礦山牽引電機車控制系統的仿真

張洵

摘 要 傳統的礦山牽引電機車采用的是直流調阻調速和直流斬波調速，其特點遠遠滿足不了目前礦山開采的需求，根據我國礦山開采的實際情況，礦山牽引電機車控制系統應該具備一定特點，如較強的穩定性、超強的載荷能力等，文章就如何改進牽引電機車控制系統，節約能源，降低損耗，加強電機牽引性能進行深入的探討和研究。

關鍵詞 牽引電機車；控制系統；矢量；建模；仿真；節能

中圖分類號：TD6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0061-01

我國是世界人口大國，能源消耗量巨大，而煤炭是非常重要的能源，礦山開采是煤炭能源主要的來源，而礦山開采主要依靠的是礦山電機車，它是井下作業的主要運輸工具，其性能對礦山開采有很大影響，甚至會波及整個煤炭業，如何加強礦山牽引電機車控制系統性能，降低能耗，提高工作效率也成為了關注的焦點。近年來，人們通過實踐不斷改進牽引電機車控制系統，摒棄了傳統的采用直流調阻調速和直流斬波調速，對變頻調速進行了各種實驗和分析，建立相應的系統模型，模擬仿真，并進行實驗驗證。

1 不同種類的礦山牽引電機車控制系統

在礦山企業，電機車是必備設備，種類眾多，不同的供電方式、不同的牽引力，分類亦不同，隨著技術的不斷發展，可謂大浪淘沙，早期的串電阻調速被直流斬波調速取代，直流牽引電機調速不如交流牽引電機變頻調速，同樣直流牽引電機車也不敵交流牽引電機車，所以交流變頻調速電機車是大勢所趨，也符合市場需求。一般來說，在不考慮電機之間聯系的情況下，每臺電機都由相應的一臺變頻器控制，它們是“一對一”的關系，這種情形下，為了滿足市場需求，一般會采用矢量控制系統或直接轉矩控制系統。影響礦山牽引電機車的因素很多，如空間限制，寬度不同的軌距，這時會采用“一帶一”，即一臺電機驅動一個輪對，也就是雙電機直接驅動，這期間也存在電機運行速度慢，成本高的問題，主要是因為沒有轉向架，之于機車與軌道間，為了正常運行，兩個電機需自行分配載荷量，盡量做到均衡，一般為了提高運行速度，并節約成本多采用一臺變頻器控制多臺電機的方法。

矢量控制作用于雙電機調速系統時，其中最重要也是最必要的是針對控制對象進行數學模型建造，如今的建造模型方法多為“二合一”即兩臺電機的功效等同于一臺電機，采取這種方法一般考慮兩個方面：1）當面對參數不同的電機進行選擇時，參數相近的電機是較好的選擇，選擇其中一臺電機，對其進行矢量控制，余下電機采取被動控制；2）平均模型不易太過復雜，應進行簡化，首先選擇兩臺參數相近的電機，平均并且簡化這兩臺電機的定子電流和轉速，使之作為反饋進行控制。在實際的生產中，前者存在被動控制電機，以至于控制系統的控制效果達不到理想狀態，所以大多數情況下一般都會采用后者的方法。

2 建立牽引電機控制系統的仿真模型

雖然在上面的描述中，我們提到兩種方案，但是無論是哪個方案研究對象始終是一臺電機，同樣在牽引電機控制方案的系統建模過程中，我們也以一臺電機為例進行建模。異步電機作為牽引電機是目前礦山牽引電機車的趨勢走向，異步電機有其自身特點，非線性、強耦合、多變量等。所以為了達到更好的調速性能，坐標需進行變換并且簡化。

