礦用雙動力膠輪車用DC1500V變頻器的設計研究

劉孝軍，吉 強

（1.中國神華能源股份有限公司神東煤炭分公司，陜西 神木 719315；2.中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著煤礦高效生產和裝備的快速發(fā)展，以柴油和蓄電池為動力的無軌膠輪車輛得到了廣泛使用，但隨之帶來新的問題：柴油動力無軌膠輪車排放的尾氣在封閉的煤礦井下巷道中造成嚴重的污染，尤其是運行于長距離大坡度巷道時污染加劇，上坡動力不足，下坡時制動安全難以保障。而蓄電池動力無軌膠輪車實現(xiàn)了尾氣零排放，改善了巷道空氣質量，而且降低了運行費用。但由于相關法規(guī)對蓄電池容量進行了限制，阻礙了蓄電池車輛的發(fā)展。

為此，提出一種以柴油和架線電力為驅動能源的礦用雙動力無軌膠輪車。在架線巷道內運行時，車輛啟用電機驅動模式，柴油機不工作。架線供電方式使得車輛上坡動力充足，下坡制動能量能夠及時回饋給接觸網(wǎng)吸收再利用。本文對礦用雙動力膠輪車用DC1500V變頻牽引系統(tǒng)進行了研究。

1 技術現(xiàn)狀

雙動力無軌膠輪車使用的接觸網(wǎng)架線電壓等級采用直流1 500V，出于以下兩點因素：

（1）電壓等級可以滿足目前絕大多數(shù)大型礦井的運輸能力要求（而600V無法滿足大型礦井輔運的要求）。

（2）現(xiàn)行的城市地鐵系統(tǒng)采用DC1500V供電，很多基礎性技術甚至成套設備（比如架線供電設備）都可以借鑒，從而使這一研究始于高點。

雖然DC1500V架線電力為動力的城市地鐵電氣系統(tǒng)很成熟［1］，但直接將其照搬到煤礦井下是不可能的，主要原因如下：

（1）地鐵系統(tǒng)并非煤礦系統(tǒng)，地鐵系統(tǒng)不需要考慮防爆措施，而且地面軌道交通設備的空間不受限制，很多關鍵部件都有成熟的產品。

（2）地鐵屬于有軌系統(tǒng)，其線網(wǎng)供電環(huán)境和使用工況較礦用無軌膠輪車好得多，線網(wǎng)電壓波動、驅動部件的散熱均無需做太多的考慮。

（3）地鐵的接地系統(tǒng)龐大，高頻諧波能量能夠得到很好地吸收，電磁兼容設計相對簡單。

目前以DC1500V供電的無軌膠輪車輛牽引系統(tǒng)沒有成熟產品，且缺乏設計標準，只能參考地鐵的相關設計標準，因此對部件的三維尺寸和耐壓提出了很高的要求，普通的電機、變頻器、開關電源等部件由于體積大無法滿足整車布置要求，關鍵部件必須定制開發(fā)。

2 DC1500V變頻器設計

雙動力膠輪車使用的DC1500V變頻牽引系統(tǒng)是把架線DC1500V電源變換成車輛運行所需要的各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機變速運行的系統(tǒng)。其設計核心是高電壓DC／AC變頻器的設計，輸入直流1 500V，輸出三相交流1 050V，根據(jù)控制策略變換電源頻率，以供給車輛運行所需的轉矩和轉速。

2.1 設計原則

雙動力膠輪車架線運行時采用接觸網(wǎng)取電，這種滑移式的取電方式難免會出現(xiàn)由于接觸不良而引發(fā)的短時缺電現(xiàn)象。在設計控制策略時，應充分考慮電壓波動和短時缺電給變頻器帶來的負面影響，應確保車輛驅動系統(tǒng)轉速的平穩(wěn)過渡。瞬時掉電時靠車輛慣性自由滑行，有電后控制系統(tǒng)須依據(jù)車輛的實際車速，自動追蹤此刻的整車速度，不能出現(xiàn)車速突加和突減現(xiàn)象。

由于柴油機和電機同時布置在車輛上，因此對車輛空間布置的要求更高，變頻器的體積不能過大，相關部件應排布合理，這樣不僅可以有效降低其體積，還可以提高功率密度［2］。

2.2 硬件選型

高電壓DC／AC變頻器是一種調速驅動設備，有軟啟、軟停、可調速運行等優(yōu)勢，它主要由散熱器、輸入電抗器、輸出電抗器、回饋電抗器、電氣電路等部分構成。

電氣電路的主控芯片選擇了TI公司的TMS320F2810，它是一款高性能32位的DSP芯片，其最高工作主頻能達到150MHz，具有128kB的片上FLASH，兩個串口，16路12位的ADC模塊，兩個事件管理器共12路PWM輸出。2810輸出的6路PWM驅動信號經高速光耦6N137隔離，并變成15V信號通過雙絞線連接驅動板，數(shù)字量輸入輸出接口通過4N35光耦隔離，模擬量輸入輸出通過線性光耦7840隔離。通過上述措施，確保了控制電路與主電路的可靠隔離，從而提高了控制回路的抗干擾能力，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖1為DSP2810原理圖。

