交流礦用電機車變頻調速系統的設計及仿真分析

李繼東

（陽煤寺家莊有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

煤炭運輸系統作為綜采工作面煤炭開采的三大系統之一，其運行的穩定性和可靠性直接影響綜采工作面的開采效率。目前，應用于綜采工作面的煤炭運輸裝置主要有提升機、帶式輸送機、刮板輸送機、電機車等。礦用電機車是綜采工作面的重要運輸設備，且應用最為廣泛的電機車類型為蓄電池礦用電機車，即采用直流電機驅動[1]。經調研可知，基于直流電機驅動礦用電機車的成本較高且可靠性較低，嚴重制約著煤炭、矸石以及設備人員的運送效率。為此，結合當前集成電路及計算機控制技術的發展，變頻調速被廣泛應用于工業生產，且具有節能、可靠性高、穩定性高的優勢。

1 礦用電機車調速系統存在問題

鑒于綜采工作面或多或少存在一定的瓦斯，因此要求綜采工作面的設備具有隔爆、防爆的功能。因此，工作面主要采用蓄電池礦用電機車，即采用直流調速方式。經現場調研可知，直流電機調速系統存在如下問題：

1）直流電機的線圈、碳刷均約為損耗件且其故障率較高，導致直流電機車的運行和維修成本高；

2）直流調速電機車配有電阻器，在礦用電機車長時間運行的情況下，不僅會造成電能的浪費，而且電阻發熱還會造成電阻瓷架和電阻片燒壞；

3）直流調速電機的調速范圍小，導致在載荷突變時容易對系統造成沖擊，且對于爬坡工況而言，存在牽引力不足的問題[2]；

綜上所述，直流電機調速已經不能夠滿足當前綜采工作面礦用電機車的實際運輸需求。因此急需當前調速系統進行改造。

2 交流變頻調速系統的可行性分析

與直流電機相比可知，交流電機具有體積小、重量輕、維修方便的特點。而且，交流變頻調速技術在其他行業中的應用具有明顯的節能效果，且其可以實現對設備的無級調速，提升設備對各種工況的適應能力，進而提升電機車的穩定性和可靠性。

鑒于礦用電機車惡劣的工作環境和復雜的工況，要求其需頻繁地啟停、制動、加速、減速等操作。因此，要求礦用電機車電機具有啟動轉矩大、過載能力強的特點。故，可采用矢量控制變頻器應用于交流礦用電車中，實現對礦用電機車無級調速的同時，確保設備在突變載荷及復雜工況下不會對其本身造成沖擊[3]。

基于矢量控制交流電機可確保設備得到與直流電機相媲美的牽引力和制動性能。礦用電機車矢量控制系統的實現需特別注意：由于矢量控制系統是基于大量計算的基礎上得到相應的PWM 信號實現的。因此，矢量控制系統的計算量非常大。故，對矢量控制系統芯片的要求較高[4]。在眾多芯片對比的基礎上，選擇了DSP 芯片+SVPWM逆變電路作為矢量控制系統的核心處理器，實現對電機的優化控制，SVPWM逆變器仿真模型如圖1 所示。

圖1 SVPWM 逆變器仿真模型

經仿真分析可知，系統啟動后能夠在極短的時間內實現平穩狀態，且在后續運行階段一直處于穩定狀態。即說明，采用矢量變頻控制系統是可行的。

3 矢量變頻調速系統的設計

3.1 矢量變頻調速系統的總體設計

根據礦用電機的實際運輸需求，設計如圖2 所示矢量變頻調速系統。

圖2 矢量變頻調速系統硬件框圖

如圖2 所示，矢量變頻調速系統主要由主回路、控制電路以及輔助電路三部分組成。其中，主回路實現電壓的交- 直- 交的變頻；控制電路主要基于DSP 芯片對電壓、電流等進行檢測；輔助電路的主要為矢量變頻調速系統提供直流電源、電機轉速檢測以及放大等功能。

工作原理：上位機與下位機之間的通信功能是基于RS232 實現的。DSP 芯片為變頻調速系統的核心控制器實現A/D 轉換、對電機轉速計算的功能；在基礎上基于矢量控制算法得出相應的控制信號，進而對矢量調速系統中的功率開關器件進行驅動，從而實現了對礦用電機車的變頻控制[5]。

3.2 DSP 芯片供電電路的設計

DSP 芯片為變頻調速系統的核心處理器。因此，確保DSP 芯片的正常運行非常重要。故，本文著重完成了對DSP 芯片供電電路的設計。供電電路如圖3 所示。

圖3 DSP 供電電路

如圖3 所示，DSP 供電電路中包括有SPX1117-3.3 和SPX1117-1.8 電源轉換芯片。其中，SPX1117-3.3 電源轉換芯片的主要功能是將5 V 電壓轉為3 V；SPX1117-1.8 電源轉換芯片的主要功能是為DSP 內核提供1.8 V 的電壓。

3.3 IGBT 驅動電路的設計

IGBT 驅動電路作為變頻調速系統主電路的關鍵電路，該電路的性能直接決定調速系統的響應速度。為提升系統的相應速度，本文特設計一種改進型的驅動電路，如圖4 所示。

圖4 改進型IGBT 驅動電路

3.4 轉速檢測電路的設計

測速是變頻調速系統閉環的關鍵，且電機轉速檢測的精準性將直接決定調速系統的控制精度和穩定性。為確保變頻調速系統擁有更寬的調速范圍且調速操作更加平穩，對轉速檢測電路中元器件的線性度的要求較高。綜合各項原則的基礎上，設計如圖5 所示的轉速檢測電路。

圖5 轉速檢測電路

4 變頻調速系統的性能驗證

為驗證所設計矢量控制變頻調速系統的性能，本文基于三相異步電機、PC、仿真器以及DSP 芯片設計了試驗系統，該實驗系統的實物如圖6 所示。

圖6 試驗實物圖

本文通過測定系統在不同負載下電機穩定運行的轉速，判斷所測定不同負載下電機轉速與給定轉速之間的差值。試驗結果如下頁表1 所示。

分析可知，盡管系統在不同的負載下運行，電機均可在其給定轉速下運行。說明，基于變頻調速系統能夠確保系統在受到載荷突變時不會對系統造成沖擊。

表1 不同負載下的電機轉速

5 結論

礦用電機車是綜采工作面的關鍵運輸設備，蓄電池礦用電機車作為當前的主流電機車，在實際應用中存在維修成本高、運行成本高、系統遇突變載荷時對設備造成沖擊以及調速范圍窄等一系列的問題。故，本文基于DSP 芯片+矢量控制變頻器設計了一款適用于礦用電機車的變頻調速系統。經實物驗證可知，該變頻調速控制系統能夠確保礦用電機車帶不同負載的情況可在給定轉速的狀態下平穩運行。