矿用架线式电机车载波变频调速技术的应用

郝存

摘要：目前我矿架线电机车全部进行了载波变频调速改造，使用效果良好，节能环保且起动调速平稳；针对目前矿用直流架线式电机车在调速过程中采用直流电动机方式而浪费大量电能的问题，可能过载波变频调速技术启动电机的方式来改变架线式电机车直流电动机直接起动的弊端，逆变器采用电压空间矢量控制方式，利用单片机生成波，优化了系统的调速性能；就载波变频调速技术进行原理分析。

关键词：煤矿架线式电机车载波变频调速

0 引言

目前，在煤矿企业中，架线式电机车的牵引动力源主要是直流电动机。为了达到限流以及获取启动和制动平稳的目的，通过采用恒定的直流电源对直流电动机机车进行供电。借助电阻直接控制启动调速和制动，没有取得预期的效果，并且耗电量比较大，容易损坏控制设备，出现经常性地对控制设备进行维修。如果将变频调速器应用到电机车中，在一定程度上保证了机车运行的稳定性，实现了机车无级调速和再生制动，降低了能耗，提升了机车的变频调速性能，扩大了调速范围，而且其使用期限比较长，维护维修更为便捷。

1 变频调速的方法

1.1 交-交直接变频

通常情况下，交一交直接变频范围比较窄，主要应用在大功率低速设备中。

1.2 交-直-交变频

通过整流将交流变成直流，然后直流经过逆变器转变成交流。在直流到交流的逆变环节，利用逆变器件的导通频率，获得不同频率的交流电，并且该交流电不受变频范围的制约，其工频甚至可以达到200%。因此，交—直—交的变频方法在电机车上容易推广和使用。当前，运行的供电系统基本可以进行整流处理，具备整流的功能，在架空供电系统中，使用单项直流电与使用三相交流电相比，前者更容易在机车上安装逆变设施，借助逆变设施将架空电网上的直流电转变成频率可调的三相交流电。因而，直流电动机具有取代三相异步交流电动机的趋势。实践证明通过对电源频率进行改变，电机车的行驶速度可以进行不断地调整。

2 控制逆变器

2.1 SVPWM的控制原理

三相正弦电流通过输入异步电动机，进而在空间产生了旋转磁场，获得电磁转矩。把逆变器和异步电动机视为统一的整体，在一定程度上，借助旋转磁场对电压进行控制，借助电压空间矢量相加获得磁链的轨迹，完成对电压空间矢量脉宽的调制，同传统的控制方法相比，SVPWM的控制方法具有直流电压利用率高、控制方便、能耗小、便于数字化管理等优点。因此，脉宽调制PWM控制技术在交流异步电动机调速方面得到推广和使用，进而带动高性能变频调速系统的广泛使用。

2.2 SVPWM调制的实现

2.2.1 SVPWM波的实现

本文的微机控制是借助等效面积法实现的。等效面积法是指把一个正弦半波进行N等分，并且用相同面积的等高矩形脉冲取代每一等分的正弦曲线与横轴组成的图形面积，正弦波的等分中点与矩形脉冲的中点保持彼此之间的重合，通过进行上述处理，将正弦半波由N个等幅而不等宽的矩形脉冲构成的波形进行取代处理，通过利用数学方法进行计算得到，脉冲波形的宽和开关。

如图S1正弦波面积为：S1则有

S1=M×Us■sin?覣tdt

=■×Uscos?覣t-cos?覣t+ΔtI

式中M 为调制深度；Us为直流电源电压

对应图1中脉冲面积：S2=δk×■

将正弦信号的正半周进行N等分，则每份为π/N弧度，由图1可知脉冲高度为Us/2，设脉冲宽度为δk，则第K份正弦波面积与对应的第K个SPWM脉冲面积相等，解得：δk=■×cos■π-cos■π

=■×cos■π-cos■π

IGBT开启时刻：

Ton=■×Δt-δk=■×■-δk

IGBB关断时刻：

Toff=■×Δt-δk=■×■+δk

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2.2.2 控制规律

一般情况下，利用固定功率控制高频段F≥50Hz和低频段F≤10Hz的情况，在一定程度上扩大调速范围，采用恒转矩对中频段进行控制。通过采用分段同步调制的方法对系统进行处理，输出的波形在对称性方面比较好，并且谐波分量比较小，通常情况下，对于整个变频开关频率来说不会发生很大的变化，因此每个频段的载波比N是一个固定值，当频段不同时载波比N也会有所差异。通过查表方式确定余弦，进而使得计算更加方便快捷。在360°范围内余弦三角函数每隔0.1°就有一个余弦值与之相对应，通常情况下该余弦值由16位的二进制表示，其中符号位用最高位表示，后15位表示数值，在EPROM中预先存入整个余弦函数表，占用了8kb的寄存器。通常情况下，N值常设为3的整数倍，保证三相互差120°。

3 电机车变频调速控制系统

在矿用架线式电机车变频调速控制系统中，AVR单片机是整个系统的核心，其系统组成为：主电路、控制电路、延时驱动电路、键盘显示电路。AT90系列单片机能够满足多种需要，具有较高的灵活性，并且成本比较低等优势，是一种高效的微控制器。本文所介绍的系统框图如图2所示，系统采用的SRAM内存为512B，3路PWM通道，8路10位A/D，经分相与开通延时电路将AT90LS8535输出的三相脉宽调制SPWM波分为6路输出，自动完成键盘扫描和LED扫描并显示输出。

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4 设计系统软件

系统软件涉及到主程序、外部中断服务子程序、T/C0中断服务子程序、键盘显示子程序等，通过模块化的设计思想对系统软件进行开发和设计。

主程序的主要任务是利用逆变器的输出频率，对载波比N、载波周期定时常数T、脉冲宽度δK进行计算。图3为主程序流程图，图4为中断程序流程图。

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5 结论

通过在矿用架线式电机车中使用载波变频调速控制系统。在一定程度上提高了矿用架线式电机车启动运行时的平稳性，并且从根本上实现矿用架线式电机车的无级调速以及再生制动等功能，降低了能量损耗，调速范围也大大拓宽、静态稳定性比较良好。通过在矿用架线式电机车中使用SVPWM控制方式对逆变器进行处理，其输出的线电压的最大值为直流的侧电压，因此，变频调速方案在矿用架线式电机车上得到广泛推广和使用。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2]胡崇岳.现代交流调速技术[M].北京：机械工业出版，1998.

[3]耿德根，宋建国，马潮等.AVR高速嵌入式单片机原理及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2001.