作為雙閉環的調速控制系統（直接轉矩控制變頻調速控制系統），內環和外環采用不同的控制方式，其內環通過磁鏈和轉矩的閉環控制，對電動機定子端的一些變量，如電流、電壓等進行檢測，通過周密的計算，得出定子磁鏈和電磁轉矩以及定子磁鏈角的相關數據，然后會用到磁鏈和轉矩滯環比較器，通過其進行比較計算可以得到磁鏈偏差和轉矩偏差的數值；通過這兩個數值加上定子磁鏈所處的扇區，采取擇優錄取，優勝略汰的方法進行選擇，以此得到電壓空間矢量，從而自由控制逆變器的開啟和關閉。說完內環，再說外環，外環通過速度閉環控制，比較電機工作中的實際轉速（即速度傳感器或觀測器輸出）與設定的轉速，以此作為速度調節的輸入，速度調節都是通過速度調節器進行的，目前為止，大多沿用傳統的PI線性調節器，電磁轉矩的給定信號依靠于PI線性調節器的輸出。整個系統的基本構架如下圖所示。

從圖可以看出，異步電動機的磁鏈模型建造相對比較簡單，通過簡單的積分關系便可建造。調節定子磁鏈運動軌跡的平均轉速，以及轉矩大小的變化是轉矩調節這一部分的主要功能。零電壓空間矢量的引入，對定子磁鏈

沿軌跡運動的平均速度有很大影響，可以改變其平均轉速，如上圖所示單元AZS代表零狀態，零狀態電壓信號由其發出。單元ASS代表開關信號，控制著零狀態電壓信號發出的時間。ATR代表轉矩調節器，TQ代表其輸出信號，ATR控制ASS，是轉矩給定值與轉矩反饋值相減得出轉矩調節器的輸入信號數值。經過對上述的計算分析，建立一個直接轉矩控制變頻調速控制系統的模型。

經過試驗我們可以看出，較于傳統直流傳動電機車，交流傳動電機車牽引性能更強，在作業過程中，一旦電流有稍微的增大，牽引力便增大很多，將牽引速度規定為一個固定數值時，交流傳動電機車低速大轉矩起動時起動電流相較于直流傳動電機車的起動電流小很多，差不多不足直流傳動電機車的1/2，可見直接轉矩控制變頻調速控制系統能夠降低能耗，節約能源。

3 結束語

本文通過對傳統直流傳動礦山電機車與交流傳動電機車相比較，分析其利弊，了解雙電機調速矢量控制系統及直接轉矩控制變頻調速控制系統，建立更利于市場需求的直接轉矩控制變頻調速控制系統仿真模型，提高了效率的同時，降低了能耗，節約了能源，更利于資源的可持續發展。

參考文獻

[1]張也.金鑫.礦山牽引電機車控制系統的仿真[M].北京出版社，2013.

[2]李雪，董旭.礦用電機車調速控制系統研究[M].北京出版社，2013.

[3]徐小艷.礦用電機車矢量控制系統的研究設計[M].北京出版社，2013.endprint

摘 要 傳統的礦山牽引電機車采用的是直流調阻調速和直流斬波調速，其特點遠遠滿足不了目前礦山開采的需求，根據我國礦山開采的實際情況，礦山牽引電機車控制系統應該具備一定特點，如較強的穩定性、超強的載荷能力等，文章就如何改進牽引電機車控制系統，節約能源，降低損耗，加強電機牽引性能進行深入的探討和研究。

關鍵詞 牽引電機車；控制系統；矢量；建模；仿真；節能

中圖分類號：TD6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0061-01

我國是世界人口大國，能源消耗量巨大，而煤炭是非常重要的能源，礦山開采是煤炭能源主要的來源，而礦山開采主要依靠的是礦山電機車，它是井下作業的主要運輸工具，其性能對礦山開采有很大影響，甚至會波及整個煤炭業，如何加強礦山牽引電機車控制系統性能，降低能耗，提高工作效率也成為了關注的焦點。近年來，人們通過實踐不斷改進牽引電機車控制系統，摒棄了傳統的采用直流調阻調速和直流斬波調速，對變頻調速進行了各種實驗和分析，建立相應的系統模型，模擬仿真，并進行實驗驗證。

