礦用直流電機車斬波調速系統再生制動研究?

馮高明,朱家豐

(河南理工大學 電氣自動化學院, 河南 焦作市 454000)

0 引 言

礦用電機車作為地下礦的主要運輸工具,在實際生產中被廣泛應用[1G2].而以直流電動機作為牽引電機的電機車,目前仍在大量使用[3],這主要是由于直流電動機具有技術成熟、調速性能好、制動力矩大[4G5]等優點.而今變頻調速和PWM斬波調速是2個主要的研究方向.但變頻調速會使系統變得十分復雜、維修困難,因此以PWM斬波方式控制的電機車依然在實際使用中得到大家的青睞.

由于煤礦井下工作環境較為復雜,電機車在運行時難免會進行頻繁的制動,其制動方式主要有機械制動和電氣能耗制動兩大類[6].機械制動在制動時,存在閘瓦磨損的問題,對電機車的運行造成安全隱患.電氣能耗制動在制動期間,電阻在短時間內有大電流流過,產生很高的熱量,同樣不利于電機車的運行[7].而上述2種制動方式,存在的共同缺點是:能量都以熱量的形式消耗掉,造成能源的浪費.

本文研究了一種基于恒流控制的再生控制系統,從再生制動的原理和能量轉化兩個方面對電機車的制動過程進行了分析,建立了電機車再生制動系統的仿真模型,進行仿真驗證.仿真結果表明,采用恒流制動的電機車,在制動時,能夠有效實現能量的回收,并使制動電流很好地跟隨給定電流的變化而變化,從而達到根據駕駛員意愿來控制制動力矩大小的目的,令電機車駕駛員有良好的操縱感,保證電機車可靠制動.

1 再生制動系統原理

再生制動的原理是:當電機車在制動時,其本身有很大的慣性能量,此時電機由電動狀態轉變為發電狀態,實現能量的回收再利用.同時,由電機產生的制動力矩使電機車減速直至停止[8].電機車再生制動系統的原理,如圖1所示.圖中U是蓄電池兩端的電壓,E是電機反電動勢,R是電機電樞回路總電阻,L是電機電樞回路總電感,VT1~VT4是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT).制動時,電機在某一轉速下開始制動,VT1、VT4處于關斷狀態,而對VT2、VT3進行脈沖寬度調制(PWM)控制.當VT2、VT3導通時,制動電流的方向為:蓄電池－VT3－電機－VT2－蓄電池,此時,電機處于反接制動狀態,在電機反電勢和蓄電池電壓的作用下,對電感L進行充電,電路中電流上升;當VT2、VT3關斷時,由于電樞電感的存在,電流無法突變,制動電流的方向為:電機－VD1－蓄電池－VD4－電機,此時,電機處于給蓄電池充電狀態,電路中電流下降.

圖1 再生制動系統原理

通過上面分析可知,再生制動電路是一個升壓斬波電路,其本質是使電機反電動勢大于電機兩端所加的電壓[9].

2 電機制動過程分析

制動時,電機電樞兩端電壓和電樞電流波形如圖2所示.設在一個脈寬調制周期T中,VT2、VT3導通的持續時間為t1,占空比α＝t1/T.下面對再生制動過程進行分析.

圖2 電樞電壓和電流波形

2.1 制動過程中的電路方程

在制動時的一個PWM周期中,當VT2、VT3導通時,電機系統處于反接制動狀態.設此時電樞電流是ia1,電路方程為:

解上式,得:

由上式可以看出,ia1的絕對值在逐漸增大.

當VT2、VT3關斷時,電機系統處于充電狀態.設此時電樞電流為ia2,電路方程為:

解上式,得:

由上式可以看出,ia2的絕對值在逐漸減小.

2.2 占空比和電機反電勢

由于采用恒流控制策略,因此制動時電樞電流ia在某一恒值－IM上下波動(如圖2所示).在每個PWM周期中,電機處于充電狀態的時間(即VT2、VT3關斷的時間)與電機處于反接制動狀態的時間(即VT2、VT3導通的時間)之比等于對應時間段內電流變化率(取絕對值)的反比.

將式(8)代入式(6),可得:

由式(8)可知,制動時電機反電勢E隨著時間的增加而近似線性降低.由式(9)可以看出,制動時占空比α隨著時間的增長而近似線性增長.

