矿用直流电机车斩波调速系统励磁方式研究

冯高明, 何艳杰

(河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

由于矿用电机车在煤矿巷道作业时,所处的工作条件较差,要求电机车应具有良好的启动性能、调速性能以及动态性能等，而这与直流电动机的励磁方式是密切相连的[1～5]。本文详细分析直流电机的励磁方式，得出直流电机他励、串励和并励方式均能够通过调节电压进行调速，建立电机车直流脉宽调制(pulse width modulation,PWM)斩波调速系统仿真模型，实现对直流电机的控制，得出直流电机3种(他励、串励、并励)励磁方式运行规律的特性曲线，对于提高矿用电机车运行的工作效率及理论学习具有一定的理论价值和指导借鉴意义。

1 直流电机的励磁方式

励磁方式是励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式。直流电机的励磁方式分为他励、并励、串励以及复励4类，其中复励电机应用相对较少，不做讨论。如图1所示，U为电枢电压，Uf为励磁电压，Ia为电枢电流，If为励磁电流，I为主电源电流。

图1 直流电机的励磁方式

当上述3种电机满足各自转速特性条件时，可得出转速特性为

(1)

式中n并可由公式

(2)

另外,对于他励、并励、串励、复励直流电机而言，虽然他励和并励直流电机的机械特性相似，但前者的机械特性“最硬”[6，7]。通过分析式(1)可知，他励、并励以及串励电机的转速n与电压Ua和电枢电流Ia成函数关系，可以利用PWM驱动绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的导通与关断来控制电压Ua，进而对他励、并励和串励直流电机调速。

2 电机车直流PWM斩波调速系统的建模与仿真

图2为系统仿真模型，选用2相Universal Bridge模块,由双极式控制电路(图3)进行驱动。图3中，2个PWM发生器模块产生4路脉冲驱动信号，并经过增加的Selector模块改变脉冲序列，使2相Universal Bridge模块能够同时实现对角IGBT的导通和关断。而IGBT存在导通与关断时间，故在下桥臂设置延迟时间(0.001 s)[8，11]，以避免多功能桥的上下桥臂同时关断和导通。通过改变步长Step的值(-1～1)[12，13]，可实现直流电机调速和正反转。

图2 直流PWM斩波调速系统仿真模型

图3 双极式驱动控制系统模型

3 仿真结果分析

矿用电机车作为煤矿巷道的主要运输工具[14，15],由于运输生产的需要,需经常变速运行，要求电机车具有良好的启动性能、调速性能以及动态性能等。而上述性能与直流电机的励磁方式紧密相关。

仿真采用额定功率为17 kW的直流电动机,直流电动机参数为额定电压Vn为220 V，额定功率Pn为17 kW，额定电流In为88.9 A,额定转速Nn为3 000 r/min，电枢总电阻值Ra为0.087 Ω，励磁总电阻值Rf为181.6 Ω，转动惯量J为0.759 kg·m2，极对数p为1。直流电动机的其他参数经计算为:电枢电感量La=0.003 2 H，电枢互感量Laf=0.56 H，额定负载转矩TL=60.1 Nom。

3.1 同负载下3种励磁方式的启动性能分析

选用的电机车应具有良好的启动性能，为限制启动电流，仿真中采用低压启动方法进行启动。设置电源E为220 V，Step为0.4，负载为0.5TL，预置仿真时间为4 s。改变直流电动机的接线方式，得出同负载情况下3种励磁方式的转速和电枢电流响应曲线如图4、图5所示。

图4 同负载下3种励磁方式转速响应曲线

图5 同负载下3种励磁方式电枢电流响应曲线

从图4中可以看出，在同负载情况下，仿真时间在4 s时他励、串励和并励方式均已达到稳定转速，分别为1 045，721，2 752 r/min。而串励方式所需时间最短,为0.35 s，他励方式次之,为0.95 s，并励方式最长,为3.98 s，并且串励方式的最大启动电枢电流最小。仿真结果说明同负载情况下串励方式的启动性能较其他2种励磁方式好，能够满足矿用电机车启动快，启动能量消耗小，启动平稳的要求。

3.2 额定负载下3种励磁方式的调速性能分析

仿真通过改变Step(占空比P)值的大小，进而使输入电机的端电压在0～220 V变化。设置负载为1TL，在不同Step值下分别测出3种励磁方式下电机的稳定转速，绘制出额定负载情况下3种励磁方式的稳定转速随输入电压变化的曲线，如图6所示。

图6 稳定转速随输入电压变化曲线

可以看出，额定负载情况下他励方式的转速与输入电压的变化曲线近似于直线，而其他2种励磁方式的变化曲线不同。说明额定负载情况下，矿用电机车他励方式在采用直流PWM斩波系统进行调速时，所具有的调速性能明显优越于其他2种，能够很好地满足电机车巷道运行的调速要求。

3.3 负载突变时3种励磁方式的动态性能分析

为进一步研究矿用电机车在负载突变时，3种励磁方式的适应性，对负载突增/减扰动情况下直流电机3种励磁方式的转速动态过程和响应进行了计算与分析。设置Step(占空比P)值为0.4，负载变化为0.5TL～1TL和1TL～0.5TL。直流电机3种励磁方式的转速动态过程和响应如图7所示。

图7 负载突变时3种励磁方式的转速响应

可以看出：在t=6.0 s突然改变负载情况下，他励方式下的速度响应曲线转速最大下降为56 r/min,转速调节时间为0.49 s，而并励和串励方式的速度响应曲线的转速最大下降值分别为343，224 r/min，转速调节时间分别为 3.98，0.21 s。因此，矿用电机车在负载突变时，他励方式在速度响应方面明显优于并励方式和串励方式，较适于负载突变的场合。

4 结 论

1)同负载情况下，串励方式的矿用电机车启动性能较好，能够满足矿用电机车频繁启动的要求。

2)他励方式的矿用电机车较并励和串励方式具有更好的电压调速特点，更加适用于额定负载长距离运输，尤其是爆炸性物品的安全运输。

3)他励方式的矿用电机车在应对负载突变时，其调速转矩最好，稳定转速变化小并且恢复所用时间短。而串励方式的矿用电机车能够维持其功率基本不变。