矿用蓄电池电机车交流变频调速系统的硬件设计与应用

马琳 王福忠

(1.河南义马煤业集团股份有限公司机电处，河南 义马，472300;2.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

矿用蓄电池电机车是煤矿井下生产的重要运输工具之一，目前主要采用直流串激电动机作为牵引电机。由于采用串激式调速方式，带负荷切换速度档位，触头承受冲击电流较大，易短路烧坏触头，且电路保护系统不完善，安全性能差［1～3］。另一方面，有些直流电机车的起动和调速还采用串接电阻调速，造成大量的电能消耗在电阻上［1～3］。为了解决传统矿用蓄电池电机车存在的上述问题，本文设计了矿用蓄电池电机车的交流变频调速系统，提出了以三相交流永磁同步电动机作为牵引电动机，以 DSPTM320F2812作为控制器，实现了变频矢量控制。

1.变频调速系统的基本原理

矿用蓄电池电机车的交流变频调速系统的原理图如图 1所示［2，3］。采用一组车载 XT－140(A)型防爆特殊型蓄电池电源装置供电，其输出额定电压为直流140V，额定容量为440Ah;电池两端电压通过隔爆插销连接器供给隔爆变频调速器，经变频调速器主回路逆变成三相交流输出。隔爆变频调速器采用一拖二主从方式，拖动两台ACl00V15kW的矿用隔爆型牵引永磁电动机。变频调速器为逆变、变频、司控一体化。采用DSPTM320F2812作为控制器实现电机车的无级调速与制动。交流变频调速系统主要实现了以下功能［2，3］。

(1)采用能量反馈发电制动、空气制动、机械闸瓦手制动等制动方法，保证矿用蓄电池电机车的安全运行。

(2)使用两台ACl00V15kW的矿用隔爆型三相交流永磁同步电动机，具有结构简单，运行可靠;体积小，质量轻;损耗小，效率高等优点。

(3)具备完善的保护功能。

①过流保护功能。当电机驱动电流过载后，系统就自动停车，避免过电流发生，以达到保护控制系统与电机的目的。

②短路保护功能。蓄电池的插销内部装设有200A快速熔断器。DSP控制器设置了过流保护功能。另一方面，选用的7MBP300RAl20智能功率模块作为逆变模块，也具有完善的短路保护功能。这种多重保护的设置，有效地保证了系统的安全性。

③蓄电池组欠压保护功能。为了避免蓄电池过度消耗而损伤或降低其使用寿命，控制系统设置了蓄电池组欠压保护功能，通过实时检测蓄电池的运行电压，当该电压低于其额定值85%时，DSP控制器自动切除蓄电池组，并停电机车。

图1 蓄电池电机车用永磁同步电机车驱动系统电气原理图

2.变频调速系统的主回路设计

变频调速系统的主回路如图2所示［2，3］。为了降低电路扩展工作量，提高电路可靠性，逆变器选用智能功率模块(IPM)。主回路中的电阻R1用来限制直流母线刚接入蓄电池组时电容器上的充电电流，保护蓄电池组。在直流母线接入蓄电池组初期投入该电阻，当直流母线电压达到一定值时，利用开关K将该电阻R1短接，转而由开关K的常开触点供电，避免变频器工作时在电阻R1上产生电压降落和功率损耗。

电容器Cl的作用是:当能量反馈发电制动时，靠Cl吸收并储存电机反馈的电能。熔断器用于短路保护。电容器C2、二极管VD以及电阻R2构成了高频电流吸收缓冲电路，用来吸收IGBT器件开关动作时直流母线上的高频电流。IGBT开关的工作频率很高，当动作时，将在直流母线上形成高频交流电流，若回路中存在电感，该电流将在IGBT开关两端产生很大的尖峰电压，造成IGBT器件击穿，所以需要设置高频电流吸收缓冲电路。电流互感器和电压互感器均采用霍尔型，主要用来检测直流母线上的电压和电流，实现过电流和过电压保护。能量反馈发电制动时(如下山、停车时)，永磁电机处于发电工作状态，其反馈能量首先由电容C1储存，并向蓄电池充电。如果C1上的电压超过其额定值时，控制器自动投入制动回路，利用制动电阻将多余的电能消耗掉。

IGBT功率模块选用日本富士公司生产的、型号为7MBP300RAl20的智能功率模块。基本技术参数为:耐压1200V，额定工作电流300A，开关工作频率可达20kHz，额定功率为75kVA。该模块是将7个高速、低功耗的IGBT开关，门极驱动电路以及保护控制电路集成在一体的混合电路元器件。选用7MBP300RAl20的智能功率模块能够节省许多外围电路，使设计和开发变得简单;另一方面，IPM内部集成了驱动和保护电路，提高了故障情况下的自保护能力，使系统运行更稳定可靠。

