礦用電機車變頻調速系統研究

郭軍凱

（山西焦煤西山煤電東曲礦， 山西 古交 030200）

0 引言

我國大部分礦用蓄電池電機車的傳統系統采用直流系統，其調速方式有串電阻調速和直流斬波調速兩種。在電樞回路串聯電阻，可以實現直流電機的啟動和調速，但是這種方式在結構上占用空間大，電阻箱也存在散熱等問題，在性能上不能實現無級調速且浪費電能，不符合企業節能減排的發展方向，已經被淘汰。斬波調速雖然無電阻箱發熱問題，且能夠實現無級調速，是電機車調速模式的一大進步，但是直流斬波調速存在控制死區，可調范圍較窄，而且調速時間長會出現發熱問題。目前最先進的電機車調速方式是變頻調速，采用交流電機代替直流電機，主電路采用先進的電力電子器件組成，控制上采用直接轉矩控制技術，在機械結構、調速范圍、控制方法等方面均具有先進的性能[1]。

1 交流電機的優點

1）功率密度和轉矩密度大。對于礦用電機車配置的牽引電機而言，直流電機的功率密度大約為0.3 kW/kg，交流電機的功率密度大約為0.7 kW/kg；直流電機的轉矩密度大約為1.1 Nm/kg，交流電機的轉矩密度大約為1.3 Nm/kg；交流電機的功率密度是直流電機功率密度的2 倍左右，而交流電機的轉矩密度是直流電機轉矩密度的120%左右。

2）免維護、結構簡單耐用。直流電機的定子和轉子是分體的，并且換向器占用安裝空間，換向電刷容易出現火花，在使用一段時間后會出現自然磨損，需要更換維護[2]。交流電機的結構緊湊，定子和轉子之間通過鐵心、拉桿和壓板等結構連接為一個整體，轉子由鑄鋁和硅鋼片壓制而成。

3）設備占用空間小、散熱效果好。交流電機的轉矩密度、功率密度隨著傳動比的提高而提高，性能提高空間大。由于不需要安裝換向器，節省的安裝空間既可以用來提高電機的性能，也可以提供更多的散熱空間。

2 變頻調速系統結構

圖1 是電機車變頻調速系統的結構，系統分為主電路部分和控制電路部分。主電路部分從左至右依次為升壓電路、濾波電路、逆變電路和直流電機。控制電路以DSP 控制器為核心，控制器的輸入電路有主電路的電壓電流檢測電路、溫度檢測電路以及來自司機控制臺的閉鎖電路，控制器的輸出電路有蜂鳴器報警電路和IGBT 驅動電路。

圖1 電機車變頻調速系統的結構

正常工作狀態下，IGBT 驅動電路將DSP 控制指令進行功率放大，按照程序中的控制策略開通或關斷開關管Sx（x 代表a、b、c），直流電壓在此作用下被變換為高頻的PWM波，在直流電機電樞電感的濾波作用下形成正弦波，電機的轉速隨此正弦波的頻率變化而變化，達到電機車調速的目的。如果DSP 控制接收到來自控制臺的閉鎖信號、超限的溫度檢測信號或者IGBT 驅動電路故障信號，則啟動保護邏輯，指令信號全部為關斷信號，所有開關管關閉，達到保護電機的目的[3]。

3 主電路設計

3.1 蓄電池組

升壓電路由蓄電池組、熔斷器、二極管、限流電阻和繼電器組成，蓄電池組是電機車的動力來源，也是整個系統的安全薄弱環節。由于電機車的工作環境是在井下，可能存在瓦斯氣體，或者空氣中相對濕度較大，因此在電池箱體的設計上必須考慮足夠的防爆措施和散熱通風空間。電池的接線柱采用雙柱頭雙接線焊接結構，電池加液孔加裝專用排氣裝置。蓄電池采用96 節鉛酸蓄電池串聯形成，額定電壓為192 V，當電池電量下降后，端電壓也隨之下降，端電壓下降到165 V 時需要充電[4]。二極管、限流電阻和繼電器的作用是防止電機車在剎車時向蓄電池反送電，當電機車剎車時，繼電器線圈得電，繼電器常閉觸點斷開，由于二極管的單向導通效應，由電機反送的電流被電容器組吸收，無法向蓄電池充電，保護了蓄電池的安全性。

