馬琳 王福忠

(1.河南義馬煤業(yè)集團(tuán)股份有限公司機(jī)電處，河南 義馬，472300;2.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

礦用蓄電池電機(jī)車是煤礦井下生產(chǎn)的重要運(yùn)輸工具之一，目前主要采用直流串激電動(dòng)機(jī)作為牽引電機(jī)。由于采用串激式調(diào)速方式，帶負(fù)荷切換速度檔位，觸頭承受沖擊電流較大，易短路燒壞觸頭，且電路保護(hù)系統(tǒng)不完善，安全性能差［1～3］。另一方面，有些直流電機(jī)車的起動(dòng)和調(diào)速還采用串接電阻調(diào)速，造成大量的電能消耗在電阻上［1～3］。為了解決傳統(tǒng)礦用蓄電池電機(jī)車存在的上述問題，本文設(shè)計(jì)了礦用蓄電池電機(jī)車的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，提出了以三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)作為牽引電動(dòng)機(jī)，以 DSPTM320F2812作為控制器，實(shí)現(xiàn)了變頻矢量控制。

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本原理

礦用蓄電池電機(jī)車的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理圖如圖 1所示［2，3］。采用一組車載 XT－140(A)型防爆特殊型蓄電池電源裝置供電，其輸出額定電壓為直流140V，額定容量為440Ah;電池兩端電壓通過隔爆插銷連接器供給隔爆變頻調(diào)速器，經(jīng)變頻調(diào)速器主回路逆變成三相交流輸出。隔爆變頻調(diào)速器采用一拖二主從方式，拖動(dòng)兩臺(tái)ACl00V15kW的礦用隔爆型牽引永磁電動(dòng)機(jī)。變頻調(diào)速器為逆變、變頻、司控一體化。采用DSPTM320F2812作為控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的無級(jí)調(diào)速與制動(dòng)。交流變頻調(diào)速系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能［2，3］。

(1)采用能量反饋發(fā)電制動(dòng)、空氣制動(dòng)、機(jī)械閘瓦手制動(dòng)等制動(dòng)方法，保證礦用蓄電池電機(jī)車的安全運(yùn)行。

(2)使用兩臺(tái)ACl00V15kW的礦用隔爆型三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠;體積小，質(zhì)量輕;損耗小，效率高等優(yōu)點(diǎn)。

(3)具備完善的保護(hù)功能。

①過流保護(hù)功能。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流過載后，系統(tǒng)就自動(dòng)停車，避免過電流發(fā)生，以達(dá)到保護(hù)控制系統(tǒng)與電機(jī)的目的。

②短路保護(hù)功能。蓄電池的插銷內(nèi)部裝設(shè)有200A快速熔斷器。DSP控制器設(shè)置了過流保護(hù)功能。另一方面，選用的7MBP300RAl20智能功率模塊作為逆變模塊，也具有完善的短路保護(hù)功能。這種多重保護(hù)的設(shè)置，有效地保證了系統(tǒng)的安全性。

③蓄電池組欠壓保護(hù)功能。為了避免蓄電池過度消耗而損傷或降低其使用壽命，控制系統(tǒng)設(shè)置了蓄電池組欠壓保護(hù)功能，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的運(yùn)行電壓，當(dāng)該電壓低于其額定值85%時(shí)，DSP控制器自動(dòng)切除蓄電池組，并停電機(jī)車。

圖1 蓄電池電機(jī)車用永磁同步電機(jī)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣原理圖

2.變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì)

變頻調(diào)速系統(tǒng)的主回路如圖2所示［2，3］。為了降低電路擴(kuò)展工作量，提高電路可靠性，逆變器選用智能功率模塊(IPM)。主回路中的電阻R1用來限制直流母線剛接入蓄電池組時(shí)電容器上的充電電流，保護(hù)蓄電池組。在直流母線接入蓄電池組初期投入該電阻，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)，利用開關(guān)K將該電阻R1短接，轉(zhuǎn)而由開關(guān)K的常開觸點(diǎn)供電，避免變頻器工作時(shí)在電阻R1上產(chǎn)生電壓降落和功率損耗。

