矿用电机车变频调速系统研究

矿用电机车变频调速系统研究

罗超华

身份证号：440301198203154933

摘要：目前，我国大部分矿用蓄电池电机车的传统系统采用直流系统，其调速方式有串电阻调速和直流斩波调速两种。在电枢回路串联电阻，可以实现直流电机的启动和调速，但是这种方式在结构上占用空间大，电阻箱也存在散热等问题，在性能上不能实现无级调速且浪费电能，不符合企业节能减排的发展方向，已经被淘汰。目前最先进的电机车调速方式是变频调速，采用交流电机代替直流电机，主电路采用先进的电力电子器件组成，控制上采用直接转矩控制技术，在机械结构、调速范围、控制方法等方面均具有先进的性能。

关键词：矿用；电机车；变频调速系统

引言

矿用电机车作为煤矿井下长距离运输设备，主要负责井下各类资源材料如煤炭、矸石及矿用设备和人员的运送。受井下巷道狭窄、有害气体及粉尘大量积聚等恶劣环境因素的影响，矿用电机车多采用灵活性更强的蓄电池作为供电电源。在牵引调速方面，目前多数电机车采用以直流电机或交流异步电机为主的调速系统，二者在性能、环保及控制精度等方面均存在诸多缺陷。随着矢量控制、直接转矩控制等变频技术的发展，动态性能优良、功率密度更高的同步电机已成为目前电机车高效节能驱动的主要研究方向。

1变频调速系统结构

主电路部分从左至右依次为升压电路、滤波电路、逆变电路和直流电机。控制电路以DSP控制器为核心，控制器的输入电路有主电路的电压电流检测电路、温度检测电路以及来自司机控制台的闭锁电路，控制器的输出电路有蜂鸣器报警电路和IGBT驱动电路。正常工作状态下，IGBT驱动电路将DSP控制指令进行功率放大，按照程序中的控制策略开通或关断开关管Sx（x代表a、b、c），直流电压在此作用下被变换为高频的PWM波，在直流电机电枢电感的滤波作用下形成正弦波，电机的转速随此正弦波的频率变化而变化，达到电机车调速的目的。如果DSP控制接收到来自控制台的闭锁信号、超限的温度检测信号或者IGBT驱动电路故障信号，则启动保护逻辑，指令信号全部为关断信号，所有开关管关闭，达到保护电机的目的。

2矿用电机车变频调速系统研究

2.1系统设计的总体方案

本文的控制方式选用高性能微处理器的矢量管控，与一般的矢量控制相比具有计算量小等优势。矿用电机车上具有逆变器和电机等设备，本文将选用可以最大转矩限幅的调速系统，而且整个调速系统的主要特点为空间占比小、结构简单和易于操控[2]。本文设计的矿用电机车调速系统主要分为三部分，第一部分为参数检测层，主要由电参数检测、速度检测、故障诊断检测、光电编码器组成。电参数传感器用于采集电机的功率、电压、电流等参数；速度传感器用于采集电机的运行速度；故障诊断检测主要对电机车进行保护，用于启动限流过压保护；光电编码器用于提供给系统多路直流电源。第二部分为DSP控制层，该层是调速系统的核心部分，第一部分采集的参数信号会上传至这一部分，DSP根据检测信号进行分析判断，完成对A/D转换、计算电机的转速和位置、提供变频调速驱动信号等操作；第三部分是由逆变模块组成的执行层，逆变器通过DSP控制的电路发出的驱动信号输出相应频率的电压至电动机，实现对电机的启动和变频调速以及其他功能。

