基于力矩模式的礦山牽引電機(jī)車控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

宗 劍， 阮 毅， 陳名輝， 徐立波

(1.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072;

2.上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418)

0 引言

礦山牽引電力機(jī)車是礦山重要運(yùn)載設(shè)備，逐漸由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)取代直流驅(qū)動(dòng)。牽引系統(tǒng)供電電源大多處在負(fù)荷的末端，電壓波動(dòng)較大，電能質(zhì)量較差。機(jī)車運(yùn)行軌道多數(shù)依地形而鋪設(shè)，機(jī)車運(yùn)行顛簸常使受電電弓掉電而中斷供電。應(yīng)用中要求機(jī)車控制系統(tǒng)能適應(yīng)頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等不同工況，同時(shí)要求牽引電力機(jī)車具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、帶負(fù)載能力強(qiáng)、對(duì)供電電壓波動(dòng)適應(yīng)能力強(qiáng)等特性［1，5-6］。

傳統(tǒng)的牽引電機(jī)控制多采用速度閉環(huán)控制。但是，機(jī)車的頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)較大，給控制帶來(lái)很多困難，特別是在減速、制動(dòng)過(guò)程中機(jī)車運(yùn)行平穩(wěn)性較差，制動(dòng)產(chǎn)生的能量會(huì)導(dǎo)致電壓泵升，給礦山供電系統(tǒng)的絕緣帶來(lái)嚴(yán)重考驗(yàn)。在滿足電力機(jī)車供電及控制要求的前提下，研究采用力矩模式，實(shí)現(xiàn)礦山牽引電力機(jī)車的控制，在一定程度上抑制電壓泵升，對(duì)礦山供電系統(tǒng)的安全有重要意義［2-6］。

1 電機(jī)控制模型［2］

牽引電機(jī)采用異步電機(jī)成為主要趨勢(shì)，但異步電機(jī)具有非線性、強(qiáng)耦合、多變量等性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從動(dòng)態(tài)模型出發(fā)。經(jīng)過(guò)Clarke變換和Park變換后，可獲得由靜止坐標(biāo)系變換到任意旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(d-q坐標(biāo)系)下狀態(tài)方程。

為獲得等效直流電機(jī)模型，按照直流電機(jī)的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用以ω-is-Ψr為狀態(tài)變量，可得到按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，為保持dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繃?yán)格保持同步旋轉(zhuǎn)，使d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希傻冒崔D(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)的M-T坐標(biāo)系。由于M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶恐睾希视?

為保證M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶繃?yán)格重合，還應(yīng)滿足:

可獲得按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系M-T中狀態(tài)方程:

由式(6)可以解得:

ω——電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速;

ω1——同步轉(zhuǎn)速;

ωs——轉(zhuǎn)差;

Ψs、Ψr——定、轉(zhuǎn)子磁鏈;

np——電機(jī)極對(duì)數(shù);

下標(biāo) r、s——轉(zhuǎn)子、定子。

經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，三相異步電機(jī)等效為一臺(tái)由ism和ist為輸入，ω為輸出的直流電機(jī)。m繞組相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組，ism相當(dāng)于勵(lì)磁電流，t繞組相當(dāng)于電樞繞組，ist相當(dāng)于電樞電流。

2 力矩模式控制系統(tǒng)

在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山牽引電機(jī)車要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行平穩(wěn)，而對(duì)速度的控制精度要求不高等特點(diǎn)，為使控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可省去速度環(huán)節(jié)，將定子電流轉(zhuǎn)矩分量作為直接給定量，由機(jī)車司機(jī)直接對(duì)定子電流轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少控制系統(tǒng)的運(yùn)算量，其特點(diǎn)是控制模式可以實(shí)現(xiàn)類似于汽車駕駛，對(duì)機(jī)車駕駛?cè)藛T來(lái)說(shuō)更容易接受。同時(shí)，這種控制方式又不同于直接轉(zhuǎn)矩控制，其基于按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，既繼承了矢量控制方式控制連續(xù)平滑和無(wú)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，又能達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)矩直接控制的效果。力矩模式結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 力矩模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

力矩模式采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無(wú)需計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，但對(duì)于矢量變換而言，仍然需要轉(zhuǎn)子磁鏈的位置信號(hào)。為避免計(jì)算磁鏈相位角時(shí)受電機(jī)參數(shù)Tr和Lm變化的影響，系統(tǒng)盡可能加以簡(jiǎn)化，控制中磁場(chǎng)定向采用間接定向，即用定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號(hào)和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)，如式(11)所示，將轉(zhuǎn)差頻率給定信號(hào)加上實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，得到坐標(biāo)系的同步旋轉(zhuǎn)角速度，經(jīng)積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生矢量變換角，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制功能。

3 系統(tǒng)構(gòu)建與試驗(yàn)

系統(tǒng)主電路采用AC-DC-AC模式工作，由于采用力矩模式控制，在減速過(guò)程中不產(chǎn)生泵升電壓，故AC-DC采用二極管不可控整流。系統(tǒng)包括主電路、控制電路和附件。控制系統(tǒng)采用以微芯片dsPIC30F6010A為核心的控制器，包括電流、電壓檢測(cè)模塊，測(cè)速模塊，保護(hù)模塊和通信模塊等。控制系統(tǒng)和上位機(jī)部分通過(guò)CAN通信進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

試驗(yàn)電機(jī)采用礦山牽引型異步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如下:PN=45 kW，f=50 Hz，IN=84 A，n=1 460 r/min，Te=286 N·m，Rs=0.120 3 Ω，Rr=0.096 89 Ω，Lm=0.081 57 H，Lr=0.084 55 H，np=2。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，測(cè)取系統(tǒng)起動(dòng)、突加負(fù)載、突減負(fù)載、穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的定子電流波形。圖3～圖5分別為力矩模式下帶負(fù)載起動(dòng)，突加、突減負(fù)載和穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)A、C兩相定子電流波形圖。由所測(cè)波形可知，系統(tǒng)在突加、突減負(fù)載時(shí)響應(yīng)迅速，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速能夠快速恢復(fù)，系統(tǒng)有較好的加載特性。

圖3 帶負(fù)載起動(dòng)定子電流波形

圖4 突加負(fù)載、突減負(fù)載定子電流波形

圖5 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)定子電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)證明，采用力矩模式控制，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩的要求，同時(shí)在頻繁切換時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，能夠有效克服在減速制動(dòng)過(guò)程中直流母線電壓泵升，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性很強(qiáng)，滿足工礦對(duì)牽引電機(jī)車控制性能要求。

［1］杜貴平，李樹強(qiáng)，姜孝華，等.礦用電機(jī)車最大轉(zhuǎn)矩交流牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［J］.電氣傳動(dòng)，2010(8):16-19.

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