圖1 DSP2810原理圖

2.3 電氣電路設計

電氣電路主要由主電路、驅動電路、控制電路、電源電路、信號處理電路、吸收電路、故障保護電路等部分構成。主電路由直流電路（濾波電容）、逆變器部分組成，實現(xiàn)DC／AC的能量轉換［3］。該電路采用了全新的設計理念，具體參數(shù)突破了傳統(tǒng)思路的限制，將制動單元與驅動單元集成到一起。功率模塊與驅動模塊選擇的型號相同，既簡化了變頻器結構設計，同時也有助于復合母排的設計和加工，有效地減少了IGBT在開通和關斷的尖峰電壓和換流瞬間的電應力。DC／AC主電路原理圖如圖2所示。

電氣電路控制系統(tǒng)采用西門子PLC編程軟件STEP7進行設計?？刂撇呗圆捎昧酥苯愚D矩控制技術，并將IGBT模塊組件、三相變頻調速電機應用到雙動力膠輪車電氣控制系統(tǒng)中，使得雙動力膠輪車額定轉矩可達到300%，并實現(xiàn)了無級變速。通過對設定車速的最高限制，避免了超速飛車事故的發(fā)生。變頻調速器換向調速由壽命長的電位器組成，沒有觸點，維修工作量少。變頻調速器有欠壓、過壓、過載等多重保護功能，可滿足雙動力膠輪車頻繁啟動、制動和調速的要求［4］。

圖2 DC／AC主電路原理圖

2.4 電磁兼容性設計

整車采用架線取電，由于DC1500V本身就包含有多種高頻干擾，因此會給整車電控系統(tǒng)注入大量的高次諧波成分。而變電所的回饋功率高達2.3MVA，也是一個很強的干擾源，且直流系統(tǒng)容易受到干擾，濾波比較困難［5］。以上二者所產生的高頻傳導和輻射混合在一起，給弱電控制系統(tǒng)帶來了很大的電磁干擾。因此需采取以下有效措施：

（1）采用吸收電路：變頻器在高頻逆變狀態(tài)時產生瞬間電壓脈沖，如果不進行處理將損壞IGBT模塊，并干擾驅動電路。采用具有輸入電抗器和輸入濾波器的吸收電路可以抑制瞬間電壓脈沖。

（2）采用PCB電路板：設計時應充分考慮封裝措施、電纜與接頭的接地是否良好、時鐘和周期信號走線設定、PCB分層排列及信號布線層的設置、共模與差模濾波設計、接地環(huán)路設置、旁路和去耦等多種因素對電磁兼容的影響，選用產品質量高的PCB電路板供應商。

（3）電源電路設計：結合雙動力膠輪車的工作條件，該變頻器設計為電源輸入直接從直流母線上取電，采用高頻電容來吸收高頻脈沖，采用二極管來抑制線路寄生電感與電容振蕩。

2.5 保護系統(tǒng)設計

可靠的保護系統(tǒng)是變頻牽引系統(tǒng)車輛能高效、安全運行的關鍵。該變頻器采用全速度段無級變速控制方式，使雙動力膠輪車啟動平穩(wěn)、變速均勻、操作靈活。采用故障保護電路，對過壓、過流、過熱、欠壓等均能提供周全的保護功能和故障指示；具有前進、后退、電剎車的功能；可設定最高車速限制，避免司機開飛車發(fā)生事故。

在充分考慮體積、散熱、抗干擾和各種保護等因素的條件下，設計了適合于雙動力架線車用的緊湊型高電壓DC／AC變頻器，實物如圖3所示，完全滿足了整車空間的布置要求，實驗表明其性能也達到了車輛運行要求。

圖3 高電壓變頻器

3 結語

變頻調速具有節(jié)能、低故障、壽命長和可靠性高等優(yōu)點，其技術的應用在礦山行業(yè)已是一種趨勢，雙動力架線車用高電壓DC／AC變頻器的設計，克服了傳統(tǒng)礦用變頻器體積大的缺陷，解決了直流高壓對低壓電控系統(tǒng)的干擾難題，也為今后礦用變頻器的設計提供了技術借鑒。