2.2软件、硬件设计

（1）硬件设计。本文所研究的矿用电机车变频调速系统采用ＤＳＰ作为控制板主控器，此外还包括蓄电池模块、ＰＣ上位机模块、ＩＰＭ驱动模块、ＩＧＢＴ功率模块、本安操作台和瓦斯板等，变频调速系统硬件结构如图３所示。其中ＤＳＰ主控器内集成了两相电流检测、温度采样、旋变位置检测等功能以及ＳＶＰＷＭ矢量控制算法以及无位置传感器控制算法。由系统所采集到的电机转速、转子位置及温度等信号通过Ａ／Ｄ转换输入至ＤＳＰ主控器后，由ＤＳＰ内置算法得到ＰＷＭ控制信号，该ＰＷＭ信号作为ＩＰＭ驱动模块的输入信号经光电隔离后输入至由ＩＧＢＴ组成的逆变电路，通过６路ＰＷＭ控制信号实现对电机的调速控制。系统上位机通过ＲＳ２３２与ＤＳＰ主控板实现通讯，从而实现各类参数显示及控制指令下达功能。（2）软件设计。系统软件采用模块化设计，主要包括主程序及中断服务程序两部分，其中主程序主要包括系统初始化及自检子程序，用于设置调速系统及初试保护等各类主要参数。系统主程序采用循环顺序执行模式，除初始化子程序外还包括串口通讯设置、电机运行模式选择、故障及运行状态监测、电机保护等子程序，通过循环运行以上子程序实现系统各类功能。系统中断服务程序主要包括ＡＤ采样中断子程序、ＳＶＰＷＭ矢量控制中断子程序。ＡＤ采样中断的主要作用是实现电机电流、转速、温度等参数在ＡＤ转换过程中的转换、中断、存储及读取等操作；矢量控制中断主要用于实现电机车永磁同步发电机的转子磁链定向控制，主要包括坐标变换、电流及转速控制。

ＰＷＭ控制信号产生等环节

2.5控制电路设计

（1）电压检测电路。电压检测电路检测滤波电路的直流电压，用于控制器进行控制。由于DSP控制内部集成了ADC模块，其能够将3V的模拟电压信号转换为数字信号，供内部程序使用。为了使滤波电路的高电压能够转换为DSP接收的低电压，采用两只电阻串联分压的方式组成电压检测电路，得到低电压后经过滤波、限流、再滤波，可以直接输入给DSP的ADC模块。分压电阻根据直流电压的范围和系统所需精度确定，选择5.62kΩ和100kΩ精密电阻，限流电阻为4.7kΩ，滤波电容选择10nF。（2）电流检测电路。电流检测电路采集逆变器的输出电流，用于变频调速的闭环控制，另一方面也反映了电机的电枢电流，可以实现电机的相关保护。电流检测电路由霍尔传感器、电流电压转换电路、滤波电路组成，霍尔传感器将主电路的大电流信号转换为0~20mA的小电流信号，还能实现电气隔离，小电流信号经过运算放大电路被转换为0~3V的电压信号，经过滤波电路送给DSP的ADC模块。（3）司控台闭锁电路。由于电机车为双方向行进设计，因此在电机车两端均设有司控台，为保障司机在前进方向上视野清晰，操作方便，两个控制台的控制权需要实现相互闭锁，主司机控制台在控制电机车时，副司机控制台无法操作，反之亦然。司控台通过电位器发送变化的电压信号，此电压信号由屏蔽电缆传输至闭锁装置，经闭锁装置选择一路输出，给到DSP控制主板。（4）温度检测电路。虽然功率模块内部集成了温度保护电路，但是其保护范围有限，只能测量功率模块内部温度，且保护温度的值不可调整，因此有必要为系统单独设计温度检测电路。热敏电阻的特性是其电阻值随温度的升高而降低，当给定电压信号在热敏电阻和普通电阻之间分压时，热敏电阻上的电压值就能间接反应环境温度。热敏电阻可布置在蓄电池组、滤波电容器、DSP控制器等温升较大的位置，用于保护各个装置。

结语

本文设计的矿用电机车变频调速系统在实际测试中实现了电机速度的准确平稳，实现了变频运行，同时大大降低了能耗，同时，检测系统故障保护水平提高，系统的稳定性得到了提高。该系统能较好地满足煤矿井下的矿用电机车运行工况，系统过载能力强，具有良好的应用前景及经济效益。

参考文献

[1]李伟.架线电机车变频调控装置的研究[J].矿业装备，2022（1）：208-209.

[2]王振.矿用电机车变频技术的应用[J].石河子科技，2021（6）：64-65.

[3]刘宏伟.蓄电池电机车变频调速系统设计与应用[J].机械管理开发，2021，36（7）：237-238；298.