图2 变频器主回路原理图

3.IGBT功率模块的驱动电路设计［4］

根据7MBP300RAl20智能功率模块的特点，对IGBT开关驱动控制电路的电气性能要求为:

(1)由于每个IGBT功率开关的驱动需要良好的电气隔离，因此设计了4路相互隔离的15V驱动电源(波动范围为13.5～16.5V)，以及 6路相互独立的 PWM波形开关控制信号。逆变器上桥臂的3个开关器件分别使用3路相互隔离的电源Vccu、Vccv、Vccw，逆变器下桥臂的3个开关器件共同使用一个独立电源Vcci。

(2)驱动电路信号延迟应在0.5ps以内。

根据以上要求，IGBT功率模块某一路驱动电路如图3所示。4路相互独立的15V驱动电源采用隔离型直流/直流变换器。同时，采用光电耦合器实现功率开关管控制信号的传输以及DSP控制器与IGBT之间的电气隔离。为了保证驱动电路信号的延迟小于0.5ps，本文选用隔离电压高、共模干扰抑制性强、速度快、型号为6N137的逻辑门光电耦合器。

图3 IGBT功率模块的某一路驱动电路原理图

4.控制单元设计

控制单元的基本原理图如图 4所示［4］。DSP选用TI公司生产的 DSPTM320F2812。系统时钟信号是由DSP外接的10MHz晶振及其相关电容电阻器件、DSP内部振荡及锁相环电路等构成的时钟信号发生电路产生的。DSP控制单元的工作原理为:首先对两相正交的旋转变压器送来的永磁电动机的轴位置信号进行轴角转换，变换成数字转角信号送至 DSP，然后由 DSP对该转角信号以及电机的电流反馈信号进行综合分析，通过坐标矢量变换及解耦控制计算，最后利用DSP事件发生器EVA生成三相空间矢量 SPWM，送至功率驱动模块，由IGBT驱动三相交流永磁同步电动机运行。DSP控制单元通过SCI接口完成与上位管理计算机通信。模拟速度给定电压信号由电位器产生(见图1)，并通过 ADCIN8脚送至 DSP。

图4 控制单元的基本原理图

电流传感器选用闭环补偿型霍尔效应电流传感器，由15V供电。电流互感器采集的两相电流经ADCIN0及ADCIN1两引脚，送给DSP内部的A/D转换器。第三相电流值由计算得到。

永磁电机的位置(角度)信号由两相正交的旋转变压器获取，并通过轴角转换元件得到电机转角的数字信号。数字角度信号通过PB通用I/O口送入DSP。轴角转换元件选用轴角变换专用芯片AD2S83。其转换电路如图5所示。

图5 轴角变换电路原理图

5.应用效果分析

永磁电动机牵引的变频调速矿用蓄电池电机车已投入运行，取得了良好的运转效果。

(1)降低了能耗。经检测，系统效率达到92%。大量实际运行测试表明，在同等负载下，采用直流串励电动机时，蓄电池的续航里程约为33～35公里，而永磁同步电动机驱动的变频调速蓄电池电机车，其续航里程为57公里左右，其续航里程大大延长了。

(2)减少了维护费用。采用先进的矢量控制、变频软启动、加速至预定速度牵引以及反馈制动。电机车行进过程中，基本不使用机械刹车，减少了轮对机械刹车片的磨损。另一方面，实现了电机车平滑起动，机械冲击小，对减速箱等传动机构损伤很小。

(3)提高了电机车的运行安全性能。装设了机械制动装置防止在坡道上停电停车时溜车现象的发生。由于采用动力制动，其制动距离为8.5米，电机车的运行安全性能得到了提高。

6.结论

将永磁同步电动机作为蓄电池电机车的牵引电动机，以DSPTM320F2812作为控制器，实现矿用蓄电池电机车永磁电动机的矢量控制、变频运行，可以提高该机车的运行安全性和调速性能，降低能耗，延长电池寿命，减少机械磨损，同时维护工作量也大大降低了，该电机车明显优于传统的直流串励电动机驱动的电机车。

［1］杨昕，赵良鹏，毕海泉.变频调速技术在防爆蓄电池电机车上的应用［J］.煤矿机电，2011，(1):101.

［2］任传教，盛况，贺志超，等.蓄电池电机车变频控制系统的设计［J］.江西煤炭科技，2010，(1):83－85.

［3］王贵霞.JXBK8型变频调速蓄电池机车的开发与应用［J］.现代隧道技术，2003，40(2):55－58.

［4］孙立志.PWM与数字化电动机控制技术应用［M］.北京:中国电力出版社，2008.