電容器Cl的作用是:當(dāng)能量反饋發(fā)電制動(dòng)時(shí)，靠Cl吸收并儲(chǔ)存電機(jī)反饋的電能。熔斷器用于短路保護(hù)。電容器C2、二極管VD以及電阻R2構(gòu)成了高頻電流吸收緩沖電路，用來吸收IGBT器件開關(guān)動(dòng)作時(shí)直流母線上的高頻電流。IGBT開關(guān)的工作頻率很高，當(dāng)動(dòng)作時(shí)，將在直流母線上形成高頻交流電流，若回路中存在電感，該電流將在IGBT開關(guān)兩端產(chǎn)生很大的尖峰電壓，造成IGBT器件擊穿，所以需要設(shè)置高頻電流吸收緩沖電路。電流互感器和電壓互感器均采用霍爾型，主要用來檢測(cè)直流母線上的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)過電流和過電壓保護(hù)。能量反饋發(fā)電制動(dòng)時(shí)(如下山、停車時(shí))，永磁電機(jī)處于發(fā)電工作狀態(tài)，其反饋能量首先由電容C1儲(chǔ)存，并向蓄電池充電。如果C1上的電壓超過其額定值時(shí)，控制器自動(dòng)投入制動(dòng)回路，利用制動(dòng)電阻將多余的電能消耗掉。

IGBT功率模塊選用日本富士公司生產(chǎn)的、型號(hào)為7MBP300RAl20的智能功率模塊?；炯夹g(shù)參數(shù)為:耐壓1200V，額定工作電流300A，開關(guān)工作頻率可達(dá)20kHz，額定功率為75kVA。該模塊是將7個(gè)高速、低功耗的IGBT開關(guān)，門極驅(qū)動(dòng)電路以及保護(hù)控制電路集成在一體的混合電路元器件。選用7MBP300RAl20的智能功率模塊能夠節(jié)省許多外圍電路，使設(shè)計(jì)和開發(fā)變得簡單;另一方面，IPM內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路，提高了故障情況下的自保護(hù)能力，使系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定可靠。

圖2 變頻器主回路原理圖

3.IGBT功率模塊的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［4］

根據(jù)7MBP300RAl20智能功率模塊的特點(diǎn)，對(duì)IGBT開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路的電氣性能要求為:

(1)由于每個(gè)IGBT功率開關(guān)的驅(qū)動(dòng)需要良好的電氣隔離，因此設(shè)計(jì)了4路相互隔離的15V驅(qū)動(dòng)電源(波動(dòng)范圍為13.5～16.5V)，以及 6路相互獨(dú)立的 PWM波形開關(guān)控制信號(hào)。逆變器上橋臂的3個(gè)開關(guān)器件分別使用3路相互隔離的電源Vccu、Vccv、Vccw，逆變器下橋臂的3個(gè)開關(guān)器件共同使用一個(gè)獨(dú)立電源Vcci。

(2)驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)延遲應(yīng)在0.5ps以內(nèi)。

根據(jù)以上要求，IGBT功率模塊某一路驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。4路相互獨(dú)立的15V驅(qū)動(dòng)電源采用隔離型直流/直流變換器。同時(shí)，采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管控制信號(hào)的傳輸以及DSP控制器與IGBT之間的電氣隔離。為了保證驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)的延遲小于0.5ps，本文選用隔離電壓高、共模干擾抑制性強(qiáng)、速度快、型號(hào)為6N137的邏輯門光電耦合器。

圖3 IGBT功率模塊的某一路驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4.控制單元設(shè)計(jì)

