矿用电机车重联同步控制策略的研究与应用

张 凯

（山西华鑫电气有限公司，山西 阳泉 045000）

引言

在矿用电机车无线重联同步控制系统的研发中共有重联方式的选择、无线通信的选择、网络架构的设计以及重联同步控制策略的设计四个核心点。其中重联同步控制策略不仅是设计核心点更是设计难点。合理的重联同步控制策略不仅是两台重联机车共同出力、平稳运行的基础，而且还是应对各种特殊情况的保障，如起步打滑、底卸放煤。

1 重联机车运行状态分析

本文以双机重联中最复杂的车型——双驾驶双变频矿用电机车为基础，对机车正常运行进行相关技术分析。为了论述方便准确，将对重联机车中2台机车的4台电机进行标注定义，具体可分为主控机车主控电机、主控机车从控电机、从控机车主控电机、从控机车从控电机。

对于正常行车的重联机车来讲，其4台电机以等速同负荷的方式运行才是其最佳工作状态。其中单台矿用电机车内部的2台电机由于共同安装在一个车架中，故而可以近似看作是钢性连接；而重联主控机车与从控机车之间虽然采用的是半钢性连接，但由于半钢性的范围较小，在极限时可以转变为钢性连接，此时主从机可以通过负载耦合来同步车速，故同样可以以钢性连接的方式来进行相关数据分析。

重联主控机车与从控机车之间的负载耦合是一个动态且非线性的过程，该过程的快慢、平稳将是重联机车同步运行的关键。

2 基于速度控制的转矩跟随功率平衡策略

根据矿用电机车的相关技术知识可知，在正常运行状态下，同规格机车的车速与电机转速，也就是与变频器的输出频率之间成固定的线性关系，再加之重联机车可以以钢性连接的方式来进行相关数据分析，因此重联机车之间的同负荷等速控制就可以等效为重联机车内部电机之间的功率平衡控制。

基于转矩跟随的功率平衡策略的核心思想是：通过转矩给定控制的方式来直接控制每台电机的输出转矩，进而控制电机的输出功率，也就是电机运行电流，来达到多台电机输出功率的一致性。

要实现多台电机基于转矩跟随的功率平衡控制，首先应与电机负载与额定功率的客观水平相结合进行转矩分配，而后依靠直接转矩控制使电机控制与功率平衡的目的得以实现。

假设单台电机的额定功率λi分配系数为可由下面的公式得出

式中：Pi为第i台电机的额定功率为受控电机的总额定功率；N为受控电机的总数量。

功率分配系数λi满足归一化条件，即

功率与转矩的关系满足如下等式：

式中：T为电机的输出转矩；ω为电机的角速度。

电机输出经过固定齿比减速器后的角速度与电机角速度的关系公式如下：

式中：ω'为电机输出经过固定齿比减速器后的角速度；μ为电机所连接减速器的传动比。

对于电机车驱动机构而言，车轮角速度就是电机输出经过固定齿比减速器后的角速度，车轮角速度与线速度的关系公式如下：

式中：v为电机所带车轮的线速度，在不打滑的情况下，就等于机车速度；r为电机所带车轮的半径。

将公式（3）（4）代入到公式（2）可得如下公式：

通过公式（5）可知，在矿用电机车的应用中，第i台电机的输出功率与电机的输出转矩、所带车轮的线速度与半径以及减速器的传动比有关。

当矿用电机车处于正常的牵引状态下时，也就是处于非打滑状态时，功率分配系数只与车机减速器的传动比以及机车车轮半径有关，而与速度无关。也就是只要机车不发生打滑情况，基于转矩跟随的功率平衡控制策略均适用于从起步到额定速度的任意工作状态。

由于重联中采用的是2台同规格矿用电机车，其牵引电机、减速器、车轮规格均完全相同，根据公式（1）与（5）可知，在正常的牵引状态下，4台电机的功率平衡就等同于4台电机的输出转矩相同，即分配系数

根据转矩跟随的功率平衡策略的相关理论可知，电机之间通过硬连接来实现等速运行是该理论的基础，而机车内部的2台电机以及重联的2台机车之间并不是直接的硬连接，所以要对从控电机以及从控机车进行对应的速度控制。

以正常运行的机车内电机功率平衡控制为例，因为同一台电机车上的2台牵引电机、减速器、车轮规格均完全一样，故同一台机车上的车轮速度必然相同，也就是说2台牵引电机的角速度是完全相同的。那么对于这2台电机的功率分配问题，就可以根据公式（1）与（5），就可以得出以下关系：

式中：T1'为1号牵引电机的给定转矩；T2'为2号牵引电机的给定转矩。

通过公式（6）可知，只需要将功率平衡控制中主机的输出转矩作为从机给定值即可实现2台电机功率平衡调节。

基于上述理论，对于正常状态下的重联机车的功率平衡调节给定策略如下：

1）司机的给定操作直接给定到主控机车的主控电机；

2）从控电机以主控电机的输出（输出频率、输出转矩）作为给定值；

3）从控机车以主控机车的输出（输出转矩）作为给定值，即主控机车中主控电机的输出值是从控机车中主控电机的给定值。

由于重联机车之间的负载耦合是存在一个半钢性与钢性相互变化的过程，根据转矩控制的特性可知，当给定转矩大于负载转矩时电机将按加速曲线加速至给定频率，也就是说从控机车在给定转矩大于其负载后会呈现加速运行状态，故而在重联机车负载耦合时会产生较大的冲击。为了保证负载耦合过程的快速性，同时减少在负载耦合过程中的冲击问题，可在从控机车的控制策略中加入PID控制器对从控机车进行速度调节，具体内容如下：

以主控机车的输出转矩作为PID的设定值；以从控机车的输出转矩作为PID的反馈值；以主控机车的输出频率×（1+PID的调节值）作为从控机车的频率给定值；PID控制器采用双向调节正向控制方式，即从控机的频率给定值同从控机车的转矩给定值与其反馈值的差值成正向控制关系；模糊PID、神经网络PID等智能算法可以带来更好的调节效果。

因为重联机车每趟运行的负载分布都不一样，再加之负载耦合是一个动态的过程，所以对于传统PID控制器的各项参数的整定值不易获取。重联机车之间的负载耦合过程中的冲击问题仅存在于从控机车的转矩给定大于负载的情况下，且从控机车负载的增加并非线性，而是阶梯性变化。综上所述，仅需要对从控机车输出频率加以限制，来控制负载耦合过程中的车速，即可达到减少冲击的目的。也就是说，将基于PID速度控制的转矩跟随功率平衡策略中的PID调速算法这块直接由“主控机车输出频率×（1+设定值）”来代替。具体内容如下：

将PID调速算法用主控机车输出频率×（1+设定值）来代替，作用于从控机车的给定频率；从控机车的给定频率一般情况下小于等于其额定工作频率，也就是50 Hz；对于平稳性要求不高的应用场合，设定值可以采用固定值方式，推荐0.2~0.3；对于平稳性要求较高的应用场合，设定值可以跟据从控机车的输出转矩与给定转矩之间差值的大小做简单的线性或非线性调节。

3 结论

采用基于速度控制的转矩跟随功率平衡策略的矿用电机车无线重联同步控制系统已经在阳煤集团五矿的12T矿用防爆特殊型蓄电池电机车上得到了应用。经过半年以上的测试与使用，重联车组起步平稳、牵引有力、同步性好，且易于操控可满足用户的既定要求，从而证实了基于速度控制的转矩跟随功率平衡策略的可行性与实用性。