1 不同種類的礦山牽引電機車控制系統

在礦山企業，電機車是必備設備，種類眾多，不同的供電方式、不同的牽引力，分類亦不同，隨著技術的不斷發展，可謂大浪淘沙，早期的串電阻調速被直流斬波調速取代，直流牽引電機調速不如交流牽引電機變頻調速，同樣直流牽引電機車也不敵交流牽引電機車，所以交流變頻調速電機車是大勢所趨，也符合市場需求。一般來說，在不考慮電機之間聯系的情況下，每臺電機都由相應的一臺變頻器控制，它們是“一對一”的關系，這種情形下，為了滿足市場需求，一般會采用矢量控制系統或直接轉矩控制系統。影響礦山牽引電機車的因素很多，如空間限制，寬度不同的軌距，這時會采用“一帶一”，即一臺電機驅動一個輪對，也就是雙電機直接驅動，這期間也存在電機運行速度慢，成本高的問題，主要是因為沒有轉向架，之于機車與軌道間，為了正常運行，兩個電機需自行分配載荷量，盡量做到均衡，一般為了提高運行速度，并節約成本多采用一臺變頻器控制多臺電機的方法。

矢量控制作用于雙電機調速系統時，其中最重要也是最必要的是針對控制對象進行數學模型建造，如今的建造模型方法多為“二合一”即兩臺電機的功效等同于一臺電機，采取這種方法一般考慮兩個方面：1）當面對參數不同的電機進行選擇時，參數相近的電機是較好的選擇，選擇其中一臺電機，對其進行矢量控制，余下電機采取被動控制；2）平均模型不易太過復雜，應進行簡化，首先選擇兩臺參數相近的電機，平均并且簡化這兩臺電機的定子電流和轉速，使之作為反饋進行控制。在實際的生產中，前者存在被動控制電機，以至于控制系統的控制效果達不到理想狀態，所以大多數情況下一般都會采用后者的方法。

2 建立牽引電機控制系統的仿真模型

雖然在上面的描述中，我們提到兩種方案，但是無論是哪個方案研究對象始終是一臺電機，同樣在牽引電機控制方案的系統建模過程中，我們也以一臺電機為例進行建模。異步電機作為牽引電機是目前礦山牽引電機車的趨勢走向，異步電機有其自身特點，非線性、強耦合、多變量等。所以為了達到更好的調速性能，坐標需進行變換并且簡化。

作為雙閉環的調速控制系統（直接轉矩控制變頻調速控制系統），內環和外環采用不同的控制方式，其內環通過磁鏈和轉矩的閉環控制，對電動機定子端的一些變量，如電流、電壓等進行檢測，通過周密的計算，得出定子磁鏈和電磁轉矩以及定子磁鏈角的相關數據，然后會用到磁鏈和轉矩滯環比較器，通過其進行比較計算可以得到磁鏈偏差和轉矩偏差的數值；通過這兩個數值加上定子磁鏈所處的扇區，采取擇優錄取，優勝略汰的方法進行選擇，以此得到電壓空間矢量，從而自由控制逆變器的開啟和關閉。說完內環，再說外環，外環通過速度閉環控制，比較電機工作中的實際轉速（即速度傳感器或觀測器輸出）與設定的轉速，以此作為速度調節的輸入，速度調節都是通過速度調節器進行的，目前為止，大多沿用傳統的PI線性調節器，電磁轉矩的給定信號依靠于PI線性調節器的輸出。整個系統的基本構架如下圖所示。

從圖可以看出，異步電動機的磁鏈模型建造相對比較簡單，通過簡單的積分關系便可建造。調節定子磁鏈運動軌跡的平均轉速，以及轉矩大小的變化是轉矩調節這一部分的主要功能。零電壓空間矢量的引入，對定子磁鏈

沿軌跡運動的平均速度有很大影響，可以改變其平均轉速，如上圖所示單元AZS代表零狀態，零狀態電壓信號由其發出。單元ASS代表開關信號，控制著零狀態電壓信號發出的時間。ATR代表轉矩調節器，TQ代表其輸出信號，ATR控制ASS，是轉矩給定值與轉矩反饋值相減得出轉矩調節器的輸入信號數值。經過對上述的計算分析，建立一個直接轉矩控制變頻調速控制系統的模型。