2.3 能量的轉換關系

當電機車處于反接制動狀態時,其動能和電源輸出的能量一部分以電阻的熱能形式消耗掉,另一部分轉化為電樞電感的磁場能量儲存起來.此時,由電源提供的能量Q1為:

當電機車處于充電狀態時,在電機的自感電動勢和反電動勢的共同作用下,產生回饋充電電流,其能量一部分儲存在蓄電池中,另一部分同樣以熱能的形式消耗在回路電阻中.此時,電源吸收的能量Q2為:

在整個制動過程中,若忽略功率器件的開關損耗,電機車的動能除了一部分消耗在電阻上以外,其余全部以電能的形式回饋到蓄電池中.每個PWM周期中,回饋到蓄電池中的能量ΔQ為:

由式(2)可以看出,當占空比α＞時,回饋到蓄電池中的能量為負;當占空比α＜時,回饋到蓄電池中的能量為正.

由于PWM波頻率很高,因此一個PWM斬波周期T可以看作為一個很小的微分量,則式(12)可以化為:

整個制動過程中,回饋到蓄電池中的能量為:

將式(9)代入式(14),可得:

式中,E0＝Ceω0.解上式,可得:

由式(16)可以看出,回饋到蓄電池的能量Q是關于時間t的二次拋物線函數.令＝0,可得,使回饋能量Q達到最大值時,所對應的t值為:

回饋能量的最大值為:

將式(17)代入式(9)可得,此時對應的占空比為:

由式(18)可知,回饋到蓄電池的能量最大值Qmax與制動電流IM有關;由式(8)、式(9)和式(19)可以看出,當回饋能量達到最大值時,反電動勢E的值與回路電阻的壓降IMR相同.當占空比α＞時,回饋到蓄電池的能量為負值,此時為了保持電樞制動電流的恒定,蓄電池會對外釋放能量.

3 回饋制動控制策略

在電機系統滿足安全制動的前提下,考慮制動能量回收最大化,文獻[9]提出了最大回饋效率制動、最大回饋功率制動、恒值電流制動(即恒轉矩制動)3種方式.最大回饋功率制動沒有考慮電池最大充電電流的限制,且電機轉速呈指數形式下降,不符合駕駛員的操作習慣;最大回饋效率制動需要實時檢測車輛制動時的阻力矩,且電機轉速呈拋物線形式下降,同樣不符合駕駛員的操作習慣;恒轉矩制動,以電樞電流為控制對象,控制方式簡單、易于實現,且電機轉速呈線性下降,符合駕駛員的操作習慣,同時兼顧盡可能大的能量回收效率.

本文采用以電樞電流為控制對象的恒流控制策略,從而實現制動電流的恒定.在制動過程中,使電樞電流緊緊跟隨給定電流的變化而變化,進而調節制動力矩的大小.采用該控制策略的優點在于,制動力矩的大小與制動手柄的開度有著近似線性比的關系[10],且在制動時轉速以線性規律下降,能夠符合駕駛員的操作習慣,為大眾所接受.

在電路處于穩態條件下,根據電樞電流脈動上升值和下降值相等,建立再生制動的線性化方程,設I為電機電樞電流平均值,可得:

解上式,可得:

式(22)中,Ib為一個周期內回饋到蓄電池的電流值.由式(21)可知,恒值制動電流的控制方程為:

4 再生制動系統的建模與仿真

為了驗證所設計系統的正確性,根據升壓斬波的原理,結合電機的參數,在MATLAB的仿真軟件中建立了對應的仿真模型[11],如圖3所示.系統仿真模型選用2相Universal Bridge模塊,由雙極式控制電路(圖4所示)進行驅動.在圖4中,由輸入信號和三角載波信號(幅值變化范圍－1－1)經過4次比較,分別產生四路脈沖驅動信號,使2相UniG versal Bridge模塊能夠同時實現對角IGBT的導通和關斷.設置Step1的階躍時間為4 s、初值為1、終值為－1,做為Switch1模塊控制端口的控制條件.在制動時,通過Switch1模塊實現VT1、VT4管子脈沖驅動信號的占空比為零,從而關斷VT1、VT4功率管,并保持VT2、VT3處于開關狀態.設置電池SOC初始值為80%,轉速控制器和電流控制器都選用PI調節器.電動運行時采用雙閉環控制策略,以達到更好的控制轉速的目的;回饋制動運行時采用恒流控制策略,實現對制動轉矩的控制.經過計算,PI調節器的參數如表1所示.

5 仿真結果分析

礦用電機車作為煤礦運輸的主要工具,由于工作的需要,比如巷道的坡度變化、滿載時遇到障礙物時減速、接送工作人員上下班等,電機車需要頻繁地進行制動,要求電機車具有良好的制動性能.同時,又要求電機車的制動方式要符合駕駛員的操作習慣,這樣在實際運用中才能被大家所認可.

仿真采用額定功率為37 k W的直流電動機,直流電機的參數如表2所示.直流電機的其他參數經計算可得;電樞電感La＝0.012H,電機電樞互感Laf＝1.8H.電機的負載轉矩為10 N