馮高明, 何艷杰

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引 言

由于礦用電機(jī)車在煤礦巷道作業(yè)時(shí),所處的工作條件較差,要求電機(jī)車應(yīng)具有良好的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能以及動(dòng)態(tài)性能等，而這與直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式是密切相連的[1～5]。本文詳細(xì)分析直流電機(jī)的勵(lì)磁方式，得出直流電機(jī)他勵(lì)、串勵(lì)和并勵(lì)方式均能夠通過調(diào)節(jié)電壓進(jìn)行調(diào)速，建立電機(jī)車直流脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)斬波調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制，得出直流電機(jī)3種(他勵(lì)、串勵(lì)、并勵(lì))勵(lì)磁方式運(yùn)行規(guī)律的特性曲線，對(duì)于提高礦用電機(jī)車運(yùn)行的工作效率及理論學(xué)習(xí)具有一定的理論價(jià)值和指導(dǎo)借鑒意義。

1 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

勵(lì)磁方式是勵(lì)磁繞組和電樞繞組之間的連接方式。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)以及復(fù)勵(lì)4類，其中復(fù)勵(lì)電機(jī)應(yīng)用相對(duì)較少，不做討論。如圖1所示，U為電樞電壓，Uf為勵(lì)磁電壓，Ia為電樞電流，If為勵(lì)磁電流，I為主電源電流。

圖1 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式

當(dāng)上述3種電機(jī)滿足各自轉(zhuǎn)速特性條件時(shí)，可得出轉(zhuǎn)速特性為

(1)

式中n并可由公式

(2)

另外,對(duì)于他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)而言，雖然他勵(lì)和并勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性相似，但前者的機(jī)械特性“最硬”[6，7]。通過分析式(1)可知，他勵(lì)、并勵(lì)以及串勵(lì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電壓Ua和電樞電流Ia成函數(shù)關(guān)系，可以利用PWM驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制電壓Ua，進(jìn)而對(duì)他勵(lì)、并勵(lì)和串勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速。

2 電機(jī)車直流PWM斬波調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

圖2為系統(tǒng)仿真模型，選用2相Universal Bridge模塊,由雙極式控制電路(圖3)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。圖3中，2個(gè)PWM發(fā)生器模塊產(chǎn)生4路脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并經(jīng)過增加的Selector模塊改變脈沖序列，使2相Universal Bridge模塊能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)角IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷。而IGBT存在導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，故在下橋臂設(shè)置延遲時(shí)間(0.001 s)[8，11]，以避免多功能橋的上下橋臂同時(shí)關(guān)斷和導(dǎo)通。通過改變步長(zhǎng)Step的值(-1～1)[12，13]，可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速和正反轉(zhuǎn)。

圖2 直流PWM斬波調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖3 雙極式驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)模型

3 仿真結(jié)果分析

礦用電機(jī)車作為煤礦巷道的主要運(yùn)輸工具[14，15],由于運(yùn)輸生產(chǎn)的需要,需經(jīng)常變速運(yùn)行，要求電機(jī)車具有良好的啟動(dòng)性能、調(diào)速性能以及動(dòng)態(tài)性能等。而上述性能與直流電機(jī)的勵(lì)磁方式緊密相關(guān)。

仿真采用額定功率為17 kW的直流電動(dòng)機(jī),直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為額定電壓Vn為220 V，額定功率Pn為17 kW，額定電流In為88.9 A,額定轉(zhuǎn)速Nn為3 000 r/min，電樞總電阻值Ra為0.087 Ω，勵(lì)磁總電阻值Rf為181.6 Ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J為0.759 kg·m2，極對(duì)數(shù)p為1。直流電動(dòng)機(jī)的其他參數(shù)經(jīng)計(jì)算為:電樞電感量La=0.003 2 H，電樞互感量Laf=0.56 H，額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=60.1 Nom。

3.1 同負(fù)載下3種勵(lì)磁方式的啟動(dòng)性能分析

選用的電機(jī)車應(yīng)具有良好的啟動(dòng)性能，為限制啟動(dòng)電流，仿真中采用低壓?jiǎn)?dòng)方法進(jìn)行啟動(dòng)。設(shè)置電源E為220 V，Step為0.4，負(fù)載為0.5TL，預(yù)置仿真時(shí)間為4 s。改變直流電動(dòng)機(jī)的接線方式，得出同負(fù)載情況下3種勵(lì)磁方式的轉(zhuǎn)速和電樞電流響應(yīng)曲線如圖4、圖5所示。