經過試驗我們可以看出，較于傳統直流傳動電機車，交流傳動電機車牽引性能更強，在作業過程中，一旦電流有稍微的增大，牽引力便增大很多，將牽引速度規定為一個固定數值時，交流傳動電機車低速大轉矩起動時起動電流相較于直流傳動電機車的起動電流小很多，差不多不足直流傳動電機車的1/2，可見直接轉矩控制變頻調速控制系統能夠降低能耗，節約能源。

3 結束語

本文通過對傳統直流傳動礦山電機車與交流傳動電機車相比較，分析其利弊，了解雙電機調速矢量控制系統及直接轉矩控制變頻調速控制系統，建立更利于市場需求的直接轉矩控制變頻調速控制系統仿真模型，提高了效率的同時，降低了能耗，節約了能源，更利于資源的可持續發展。

參考文獻

[1]張也.金鑫.礦山牽引電機車控制系統的仿真[M].北京出版社，2013.

[2]李雪，董旭.礦用電機車調速控制系統研究[M].北京出版社，2013.

[3]徐小艷.礦用電機車矢量控制系統的研究設計[M].北京出版社，2013.endprint

摘 要 傳統的礦山牽引電機車采用的是直流調阻調速和直流斬波調速，其特點遠遠滿足不了目前礦山開采的需求，根據我國礦山開采的實際情況，礦山牽引電機車控制系統應該具備一定特點，如較強的穩定性、超強的載荷能力等，文章就如何改進牽引電機車控制系統，節約能源，降低損耗，加強電機牽引性能進行深入的探討和研究。

關鍵詞 牽引電機車；控制系統；矢量；建模；仿真；節能

中圖分類號：TD6 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0061-01

我國是世界人口大國，能源消耗量巨大，而煤炭是非常重要的能源，礦山開采是煤炭能源主要的來源，而礦山開采主要依靠的是礦山電機車，它是井下作業的主要運輸工具，其性能對礦山開采有很大影響，甚至會波及整個煤炭業，如何加強礦山牽引電機車控制系統性能，降低能耗，提高工作效率也成為了關注的焦點。近年來，人們通過實踐不斷改進牽引電機車控制系統，摒棄了傳統的采用直流調阻調速和直流斬波調速，對變頻調速進行了各種實驗和分析，建立相應的系統模型，模擬仿真，并進行實驗驗證。

1 不同種類的礦山牽引電機車控制系統

在礦山企業，電機車是必備設備，種類眾多，不同的供電方式、不同的牽引力，分類亦不同，隨著技術的不斷發展，可謂大浪淘沙，早期的串電阻調速被直流斬波調速取代，直流牽引電機調速不如交流牽引電機變頻調速，同樣直流牽引電機車也不敵交流牽引電機車，所以交流變頻調速電機車是大勢所趨，也符合市場需求。一般來說，在不考慮電機之間聯系的情況下，每臺電機都由相應的一臺變頻器控制，它們是“一對一”的關系，這種情形下，為了滿足市場需求，一般會采用矢量控制系統或直接轉矩控制系統。影響礦山牽引電機車的因素很多，如空間限制，寬度不同的軌距，這時會采用“一帶一”，即一臺電機驅動一個輪對，也就是雙電機直接驅動，這期間也存在電機運行速度慢，成本高的問題，主要是因為沒有轉向架，之于機車與軌道間，為了正常運行，兩個電機需自行分配載荷量，盡量做到均衡，一般為了提高運行速度，并節約成本多采用一臺變頻器控制多臺電機的方法。

