宗 劍， 阮 毅， 陳名輝， 徐立波

(1.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072;

2.上海應用技術(shù)學院電氣與電子工程學院，上海 201418)

0 引言

礦山牽引電力機車是礦山重要運載設(shè)備，逐漸由交流電機驅(qū)動取代直流驅(qū)動。牽引系統(tǒng)供電電源大多處在負荷的末端，電壓波動較大，電能質(zhì)量較差。機車運行軌道多數(shù)依地形而鋪設(shè)，機車運行顛簸常使受電電弓掉電而中斷供電。應用中要求機車控制系統(tǒng)能適應頻繁起動、制動、加速、減速等不同工況，同時要求牽引電力機車具有起動轉(zhuǎn)矩大、帶負載能力強、對供電電壓波動適應能力強等特性［1，5-6］。

傳統(tǒng)的牽引電機控制多采用速度閉環(huán)控制。但是，機車的頻繁起動、制動、加速、減速會導致電網(wǎng)波動較大，給控制帶來很多困難，特別是在減速、制動過程中機車運行平穩(wěn)性較差，制動產(chǎn)生的能量會導致電壓泵升，給礦山供電系統(tǒng)的絕緣帶來嚴重考驗。在滿足電力機車供電及控制要求的前提下，研究采用力矩模式，實現(xiàn)礦山牽引電力機車的控制，在一定程度上抑制電壓泵升，對礦山供電系統(tǒng)的安全有重要意義［2-6］。

1 電機控制模型［2］

牽引電機采用異步電機成為主要趨勢，但異步電機具有非線性、強耦合、多變量等性質(zhì)，要獲得良好的調(diào)速性能，必須從動態(tài)模型出發(fā)。經(jīng)過Clarke變換和Park變換后，可獲得由靜止坐標系變換到任意旋轉(zhuǎn)坐標系(d-q坐標系)下狀態(tài)方程。

為獲得等效直流電機模型，按照直流電機的控制方法控制電磁轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用以ω-is-Ψr為狀態(tài)變量，可得到按轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制系統(tǒng)，為保持dq旋轉(zhuǎn)坐標系與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量嚴格保持同步旋轉(zhuǎn)，使d軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量重合，可得按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)的M-T坐標系。由于M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量重合，故有:

為保證M軸與轉(zhuǎn)子磁鏈矢量嚴格重合，還應滿足:

可獲得按轉(zhuǎn)子磁鏈定向同步旋轉(zhuǎn)坐標系M-T中狀態(tài)方程:

由式(6)可以解得:

ω——電機實際轉(zhuǎn)速;

ω1——同步轉(zhuǎn)速;

ωs——轉(zhuǎn)差;

Ψs、Ψr——定、轉(zhuǎn)子磁鏈;

np——電機極對數(shù);

下標 r、s——轉(zhuǎn)子、定子。

經(jīng)過坐標變換和按轉(zhuǎn)子磁鏈定向，三相異步電機等效為一臺由ism和ist為輸入，ω為輸出的直流電機。m繞組相當于直流電機的勵磁繞組，ism相當于勵磁電流，t繞組相當于電樞繞組，ist相當于電樞電流。

2 力矩模式控制系統(tǒng)

在按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山牽引電機車要求起動轉(zhuǎn)矩大、運行平穩(wěn)，而對速度的控制精度要求不高等特點，為使控制系統(tǒng)簡單，可省去速度環(huán)節(jié)，將定子電流轉(zhuǎn)矩分量作為直接給定量，由機車司機直接對定子電流轉(zhuǎn)矩分量進行調(diào)節(jié)，這樣可以簡化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少控制系統(tǒng)的運算量，其特點是控制模式可以實現(xiàn)類似于汽車駕駛，對機車駕駛?cè)藛T來說更容易接受。同時，這種控制方式又不同于直接轉(zhuǎn)矩控制，其基于按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)，既繼承了矢量控制方式控制連續(xù)平滑和無轉(zhuǎn)矩脈動的優(yōu)點，又能達到對轉(zhuǎn)矩直接控制的效果。力矩模式結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 力矩模式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

力矩模式采用磁鏈開環(huán)的控制方式，無需計算轉(zhuǎn)子磁鏈幅值，但對于矢量變換而言，仍然需要轉(zhuǎn)子磁鏈的位置信號。為避免計算磁鏈相位角時受電機參數(shù)Tr和Lm變化的影響，系統(tǒng)盡可能加以簡化，控制中磁場定向采用間接定向，即用定子電流轉(zhuǎn)矩分量給定信號和轉(zhuǎn)子磁鏈給定信號計算轉(zhuǎn)差頻率給定信號，如式(11)所示，將轉(zhuǎn)差頻率給定信號加上實際轉(zhuǎn)速ω，得到坐標系的同步旋轉(zhuǎn)角速度，經(jīng)積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生矢量變換角，實現(xiàn)轉(zhuǎn)差頻率控制功能。

3 系統(tǒng)構(gòu)建與試驗

系統(tǒng)主電路采用AC-DC-AC模式工作，由于采用力矩模式控制，在減速過程中不產(chǎn)生泵升電壓，故AC-DC采用二極管不可控整流。系統(tǒng)包括主電路、控制電路和附件。控制系統(tǒng)采用以微芯片dsPIC30F6010A為核心的控制器，包括電流、電壓檢測模塊，測速模塊，保護模塊和通信模塊等?？刂葡到y(tǒng)和上位機部分通過CAN通信進行實時通信。系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲圖

試驗電機采用礦山牽引型異步電機，電機參數(shù)如下:PN=45 kW，f=50 Hz，IN=84 A，n=1 460 r/min，Te=286 N·m，Rs=0.120 3 Ω，Rr=0.096 89 Ω，Lm=0.081 57 H，Lr=0.084 55 H，np=2。為驗證控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，測取系統(tǒng)起動、突加負載、突減負載、穩(wěn)定運行時的定子電流波形。圖3～圖5分別為力矩模式下帶負載起動，突加、突減負載和穩(wěn)定運行時A、C兩相定子電流波形圖。由所測波形可知，系統(tǒng)在突加、突減負載時響應迅速，負載變化時轉(zhuǎn)速能夠快速恢復，系統(tǒng)有較好的加載特性。

圖3 帶負載起動定子電流波形

圖4 突加負載、突減負載定子電流波形

圖5 穩(wěn)態(tài)運行時定子電流波形

4 結(jié)語

試驗證明，采用力矩模式控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足系統(tǒng)起動時輸出大轉(zhuǎn)矩的要求，同時在頻繁切換時系統(tǒng)運行平穩(wěn)，能夠有效克服在減速制動過程中直流母線電壓泵升，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、通用性很強，滿足工礦對牽引電機車控制性能要求。

［1］杜貴平，李樹強，姜孝華，等.礦用電機車最大轉(zhuǎn)矩交流牽引驅(qū)動系統(tǒng)［J］.電氣傳動，2010(8):16-19.

［2］阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)–運動控制系統(tǒng)［M］.4版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

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