礦用雙軌電機車驅動系統研究

馬闖

摘 要：為了解決傳統礦用電機車效率低等問題，本文提出電機車驅動及充電一體化結構控制系統，給出了系統的結構圖及工作原理，并利用仿真軟件對驅動及充電一體化結構控制系統進行分析，驗證了設計的可行性，有效解決了電機車充電慢、效率低的問題，為提升礦山經濟作出一定的貢獻。

關鍵詞：雙軌電機車;一體化結構;驅動系統;效率

隨著我國工業化的不斷加速，各行各業對能源的需求量逐步增大，雖然2012年國家對能源的使用進行了一定的調整，但化石能源的需求仍是我國目前為止能源需求的主體，隨著礦山開采年限的不斷加大，越來越多賦存條件較為優越的煤層已經完成開采，為了保障煤炭產量，開采目標已經逐步向著賦存條件較為復雜的煤層進行轉移。礦用電機車作為我國主要的開采運輸設備，其使用性能直接影響著礦山的經濟效益。在復雜地況進行工作時，對礦用電機車的驅動系統的要求也是逐步提升，與傳統的直流電機相比較可知，交流電機不但體積小、結構簡單、經濟實用外，還能消除環電刷及換向器時的一些危險。同時電機車的蓄電池需要及時更換降低了電機車的工作時長[1]，此前眾多學者對電機車的蓄電池及驅動系統進行過研究[2]，本文對電機車驅動及充電一體化控制進行研究，有效提升了礦用電機車的工作性能，為提升礦山經濟做出一定的貢獻。

1 一體化拓撲結構分析

在電機車的工作過程中一般可分為兩種工作模式，一種為驅動模式，而另一種模式為充電狀態。當電機車停車時，蓄能系統從電網中進行及時取電，當發生充電行為時，電機車其余部件不參加工作，這就導致倆種組件是兩個獨立存在的系統，這不僅增大了電機車的重量也造成一定的材料浪費，所以研究驅動系統與充電一體化是十分重要的。

根據實際需求對驅動及充電一體化拓撲結構進行設計，在設計中需要包含雙向DC/DC充放電電路以及三相全路逆變電路，設計如圖1所示。

根據圖1驅動及充電一體化拓撲結構可以看出，當電機車處于驅動模式下時，開關S2接通，此時永磁同步電機是由超級電容進行供電，當電機車處于充電模式下時，此時開關S1被接通，此時超級儲能器由電網進行電量補給。

對驅動模式下的驅動系統程序進行研究，在驅動模式下，進入驅動電機的子程序，第一步先對超級電容器的電量進行判斷，當超級電容器的內存電量超過30%時，此時進入欠點保護狀態，當超級電容器內部的電量小于30%時，此時的迅速結束驅動。采集的轉速信號通過速度環做PI調節，后續通過電流環進行PI電流調節，此時獲得的電壓信號通過Park逆變換得出靜止坐標下的電壓信號，從而通過PWM發生器進行開關管的控制，以此來實現控制驅動程序。為了對礦用電機車充電及驅動一體化控制系統進行分析及驗證，利用MATLAB仿真模擬軟件對一體化系統進行仿真分析。選定的永磁電機參數分別為：極對數為4，定子的電阻為0.0918Ω，永磁磁鏈為0.1688Wb，負載的轉動慣量為0.03945kg·m2，給定轉矩為24N·m，額定功率為4kW。

2 一體化拓撲結構仿真研究

整個仿真模塊是由幾個模塊組合而成，其中包括充電與驅動一體化主電路、驅動模塊下的永磁同步電機模塊、充電模式下的雙向DC/DC變壓器切換模塊等。進行驅動仿真時先在驅動模式下選擇Dischange，進入驅動模式的下的仿真運行，為了避免出現電流過載造成的電路控制錯誤情況，在系統中增加直流母線電容預充電路，對電容進行預充電，當電容充電達到一定程度后，結束充電，進入驅動控制，仿真曲線如圖2所示。

如圖2（a）所示為驅動模式下直流母線的預充電波形圖，從圖中可以看出，當仿真開始時，直流母線電壓從零開始緩慢上升，當直流母線預充電時間來到0.67s時，此時的直流母線電壓為148V，隨著預充電時間的上升，此時直流母線的預充電速度出現突然增大，當直流母線充電時間來到0.76s時，直流母線電壓上升至308V，此時直流母線電壓與電機工作電壓的壓差較小，不會出現啟動時電流的突然增大造成的損壞現象。隨著時間的進一步增大，此時直流母線的電壓達到平穩狀態。這是由于在充電開始時在模型的右邊電路設置電壓為150V，在左邊電路電壓設置為270V，隨著充電時間的增加，直流母線率先達到150V，后續支持上漲至270V左右，此時系統進行驅動模式。如圖2（b）為電機驅動速度圖，從圖中可以看出，當時間為0s～0.76s時，此時的電機速度為零，這是由于直流母線處于充電狀態，當驅動時間來電0.76s之后時，電機的轉速快速上升至給定轉速為1000r/min，隨著時間的繼續增長達到10s時，此時的電機轉速達到最大值約為1500r/min，且在轉機轉速達到1500r/min時，驅動系統快速達到平穩狀態，可以看出，設計的充電驅動一體化結構在驅動模式下的運行情況是符合要求的。

由于本文設計的為驅動充電一體化系統，所以需要對充電模式下進行仿真研究，在進行充電模式下的仿真研究之前進入SC模塊點擊Charge，在運行前同樣需要進行直流母線的預充電。

當啟動充電模式時，直流母線電壓從零開始緩慢上升，當直流母線預充電時間來到1.44s時，此時的直流母線電壓為268V，隨著預充電時間的增大，此時直流母線的預充電速度出現快速的波動，當直流母線充電時間來到1.52s時，直流母線電壓上升至300V，此時直流母線電壓與電機工作電壓的壓差較小，不會出現啟動時電流的突然增大造成的損壞現象，直流母線的電壓達到平穩狀態。觀察可以看出，當試件在1.5s前時處于直流母線預充電階段，此時的電壓電流均為0，隨著時間的增大，超級電容的充電量出現快速上升，此階段為電流充電階段，利用恒電流300A進行充電，但超級電容的充電試件來到10s時，此時的超級電容的充電量達到80%，隨后降低電流為60A進行充電，當充電時間達到18.5s時，此時電壓已經達到額定電壓，所以將電流充電轉變為恒壓充電，在時間18.5s～20s為恒壓充電階段，當充電時間超過20s時，此時超級電容的電量已經充滿。可以看出整個充電過程持續時間較短，充電速度較快，符合充電驅動一體化控制系統的要求。

3 結論

本文針對傳統蓄能電機車驅動與充電分離的情況，提出礦用電機車驅動充電一體化控制結構，給出了礦用電機車驅動充電一體化控制結構的示意圖，并利用MATLAB仿真模擬軟件對驅動模式及充電模式進行分析，結果發現所提出的驅動充電一體化控制結構可以完美的實現充電與驅動的一體化，有效的提升了礦用電機車效率低，充電慢的問題，為礦用電機車驅動及充電系統的設計提供借鑒。

參考文獻：

[1]姬勝國.煤礦架線式電機車故障分析及處理措施[J].機械管理開發，2020，35（04）：255-256.

[2]秦杰.礦用電機車常見電氣故障的分析[J].機械管理開發，2020，35（02）：242-243.