圖4 同負(fù)載下3種勵(lì)磁方式轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖5 同負(fù)載下3種勵(lì)磁方式電樞電流響應(yīng)曲線

從圖4中可以看出，在同負(fù)載情況下，仿真時(shí)間在4 s時(shí)他勵(lì)、串勵(lì)和并勵(lì)方式均已達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，分別為1 045，721，2 752 r/min。而串勵(lì)方式所需時(shí)間最短,為0.35 s，他勵(lì)方式次之,為0.95 s，并勵(lì)方式最長(zhǎng),為3.98 s，并且串勵(lì)方式的最大啟動(dòng)電樞電流最小。仿真結(jié)果說明同負(fù)載情況下串勵(lì)方式的啟動(dòng)性能較其他2種勵(lì)磁方式好，能夠滿足礦用電機(jī)車啟動(dòng)快，啟動(dòng)能量消耗小，啟動(dòng)平穩(wěn)的要求。

3.2 額定負(fù)載下3種勵(lì)磁方式的調(diào)速性能分析

仿真通過改變Step(占空比P)值的大小，進(jìn)而使輸入電機(jī)的端電壓在0～220 V變化。設(shè)置負(fù)載為1TL，在不同Step值下分別測(cè)出3種勵(lì)磁方式下電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，繪制出額定負(fù)載情況下3種勵(lì)磁方式的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速隨輸入電壓變化的曲線，如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定轉(zhuǎn)速隨輸入電壓變化曲線

可以看出，額定負(fù)載情況下他勵(lì)方式的轉(zhuǎn)速與輸入電壓的變化曲線近似于直線，而其他2種勵(lì)磁方式的變化曲線不同。說明額定負(fù)載情況下，礦用電機(jī)車他勵(lì)方式在采用直流PWM斬波系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，所具有的調(diào)速性能明顯優(yōu)越于其他2種，能夠很好地滿足電機(jī)車巷道運(yùn)行的調(diào)速要求。

3.3 負(fù)載突變時(shí)3種勵(lì)磁方式的動(dòng)態(tài)性能分析

為進(jìn)一步研究礦用電機(jī)車在負(fù)載突變時(shí)，3種勵(lì)磁方式的適應(yīng)性，對(duì)負(fù)載突增/減擾動(dòng)情況下直流電機(jī)3種勵(lì)磁方式的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程和響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算與分析。設(shè)置Step(占空比P)值為0.4，負(fù)載變化為0.5TL～1TL和1TL～0.5TL。直流電機(jī)3種勵(lì)磁方式的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程和響應(yīng)如圖7所示。

圖7 負(fù)載突變時(shí)3種勵(lì)磁方式的轉(zhuǎn)速響應(yīng)

可以看出：在t=6.0 s突然改變負(fù)載情況下，他勵(lì)方式下的速度響應(yīng)曲線轉(zhuǎn)速最大下降為56 r/min,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為0.49 s，而并勵(lì)和串勵(lì)方式的速度響應(yīng)曲線的轉(zhuǎn)速最大下降值分別為343，224 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間分別為 3.98，0.21 s。因此，礦用電機(jī)車在負(fù)載突變時(shí)，他勵(lì)方式在速度響應(yīng)方面明顯優(yōu)于并勵(lì)方式和串勵(lì)方式，較適于負(fù)載突變的場(chǎng)合。

4 結(jié) 論

1)同負(fù)載情況下，串勵(lì)方式的礦用電機(jī)車啟動(dòng)性能較好，能夠滿足礦用電機(jī)車頻繁啟動(dòng)的要求。

2)他勵(lì)方式的礦用電機(jī)車較并勵(lì)和串勵(lì)方式具有更好的電壓調(diào)速特點(diǎn)，更加適用于額定負(fù)載長(zhǎng)距離運(yùn)輸，尤其是爆炸性物品的安全運(yùn)輸。

3)他勵(lì)方式的礦用電機(jī)車在應(yīng)對(duì)負(fù)載突變時(shí)，其調(diào)速轉(zhuǎn)矩最好，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速變化小并且恢復(fù)所用時(shí)間短。而串勵(lì)方式的礦用電機(jī)車能夠維持其功率基本不變。