3.2 濾波電路

濾波電路接在升壓電路的輸出端與逆變電路的輸入端之間，由電容器C1—C10 并聯組成。濾波電路最主要的作用是濾除電壓波動，為逆變電路提供一個穩定的直流電壓。除此以外，還有抵消母線電感效應、吸收急停時的反向充電電流的作用[5]。從性能和安全角度而言，電容器組的容量越大，穩壓效果和儲能效果越好，實際在設計時滿足直流電壓在允許波動范圍內即可，本文根據電機功率選擇單個電容器容量為3 300 μF。

3.3 逆變電路

三相全橋逆變電路是主電路的核心部分，由6 只IGBT 開關管組成，2 只IGBT 串聯組成一個橋臂，上下兩個橋臂以高頻變化的占空比交替互補開通，中間輸出一相電壓。逆變電路可以由6 只單獨的IGBT 開關管組成，也可以選用集成好的功率模塊IPM，這類型功率模塊內部集成了IGBT 組，并且還有完善的驅動電路和保護電路，這些保護電路在檢測到通過IGBT 的電流過大、IGBT 兩端承受電壓過大或模塊過熱等情況時能夠向控制器發出故障信號，控制器可以封鎖脈沖，保護模塊不受損壞[6]。

4 控制電路設計

4.1 電壓檢測電路

電壓檢測電路檢測濾波電路的直流電壓，用于控制器進行控制。由于DSP 控制內部集成了ADC 模塊，其能夠將3 V 的模擬電壓信號轉換為數字信號，供內部程序使用。為了使濾波電路的高電壓能夠轉換為DSP 接收的低電壓，采用兩只電阻串聯分壓的方式組成電壓檢測電路，得到低電壓后經過濾波、限流、再濾波，可以直接輸入給DSP 的ADC 模塊。分壓電阻根據直流電壓的范圍和系統所需精度確定，選擇5.62 kΩ 和100 kΩ 精密電阻，限流電阻為4.7 kΩ，濾波電容選擇10 nF。

4.2 電流檢測電路

電流檢測電路采集逆變器的輸出電流，用于變頻調速的閉環控制，另一方面也反映了電機的電樞電流，可以實現電機的相關保護。電流檢測電路由霍爾傳感器、電流電壓轉換電路、濾波電路組成，霍爾傳感器將主電路的大電流信號轉換為0～20 mA 的小電流信號，還能實現電氣隔離，小電流信號經過運算放大電路被轉換為0～3 V 的電壓信號，經過濾波電路送給DSP 的ADC 模塊。

4.3 司控臺閉鎖電路

由于電機車為雙方向行進設計，因此在電機車兩端均設有司控臺，為保障司機在前進方向上視野清晰，操作方便，兩個控制臺的控制權需要實現相互閉鎖，主司機控制臺在控制電機車時，副司機控制臺無法操作，反之亦然。司控臺通過電位器發送變化的電壓信號，此電壓信號由屏蔽電纜傳輸至閉鎖裝置，經閉鎖裝置選擇一路輸出，給到DSP 控制主板。

4.4 溫度檢測電路

雖然功率模塊內部集成了溫度保護電路，但是其保護范圍有限，只能測量功率模塊內部溫度，且保護溫度的值不可調整，因此有必要為系統單獨設計溫度檢測電路。熱敏電阻的特性是其電阻值隨溫度的升高而降低，當給定電壓信號在熱敏電阻和普通電阻之間分壓時，熱敏電阻上的電壓值就能間接反應環境溫度。熱敏電阻可布置在蓄電池組、濾波電容器、DSP 控制器等溫升較大的位置，用于保護各個裝置。

5 結論

1）維修費用更低，電能節省更多。采用變頻調速系統以后，電機車維護工作省去了換向電刷維護工作，電機車在低速運行時更加節能，沒有調速電阻損耗電能，在電機車減速、下坡或剎車等情況下機車的動能被電容器吸收，這部分電能還可以有效利用。

2）安全性更佳，調速性能更優。采用交流變頻系統以后，提高了電機車的黏著利用率，拓寬了調速范圍，低速可達100 r/min，高速可達600 r/min。司機的停車、加速、減速和換向等操作更簡單。