控制單元的基本原理圖如圖 4所示［4］。DSP選用TI公司生產(chǎn)的 DSPTM320F2812。系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)是由DSP外接的10MHz晶振及其相關(guān)電容電阻器件、DSP內(nèi)部振蕩及鎖相環(huán)電路等構(gòu)成的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的。DSP控制單元的工作原理為:首先對(duì)兩相正交的旋轉(zhuǎn)變壓器送來的永磁電動(dòng)機(jī)的軸位置信號(hào)進(jìn)行軸角轉(zhuǎn)換，變換成數(shù)字轉(zhuǎn)角信號(hào)送至 DSP，然后由 DSP對(duì)該轉(zhuǎn)角信號(hào)以及電機(jī)的電流反饋信號(hào)進(jìn)行綜合分析，通過坐標(biāo)矢量變換及解耦控制計(jì)算，最后利用DSP事件發(fā)生器EVA生成三相空間矢量 SPWM，送至功率驅(qū)動(dòng)模塊，由IGBT驅(qū)動(dòng)三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。DSP控制單元通過SCI接口完成與上位管理計(jì)算機(jī)通信。模擬速度給定電壓信號(hào)由電位器產(chǎn)生(見圖1)，并通過 ADCIN8腳送至 DSP。

圖4 控制單元的基本原理圖

電流傳感器選用閉環(huán)補(bǔ)償型霍爾效應(yīng)電流傳感器，由15V供電。電流互感器采集的兩相電流經(jīng)ADCIN0及ADCIN1兩引腳，送給DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器。第三相電流值由計(jì)算得到。

永磁電機(jī)的位置(角度)信號(hào)由兩相正交的旋轉(zhuǎn)變壓器獲取，并通過軸角轉(zhuǎn)換元件得到電機(jī)轉(zhuǎn)角的數(shù)字信號(hào)。數(shù)字角度信號(hào)通過PB通用I/O口送入DSP。軸角轉(zhuǎn)換元件選用軸角變換專用芯片AD2S83。其轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 軸角變換電路原理圖

5.應(yīng)用效果分析

永磁電動(dòng)機(jī)牽引的變頻調(diào)速礦用蓄電池電機(jī)車已投入運(yùn)行，取得了良好的運(yùn)轉(zhuǎn)效果。

(1)降低了能耗。經(jīng)檢測(cè)，系統(tǒng)效率達(dá)到92%。大量實(shí)際運(yùn)行測(cè)試表明，在同等負(fù)載下，采用直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)時(shí)，蓄電池的續(xù)航里程約為33～35公里，而永磁同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的變頻調(diào)速蓄電池電機(jī)車，其續(xù)航里程為57公里左右，其續(xù)航里程大大延長了。

(2)減少了維護(hù)費(fèi)用。采用先進(jìn)的矢量控制、變頻軟啟動(dòng)、加速至預(yù)定速度牽引以及反饋制動(dòng)。電機(jī)車行進(jìn)過程中，基本不使用機(jī)械剎車，減少了輪對(duì)機(jī)械剎車片的磨損。另一方面，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車平滑起動(dòng)，機(jī)械沖擊小，對(duì)減速箱等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損傷很小。

(3)提高了電機(jī)車的運(yùn)行安全性能。裝設(shè)了機(jī)械制動(dòng)裝置防止在坡道上停電停車時(shí)溜車現(xiàn)象的發(fā)生。由于采用動(dòng)力制動(dòng)，其制動(dòng)距離為8.5米，電機(jī)車的運(yùn)行安全性能得到了提高。

6.結(jié)論

將永磁同步電動(dòng)機(jī)作為蓄電池電機(jī)車的牽引電動(dòng)機(jī)，以DSPTM320F2812作為控制器，實(shí)現(xiàn)礦用蓄電池電機(jī)車永磁電動(dòng)機(jī)的矢量控制、變頻運(yùn)行，可以提高該機(jī)車的運(yùn)行安全性和調(diào)速性能，降低能耗，延長電池壽命，減少機(jī)械磨損，同時(shí)維護(hù)工作量也大大降低了，該電機(jī)車明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)車。

［1］楊昕，趙良鵬，畢海泉.變頻調(diào)速技術(shù)在防爆蓄電池電機(jī)車上的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)電，2011，(1):101.

［2］任傳教，盛況，賀志超，等.蓄電池電機(jī)車變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.江西煤炭科技，2010，(1):83－85.

［3］王貴霞.JXBK8型變頻調(diào)速蓄電池機(jī)車的開發(fā)與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003，40(2):55－58.

［4］孫立志.PWM與數(shù)字化電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用［M］.北京:中國電力出版社，2008.