矢量控制作用于雙電機調速系統時，其中最重要也是最必要的是針對控制對象進行數學模型建造，如今的建造模型方法多為“二合一”即兩臺電機的功效等同于一臺電機，采取這種方法一般考慮兩個方面：1）當面對參數不同的電機進行選擇時，參數相近的電機是較好的選擇，選擇其中一臺電機，對其進行矢量控制，余下電機采取被動控制；2）平均模型不易太過復雜，應進行簡化，首先選擇兩臺參數相近的電機，平均并且簡化這兩臺電機的定子電流和轉速，使之作為反饋進行控制。在實際的生產中，前者存在被動控制電機，以至于控制系統的控制效果達不到理想狀態，所以大多數情況下一般都會采用后者的方法。

2 建立牽引電機控制系統的仿真模型

雖然在上面的描述中，我們提到兩種方案，但是無論是哪個方案研究對象始終是一臺電機，同樣在牽引電機控制方案的系統建模過程中，我們也以一臺電機為例進行建模。異步電機作為牽引電機是目前礦山牽引電機車的趨勢走向，異步電機有其自身特點，非線性、強耦合、多變量等。所以為了達到更好的調速性能，坐標需進行變換并且簡化。

作為雙閉環的調速控制系統（直接轉矩控制變頻調速控制系統），內環和外環采用不同的控制方式，其內環通過磁鏈和轉矩的閉環控制，對電動機定子端的一些變量，如電流、電壓等進行檢測，通過周密的計算，得出定子磁鏈和電磁轉矩以及定子磁鏈角的相關數據，然后會用到磁鏈和轉矩滯環比較器，通過其進行比較計算可以得到磁鏈偏差和轉矩偏差的數值；通過這兩個數值加上定子磁鏈所處的扇區，采取擇優錄取，優勝略汰的方法進行選擇，以此得到電壓空間矢量，從而自由控制逆變器的開啟和關閉。說完內環，再說外環，外環通過速度閉環控制，比較電機工作中的實際轉速（即速度傳感器或觀測器輸出）與設定的轉速，以此作為速度調節的輸入，速度調節都是通過速度調節器進行的，目前為止，大多沿用傳統的PI線性調節器，電磁轉矩的給定信號依靠于PI線性調節器的輸出。整個系統的基本構架如下圖所示。

從圖可以看出，異步電動機的磁鏈模型建造相對比較簡單，通過簡單的積分關系便可建造。調節定子磁鏈運動軌跡的平均轉速，以及轉矩大小的變化是轉矩調節這一部分的主要功能。零電壓空間矢量的引入，對定子磁鏈

沿軌跡運動的平均速度有很大影響，可以改變其平均轉速，如上圖所示單元AZS代表零狀態，零狀態電壓信號由其發出。單元ASS代表開關信號，控制著零狀態電壓信號發出的時間。ATR代表轉矩調節器，TQ代表其輸出信號，ATR控制ASS，是轉矩給定值與轉矩反饋值相減得出轉矩調節器的輸入信號數值。經過對上述的計算分析，建立一個直接轉矩控制變頻調速控制系統的模型。

經過試驗我們可以看出，較于傳統直流傳動電機車，交流傳動電機車牽引性能更強，在作業過程中，一旦電流有稍微的增大，牽引力便增大很多，將牽引速度規定為一個固定數值時，交流傳動電機車低速大轉矩起動時起動電流相較于直流傳動電機車的起動電流小很多，差不多不足直流傳動電機車的1/2，可見直接轉矩控制變頻調速控制系統能夠降低能耗，節約能源。

3 結束語

本文通過對傳統直流傳動礦山電機車與交流傳動電機車相比較，分析其利弊，了解雙電機調速矢量控制系統及直接轉矩控制變頻調速控制系統，建立更利于市場需求的直接轉矩控制變頻調速控制系統仿真模型，提高了效率的同時，降低了能耗，節約了能源，更利于資源的可持續發展。

參考文獻

[1]張也.金鑫.礦山牽引電機車控制系統的仿真[M].北京出版社，2013.

[2]李雪，董旭.礦用電機車調速控制系統研究[M].北京出版社，2013.

[3]徐小艷.礦用電機車矢量控制系統的研究設計[M].北京出版社，2013.endprint