蓄电池电机车调速系统分析及其改造设计

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1 引言

矿用电机车是煤矿工业的重要运输工具。由于煤矿井下的工作环境十分恶劣，对电机车的电气驱动系统要求很高。然而，当前矿用电机车采用结构复杂、造价昂贵、故障率高、维修费用大的直流电机驱动，调速系统还是采用的原始落后的电阻降压调速方式，这种多级触头变阻调速器常因触头产生较强火花而烧损，所以维修量大。同时，电机车带电阻运行导致电能浪费很大。对于高瓦斯矿井，普遍采用防爆型蓄电池电机车作为运输材料和矸石的工具。多年来，蓄电池电机车一直采用直流电动机串电阻调速方式，从而使20～25%的电能消耗在电阻上，造成电能的浪费。特别是蓄电池电机车，由于电能消耗过快，使蓄电池的充电间隔缩短，蓄电池寿命减少。近几年来，随着科学技术的发展，交流电机的调速问题已经获得圆满的解决。交流电机的调速系统不但性能同直流电机的性能一样，而且成本和维护费比直流电机系统更低，可靠性更高。用交流电动机取代直流电动机进行调速势在必行，并且交流电动机有着直流电动机无法比拟的优势。由于直流调速带有电阻器运行，电能消耗较大，交流变频调速由于不用高耗能的电阻，节电率可达35%。如果电机车设置成再生回馈制动，可以利用电机车减速或下坡时将电机发出的电能回馈给蓄电池，这样可以大大节约电能，延长充电时间。
2 异步电动机的四象限特性及能量再生
三相交流异步电机传动系统具有结构简单、工作可靠、造价低廉，效率高，节约能源等优点，因而被广泛用语蓄电池电机车的改造工程中。
由于矿用电机车工作于井下恶劣的环境中，调速系统处于频繁的起动、制动、加减速等状态，这样一来，我们就能充分利用三相交流异步电动机的四象限特性进行调速制动：第一象限和第三象限是电动机的运行状态，分别为正、倒转；第二象限和第四象限是电动机的发电状态，分别为正、倒转。由于蓄电池电机车采用的是直接转矩的方式进行变频调速。
电机车在减速运行过程或急刹车时都将发生能量再生。先假定三相异步电动机定子绕组中通以三相电流，极性为i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下标：“1”表示定子，“2”表示转子，字母上加点表示向量），该电流将在电动机气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速旋转的磁动势f1，如图1。f1先建立气隙主磁场bm（фm），bm是个旋转磁场。当变频器驱动异步电动机减速运行时，旋转磁场同步转速no总是先于转子转速n下降，即n0m切割定子、转子绕组，并在定子、转子绕组内感应出定子电动势e1a、e1b、e1c和转子电动势e2a、e2b、e2c，于是转子回路中就有三相电流i2a、i2b、i2c。与气隙磁通фm相互作用，产生了电磁制动转矩，方向与n0相反，制止转子旋转。i1形成的励磁磁动势f1，i2形成的励磁磁动势f2。设相序为a—b—c的定子电流所产生的旋转磁场为逆时针方向，由于n0o。由于转子以转速n逆时针旋转，因此f2的实际转速为n2=n-△n=no，方向为逆时针，即f1和f2都逆时针旋转，转速都为n2。换句话说，f1和f2保持相对静止，两者之间无相对运动。
异步电动机带负载时气隙内产生旋转磁场bm的正是这两个相对静止的磁动势f1和f2的合成磁动势fm作用的结果，即f1=fm+（－f2），此式表示：异步电动机的定子磁动势包含两个分量：产生气隙主磁通φm的励磁磁动势fm和抵消由于转子电流产生的转子磁动势f2的部分（－f2）。

因为n00-n/n＜0，所以转子感应电动势se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度处于90°～180°之间，转子电流的有功分量i’2a《0，而转子电流的无功分量i’2r》0。
异步电动机处于减速时相当于异步发电机，即其向量图如图所示。u1和i1之间的相角φ1》90°，此时定子的有功功率为负值，即定子绕组向直流侧回馈电能，而定子的无功功率为正值。站在电动机的角度上看，异步电动机吸收了负的有功功率和滞后的无功功率，前者输出给电网，后者用于励磁。

3 电机车回馈制动的控制
电动机等效电路如图2所示。

假设电机所带负载的机械能基本上被电机内部所消耗，于是有

当电机负转差率位于范围时，系统的机械能经电机转化为电能向蓄电池回馈。同时电机不出现过流，也就是反馈的电能不能被电池吸收的部分，可以由电机本身承受消耗而不出现过流当转差率变化超过该范围时，机械能经电机转化的电能无法有效回馈给电池，而剩余部分的能量在电机的线圈内阻中又无法完全消耗，因此容易出现过流。所以，从简化控制的角度出发，当控制转差率在s1≥s≥s2范围内变化时，再生制动过程就可以避免出现过流。
本文提出的再生制动方法在直接转矩控制（dtc）中。首先观测定子磁链，控制定子磁链的幅值为恒定然后选择零矢量、非零矢量来调节瞬时转差，控制输出转矩恒定，所以，由磁链环节观测定子磁链的幅值及相位，并且选择矢量控制磁链幅值大小；转矩控制环节（与磁链控制环节相结合）选择矢量控制磁链的旋转速度。系统采用了直接转矩控制方式，其磁链控制环节可以有效的控制磁链的偏差，在这种情况下可以保证输出的电流谐波少，运行平稳。而在直接转矩控制的基础上实现的再生制动控制，就是使定子频率跟踪转子速度变化，只要能保证转差率的变化范围，就可以实现系统在制动过程中不出现过流。而且制动效果的强弱可以通过调节转差率和定子磁链负值来实现。
4 仿真结果
对以上建立的新型直接转矩控制异步电动机变频调速系统进行仿真实验。三相逆变器开关器件采用igbt，反并联反馈二极管，igbt的缓冲电阻rs＝10kω，缓冲电容cs＝10－3μf。仿真实验所采用的异步电动机参数为：额定功率pn＝12kw，额定频率fn＝50hz，ψn＝0.95wb，rs＝0.16891ω，rr＝0.13973ω，ls＝0.02877h，lm＝0.02777h，lr＝0.0289h，np＝2，j＝0.1349kg.m2。控制系统参数：ψ*s=0.95wb，速度给定为150rad/s，负载转矩给定tm＝15n.m，转矩限幅值为80n.m，pi调节器的比例系数kp＝50，积分系数ki＝130，直流侧电压udc＝600v。
首先速度给定设为150rad/s，等到系统稳定以后，再将速度给定设为－150rad/s，观察其磁链，速度，转矩，线电流，直流侧电流波形。
从图3波形可以看出，异步电动机处于加速减速反转等运行状态，从正向加速到回馈制动，最后到反向加速至稳定状态，实现异步电动机的四象限特性。
5 结束语
我国矿用蓄电池电机车多数采用的是直流电动机串电阻调速，若是课题的成功得以顺利的应用于煤矿实际中，无论是电机车的调速性能，牵引能力，承载量和维修量等方面都有全面的提升，另外，从经济效益出发，蓄电池电机车利用制动对蓄电池进行充电，节约了大量的电能，延长蓄电池电机车的工作时间，减少了蓄电池年平均充电数，延长了蓄电池的使用寿命，大大提高了经济效益。