煤礦電機車變頻調速控制系統的設計與功能實現

王瀏潔

（陽煤集團機電設備管理中心，山西 陽泉 045000）

引言

電機車作為煤礦的重要運輸工具，其主要承擔著煤炭、矸石等物料的運輸任務。隨著采煤機技術及綜采設備能力的提升，對工作面運輸設備的運輸能力提出了更高的要求。礦用電機車將朝著高性能、低能耗的方向發展，以往直流電機車將逐步被交流電機車所取代。因此，采用變頻調速技術實現電機車的節能運行是可行的[1]。本文研究變頻調速系統在電機車速度控制功能上的應用。

1 電機車變頻調速控制系統的確定

傳統電機車采用直流串勵電機為其牽引電機，直流串勵電機具有牽引特性好、啟動轉矩大以及過載能力強等優勢。但是，在實際生產中通過在回路中串接電阻以實現對電機的啟動和調速控制，此種控制方式具有控制效率低、能耗大等缺陷。雖然，針對直流電機采用IGBT 模塊可解決電機調速時能耗過高的問題，但是采用直流控制電機仍然存在維護困難的缺陷，間接制約工作面生產效率。因此，當前將逐步采用交流電機車取代直流電機車，從而解決電機車結構復雜、維護困難、成本昂貴以及工作效率低的問題[2]。本文以所使用的12 t 礦用交流電機車為載體，為其配置變頻調速系統。該電機車的運輸能力及關鍵參數主要參數如表1 所示。

對于交流變頻調速系統而言，可通過多種控制方式完成對電機車速度的控制。在眾多的控制方式中，由于直接轉矩控制方式具有簡化控制方式、響應速度好以及控制效果好等優勢，本文針對表1 所示電機車選用直接轉矩控制方式對其進行變頻調速控制。

表1 電機車主要參數

2 電機車變頻調速系統的總體結構設計

鑒于綜采工作面環境非常惡劣，其粉塵濃度大、相對潮濕以及瓦斯等易燃易爆氣體的存在，需為電機車配置防爆外殼[3]。此外，針對電機車變頻調速系統電氣分系統的設計盡量避免電氣裝置分散布置，對其進行集中布置。電機車變頻調速系統的總體結構如圖1 所示。

圖1 變頻調速系統總體結構示意圖

如圖1 所示，電機變頻調速系統的核心控制器為DSP，還包括有IGBT 驅動器、報警器、控制臺等設備。此外為盡量減少變頻調速控制系統電氣裝置的分散布置，且盡可能減少電氣布線，采用無速度傳感器控制技術對電機的轉速進行監測。

圖1 所示的變頻調速系統具有全面保護電機車的功能，可實現IGBT、欠壓、短路以及過載等保護功能。此外，基于上述變頻調速系統對電機車進行減速或制動操作時，過程中所產生的電能將返回至電池組中，一定程度上提升了節能效果。

3 變頻調速控制系統的設計

本文所設計電機車變頻調速系統的核心硬件設備包括有電源、IGBT 模塊以及儲能電容器等。

3.1 電源裝置的設計

本文所研究電機車的動力源為蓄電池。鑒于蓄電池結構的特殊性以及工作面防爆的性能要求，對于蓄電池的隔爆腔體有特殊要求。由于蓄電池在為電機車供電時會產生一定量的氫氣，而所產生的氫氣需及時溢出[4]。故，需對蓄電池采取全面的防范措施。

為解決上述問題，蓄電池采用雙柱頭的出線方式，并在連線位置處進行嚴密焊接，同時加強蓄電池正極和負極之間的絕緣處理。此外，還需對蓄電池加液口進行特殊處理，在保證加液時能防止液體溢出，還能夠確保反應時產生的氫氣及時逸出。

為避免由于電源欠壓導致運輸能力下降的問題，變頻調速系統會對電源電壓進行監測，當電壓值低于165 V 時，需對電源進行及時補液。

3.2 IGBT 模塊的設計

電機車變頻調速系統中最重要的功率單元為逆變部分。IGBT 模塊的主要功能是在開關處流經大電流時確保系統的安全。因此，所選IGBT 模塊的容量尤為重要，不僅需考慮系統的安全問題，還需考慮成本。本文所研究蓄電池電機車在滿載狀態下的電流為：

式中：P 為電機車的額定功率，取22 kW；D 為IGBT模塊導通占空比，取0.4；U 為直流母線的電壓值，取192 V。經計算，滿載狀態下的電流為286 A。

考慮取計算電流值兩倍以上的余量，結合IGBT模塊相關產品的參數，最終選擇IGBT 模塊的型號為CM600DY-12NF，該IGBT 模塊的額定電壓值為600 A，滿足滿載狀態下的電流要求。

3.3 儲能電容器的選型

由于逆變器在開關過程中會產生感應電動勢，為保證系統運行的安全性，為其配置濾波電容器消除感應電動勢的影響。儲能電容器選型的主要依據直流母線的電壓。由于直流母線的電壓為192 V，因此所選型儲能電容器的型號為3 300 μF/250 V。

此外，為減小感應電動勢，在布線過程中采用鍍錫扁銅條對儲能電容器和直流母線進行固定，并盡可能縮短布線的長度[5]。

4 變頻調速控制系統功能的實現

為保證變頻調速控制系統功能的實現，要求所設計的軟件需滿足如下功能：

1）系統軟件可實時對電機車電壓和電流值進行監測，并將所監測數據經A/D 轉換后送至DSP 核心控制器中；

2）基于直接轉矩控制算法，分析所監測到的數據，完成對電機車速度的控制；

3）當系統檢測到發生故障時，應及時作出中斷處理。

變頻調速控制系統的中斷程序流程圖如圖2 所示。

圖2 變頻調速控制系統中斷程序流程圖

為驗證變頻調速控制系統的性能，針對電機車在空載運行狀態下勻加速過程中不同頻率對應定子的電流值進行分析，試驗結果如圖3 所示。

如圖3 所示，電機車在空載狀態下啟動時，雖然定子頻率為0 Hz，但是其定子電流值不為零，而且隨著電機頻率（電機轉速）的升高定子電流迅速升高；當達到其額定電流140 A 后，隨著頻率的增加定子電流值逐步減小，并最終在靠近頻率上限值50 Hz處保持穩定。

圖3 空載工況下頻率與定子電流之間的關系

5 結論

電機車為煤礦生產中的關鍵運輸設備，為響應國家節能減排的生產要求，本文采用變頻調速實現對電機車速度的控制，并采用直接轉矩控制方式對速度進行變頻控制。經對所設計變頻調速控制系統試驗可知：

1）基于直接轉矩控制的變頻調速系統，可確保電機車在零速運行時仍有足夠的啟動轉矩；

2）在低頻控制范圍內，其電流值波動較小，電機車具有較好的穩定性，調速過程相對平穩且無劇烈振動。