(xiàn)突變時，對應(yīng)輸出電壓值出現(xiàn)短暫的下降后快速恢復(fù)到預(yù)定值?？梢哉f，在雙環(huán)控制策略的作用下牽引變流器可實現(xiàn)對電機的電壓和電流的無靜差控制，而且在負載突變的情況其輸出電流和電壓的相位也可保持一致，證實雙環(huán)控制策略具有較好的魯棒性能。

2.2 最大轉(zhuǎn)矩的變頻控制研究

基于“2.1”中的雙環(huán)控制策略可保證窄軌電機車的輸出電流和電壓能夠根據(jù)控制指令穩(wěn)定、精準輸出。當(dāng)窄軌電機在上坡、下坡等復(fù)雜工況下運行時，要求控制系統(tǒng)能夠?qū)φ夒姍C車電機的轉(zhuǎn)速根據(jù)工況進行實時、高效、精準的控制，以確保窄軌電機車能夠獲得最大的啟動轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)矩，進而保其的穩(wěn)定運行[4]。為此，本文提出將基于最大轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速理念對窄軌電機的轉(zhuǎn)速進行控制，從而實現(xiàn)對設(shè)備速度的控制。

窄軌電機車最大轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速控制方案，其核心思想為基于恒壓頻比控制方案通過控制系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器對電機轉(zhuǎn)差角頻率進行控制，從而消除電機給定轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速之間的偏差。基于最大轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速控制方案建立如圖4所示的仿真模型，對該變頻調(diào)速控制方案的控制效果進行仿真分析。

基于如圖4所示的仿真模型設(shè)定的仿真參數(shù)為：窄軌電機車電機額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，主要對窄軌電機車空載啟動突加負載（添加負載的時間為0.6 s）時系統(tǒng)的響應(yīng)特性進行分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 最大轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速控制策略仿真模型

圖5 突加負載時窄軌電機車電機轉(zhuǎn)速的波動情況

如圖5所示，當(dāng)窄軌電機在空載啟動突加負載時，窄軌電機車電機的輸出轉(zhuǎn)速出現(xiàn)短暫的波動后馬上恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速。即基于最大轉(zhuǎn)矩的變頻控制系統(tǒng)就有較快的響應(yīng)特性。同時，在負載波動時窄軌電機車輸出電壓和電流值均能夠平穩(wěn)過渡，保證電機所輸出的轉(zhuǎn)矩保證最大值；該項特征非常適用于對窄軌電機車對轉(zhuǎn)矩的特殊控制要求。

3 結(jié)論

1）基于滑模控制結(jié)構(gòu)的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對電路中有功功率的有效控制，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定；基于前饋結(jié)構(gòu)模式的電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)可消除電路中的電流耦合，并通過對其中微分、積分參數(shù)的調(diào)整確保控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性和精準性。經(jīng)過仿真分析得出：在雙環(huán)控制策略的作用下牽引變流器可實現(xiàn)對電機的電壓和電流的無靜差控制，而且在負載突變的情況其輸出電流和電壓的相位也可保持一致，證實雙環(huán)控制策略具有較好的魯棒性能。

2）基于最大轉(zhuǎn)矩的變頻調(diào)速控制策略，在雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上可保證系統(tǒng)在負載突變或復(fù)雜工況下確保窄軌電機車轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過渡同時，保證電機輸出的轉(zhuǎn)矩為最大值。

3）本文所提出的雙環(huán)和最大轉(zhuǎn)矩控制策略可被應(yīng)用于窄軌電機車的啟動、制動以及調(diào)速控制中。