煤礦直流架線電機車仿真分析

摘要：本文對煤礦直流架線電機車進行了仿真，并給出了仿真結果。

關鍵詞：煤礦 直流架線電機車 仿真

0 引言

煤礦直流架線式電機車額定電壓一般采用550伏。運力較小、運距較短時，可采用250伏，地面長距離運煤時，經技術經濟比較，也可采用750伏。仿真采用ZQ-24型電機，其額定電壓為550V，工作于小時制，額定電流50.5A，額定轉矩39Kg*m，額定轉速600rpm。

1 直流電源的獲取

交流電能要以直流電能的形式提供給架線電機車，整流是必須的技術環節。晶閘管、二極管整流器由于功率因數低，諧波污染嚴重，已經不適于在大功率場合的直接應用。PWM整流器可以在滿足直流負載正常工作的同時使交流側的功率因數為1。如果直流側負載需要改變電壓，如直流電機的變壓調速等場合，可以用斬波器將PWM整流器的直流側電壓變成需要的負載所需的電壓。在本論文的仿真中，假設PWM整流器的直流側電壓可以保持穩定，以至于可以用一個直流電壓源來代替。

2 起動電阻的選擇

串電阻起動的目的就是減小起動時的電流沖擊。起動時，電機轉速為0，電樞反電動勢還沒有建立，需要在電樞回路中串聯一定阻值的電阻，起到分壓作用，從而減小電樞電流。所串電阻大小要滿足起動電流的要求。選取最大起動電阻為7Ω。如果忽略電樞和勵磁電阻，則起動電流為550/7=78.6A，不到額定電流的2倍，是基本可以承受的。

3 控制系統設計

仿真采用ZK7-10的起動控制方法，即雙電機先是串聯，串電阻起動，再變換成并聯。在起動控制中一個關鍵的問題是控制時間的確定。雖然是順序控制，可是相鄰狀態之間的時間間隔都需要合理設計。仿真中所用的狀態時間值都是根據減小電樞電流和縮短電機起動時間的原則設計的。使用升壓型斬波器改變電機電壓，形成調壓控制。為了是電機轉速能夠跟隨給定，對電機轉速采用閉環控制，控制變量為斬波器的開關占空比。

4 仿真結果

仿真采用串電阻起動的方法，設計起動時間為2秒。2秒之后進行調速，調速過程中負載轉矩發生階躍變化。仿真主要觀察電機轉速和電樞電流變化情況。

4.1 電機轉速波形（見圖一） 0~2s是電機的起動階段。2s之后對電機進行調速，可以看出轉速可以很好的跟蹤給定值。5s時電機能耗制動，轉速也直線下降到0。另一個值得注意的是，兩個直流電機的轉速基本相同，其大部分時間是重合的，只是在0.8s時有一點差異，這是因為此時其中一個電機被短路掉了。兩電機轉速相同的條件是他們的參數完全相同。

4.2 電樞電流波形（見圖二、圖三） 由電流及轉矩波形顯示，起動電流限制在70A以內。3~3.5s時間內負載轉矩的階躍變化使電機的電樞電流和電磁轉矩也發生相應的階躍變化，以適應負載。對比轉速波形和電流波形可以明顯看出，由于采用速度閉環調節，當負載發生擾動時，系統自動通過調壓的方式使轉速穩定在給定值，而不會因為負載的變化而變化。