矿用电机车变频调速系统研究

郭军凯

（山西焦煤西山煤电东曲矿， 山西 古交 030200）

0 引言

我国大部分矿用蓄电池电机车的传统系统采用直流系统，其调速方式有串电阻调速和直流斩波调速两种。在电枢回路串联电阻，可以实现直流电机的启动和调速，但是这种方式在结构上占用空间大，电阻箱也存在散热等问题，在性能上不能实现无级调速且浪费电能，不符合企业节能减排的发展方向，已经被淘汰。斩波调速虽然无电阻箱发热问题，且能够实现无级调速，是电机车调速模式的一大进步，但是直流斩波调速存在控制死区，可调范围较窄，而且调速时间长会出现发热问题。目前最先进的电机车调速方式是变频调速，采用交流电机代替直流电机，主电路采用先进的电力电子器件组成，控制上采用直接转矩控制技术，在机械结构、调速范围、控制方法等方面均具有先进的性能[1]。

1 交流电机的优点

1）功率密度和转矩密度大。对于矿用电机车配置的牵引电机而言，直流电机的功率密度大约为0.3 kW/kg，交流电机的功率密度大约为0.7 kW/kg；直流电机的转矩密度大约为1.1 Nm/kg，交流电机的转矩密度大约为1.3 Nm/kg；交流电机的功率密度是直流电机功率密度的2 倍左右，而交流电机的转矩密度是直流电机转矩密度的120%左右。

2）免维护、结构简单耐用。直流电机的定子和转子是分体的，并且换向器占用安装空间，换向电刷容易出现火花，在使用一段时间后会出现自然磨损，需要更换维护[2]。交流电机的结构紧凑，定子和转子之间通过铁心、拉杆和压板等结构连接为一个整体，转子由铸铝和硅钢片压制而成。

3）设备占用空间小、散热效果好。交流电机的转矩密度、功率密度随着传动比的提高而提高，性能提高空间大。由于不需要安装换向器，节省的安装空间既可以用来提高电机的性能，也可以提供更多的散热空间。

2 变频调速系统结构

图1 是电机车变频调速系统的结构，系统分为主电路部分和控制电路部分。主电路部分从左至右依次为升压电路、滤波电路、逆变电路和直流电机。控制电路以DSP 控制器为核心，控制器的输入电路有主电路的电压电流检测电路、温度检测电路以及来自司机控制台的闭锁电路，控制器的输出电路有蜂鸣器报警电路和IGBT 驱动电路。

图1 电机车变频调速系统的结构

正常工作状态下，IGBT 驱动电路将DSP 控制指令进行功率放大，按照程序中的控制策略开通或关断开关管Sx（x 代表a、b、c），直流电压在此作用下被变换为高频的PWM波，在直流电机电枢电感的滤波作用下形成正弦波，电机的转速随此正弦波的频率变化而变化，达到电机车调速的目的。如果DSP 控制接收到来自控制台的闭锁信号、超限的温度检测信号或者IGBT 驱动电路故障信号，则启动保护逻辑，指令信号全部为关断信号，所有开关管关闭，达到保护电机的目的[3]。

3 主电路设计

3.1 蓄电池组

升压电路由蓄电池组、熔断器、二极管、限流电阻和继电器组成，蓄电池组是电机车的动力来源，也是整个系统的安全薄弱环节。由于电机车的工作环境是在井下，可能存在瓦斯气体，或者空气中相对湿度较大，因此在电池箱体的设计上必须考虑足够的防爆措施和散热通风空间。电池的接线柱采用双柱头双接线焊接结构，电池加液孔加装专用排气装置。蓄电池采用96 节铅酸蓄电池串联形成，额定电压为192 V，当电池电量下降后，端电压也随之下降，端电压下降到165 V 时需要充电[4]。二极管、限流电阻和继电器的作用是防止电机车在刹车时向蓄电池反送电，当电机车刹车时，继电器线圈得电，继电器常闭触点断开，由于二极管的单向导通效应，由电机反送的电流被电容器组吸收，无法向蓄电池充电，保护了蓄电池的安全性。

3.2 滤波电路

滤波电路接在升压电路的输出端与逆变电路的输入端之间，由电容器C1—C10 并联组成。滤波电路最主要的作用是滤除电压波动，为逆变电路提供一个稳定的直流电压。除此以外，还有抵消母线电感效应、吸收急停时的反向充电电流的作用[5]。从性能和安全角度而言，电容器组的容量越大，稳压效果和储能效果越好，实际在设计时满足直流电压在允许波动范围内即可，本文根据电机功率选择单个电容器容量为3 300 μF。

3.3 逆变电路

三相全桥逆变电路是主电路的核心部分，由6 只IGBT 开关管组成，2 只IGBT 串联组成一个桥臂，上下两个桥臂以高频变化的占空比交替互补开通，中间输出一相电压。逆变电路可以由6 只单独的IGBT 开关管组成，也可以选用集成好的功率模块IPM，这类型功率模块内部集成了IGBT 组，并且还有完善的驱动电路和保护电路，这些保护电路在检测到通过IGBT 的电流过大、IGBT 两端承受电压过大或模块过热等情况时能够向控制器发出故障信号，控制器可以封锁脉冲，保护模块不受损坏[6]。

4 控制电路设计

4.1 电压检测电路

电压检测电路检测滤波电路的直流电压，用于控制器进行控制。由于DSP 控制内部集成了ADC 模块，其能够将3 V 的模拟电压信号转换为数字信号，供内部程序使用。为了使滤波电路的高电压能够转换为DSP 接收的低电压，采用两只电阻串联分压的方式组成电压检测电路，得到低电压后经过滤波、限流、再滤波，可以直接输入给DSP 的ADC 模块。分压电阻根据直流电压的范围和系统所需精度确定，选择5.62 kΩ 和100 kΩ 精密电阻，限流电阻为4.7 kΩ，滤波电容选择10 nF。

4.2 电流检测电路

电流检测电路采集逆变器的输出电流，用于变频调速的闭环控制，另一方面也反映了电机的电枢电流，可以实现电机的相关保护。电流检测电路由霍尔传感器、电流电压转换电路、滤波电路组成，霍尔传感器将主电路的大电流信号转换为0～20 mA 的小电流信号，还能实现电气隔离，小电流信号经过运算放大电路被转换为0～3 V 的电压信号，经过滤波电路送给DSP 的ADC 模块。

4.3 司控台闭锁电路

由于电机车为双方向行进设计，因此在电机车两端均设有司控台，为保障司机在前进方向上视野清晰，操作方便，两个控制台的控制权需要实现相互闭锁，主司机控制台在控制电机车时，副司机控制台无法操作，反之亦然。司控台通过电位器发送变化的电压信号，此电压信号由屏蔽电缆传输至闭锁装置，经闭锁装置选择一路输出，给到DSP 控制主板。

4.4 温度检测电路

虽然功率模块内部集成了温度保护电路，但是其保护范围有限，只能测量功率模块内部温度，且保护温度的值不可调整，因此有必要为系统单独设计温度检测电路。热敏电阻的特性是其电阻值随温度的升高而降低，当给定电压信号在热敏电阻和普通电阻之间分压时，热敏电阻上的电压值就能间接反应环境温度。热敏电阻可布置在蓄电池组、滤波电容器、DSP 控制器等温升较大的位置，用于保护各个装置。

5 结论

1）维修费用更低，电能节省更多。采用变频调速系统以后，电机车维护工作省去了换向电刷维护工作，电机车在低速运行时更加节能，没有调速电阻损耗电能，在电机车减速、下坡或刹车等情况下机车的动能被电容器吸收，这部分电能还可以有效利用。

2）安全性更佳，调速性能更优。采用交流变频系统以后，提高了电机车的黏着利用率，拓宽了调速范围，低速可达100 r/min，高速可达600 r/min。司机的停车、加速、减速和换向等操作更简单。