王 瑋

（西山煤電東曲煤礦，山西 太原 030200）

引言

帶式輸送機、刮板輸送機、提升機、絞車以及窄軌列車均為煤礦的主要運輸設備。其中，窄軌列車主要承擔工作面運輸大巷以及地面長距離的運輸任務，鑒于煤礦工作面相對惡劣的工作環(huán)節(jié)且工況復雜，在實際運輸過程中經常會遇到重載、爬坡以及負載突變的情況，即要求窄軌電機車具備大轉矩的啟動功能[1]。目前，針對窄軌電機車主要采用電阻調速和斬波調速為主，在實際應用中存在電能浪費且轉矩不滿足運輸需求的問題。為此，基于PWM整流方案對窄軌電機車的核心牽引變流器控制，解決變流器功率因數(shù)低、電流畸變嚴重的問題。

1 牽引變流器概述

窄軌電機車為現(xiàn)代煤礦的主要運輸設備之一，主要承擔煤礦工作面及地面煤炭、矸石以及其他小型設備的運輸任務。

如圖1所示，受電弓將電能通過斷路器引入窄軌電機車的電機內，在變壓器和牽引變流器的作用下實現(xiàn)了電能的交流-直流-交流的變換，最終將三相電提供給窄軌電機車。牽引變流器作為窄軌電機的核心設備，可分為整流器和逆變器，其主要任務分為兩個階段：一是完成三相電能的變化；二是對窄軌電機車電機的啟動、停機以及速度進行實時控制。

圖1 窄軌電機車動力傳動線路

隨著功率器件開關容量的提升，對于整流器而言，根據(jù)其整流原理的不同可分為電流型PWM整流器和電壓型PWM整流器。而且，隨著電力電子技術的發(fā)展PWM整流器可有效消除低次諧波，從而解決了傳統(tǒng)整流裝置對電網造成的干擾；所輸出的電壓穩(wěn)定性較好，可根據(jù)負載變化和網絡中的電壓值對輸出電壓進行精準調控[2]。

對于逆變器而言，在電力電子開關器件技術發(fā)展的推動下，主要以IGBT逆變器為主，其可適應更高的電壓、更大的功率。目前，針對IGBT逆變器的控制主要以變壓變頻控制為主，其主要以空間電壓矢量調試為主，該方法能夠保證開關頻率的恒定。

本文重點以電壓型PWM變流器為載體對其控制策略進行研究。

2 牽引變流器控制策略研究

2.1 牽引變流器的雙環(huán)控制策略研究

牽引變流器作為窄軌電機車的核心部件，其屬于非線性耦合系統(tǒng)，其對應的控制系統(tǒng)可分為電壓外環(huán)結構和電流內環(huán)結構。其中，電壓外環(huán)結構的核心為滑模變結構，電流內環(huán)結構的核心為前饋解耦控制。牽引變流器控制原理如下頁圖2所示。

圖2中滑?？刂平Y構的電壓外環(huán)控制結構可實現(xiàn)對電路中有功功率的有效控制，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定；基于前饋結構模式的電流內環(huán)控制結構可消除電路中的電流耦合，并通過對其中微分、積分參數(shù)的調整確?？刂葡到y(tǒng)的響應特性和精準性[3]。

圖2 牽引變流器控制結構原理圖

結合上述控制策略和思路，基于simulink軟件建立牽引變流器的PWM仿真模型，并采用矢量調制方法對信號進行控制。設定系統(tǒng)對應交流側電壓的有效值為220 V，直流側電壓的有效值為800 V。系統(tǒng)在0.15 s時受到負載擾動時交流側電壓值和直流側電壓值輸出量的波動情況的仿真結果見圖3。

圖3 雙環(huán)控制策略下的系統(tǒng)輸出電壓的波動情況

如圖3所示，基于電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略下，當系統(tǒng)對應的負載恒定不變時其所輸出的直流和交流側的電壓值穩(wěn)定在恒定值或為正弦波，且對應的電流與電壓處于相同相位；當系統(tǒng)在0.15 s負載出現(xiàn)突變時，對應輸出電壓值出現(xiàn)短暫的下降后快速恢復到預定值?？梢哉f，在雙環(huán)控制策略的作用下牽引變流器可實現(xiàn)對電機的電壓和電流的無靜差控制，而且在負載突變的情況其輸出電流和電壓的相位也可保持一致，證實雙環(huán)控制策略具有較好的魯棒性能。

2.2 最大轉矩的變頻控制研究

基于“2.1”中的雙環(huán)控制策略可保證窄軌電機車的輸出電流和電壓能夠根據(jù)控制指令穩(wěn)定、精準輸出。當窄軌電機在上坡、下坡等復雜工況下運行時，要求控制系統(tǒng)能夠對窄軌電機車電機的轉速根據(jù)工況進行實時、高效、精準的控制，以確保窄軌電機車能夠獲得最大的啟動轉矩和輸出轉矩，進而保其的穩(wěn)定運行[4]。為此，本文提出將基于最大轉矩的變頻調速理念對窄軌電機的轉速進行控制，從而實現(xiàn)對設備速度的控制。

窄軌電機車最大轉矩變頻調速控制方案，其核心思想為基于恒壓頻比控制方案通過控制系統(tǒng)中的PI調節(jié)器對電機轉差角頻率進行控制，從而消除電機給定轉速與實際轉速之間的偏差?；谧畲筠D矩變頻調速控制方案建立如圖4所示的仿真模型，對該變頻調速控制方案的控制效果進行仿真分析。

基于如圖4所示的仿真模型設定的仿真參數(shù)為：窄軌電機車電機額定轉速為1 000 r/min，主要對窄軌電機車空載啟動突加負載（添加負載的時間為0.6 s）時系統(tǒng)的響應特性進行分析，仿真結果如圖5所示。

圖4 最大轉矩變頻調速控制策略仿真模型

圖5 突加負載時窄軌電機車電機轉速的波動情況

如圖5所示，當窄軌電機在空載啟動突加負載時，窄軌電機車電機的輸出轉速出現(xiàn)短暫的波動后馬上恢復到額定轉速。即基于最大轉矩的變頻控制系統(tǒng)就有較快的響應特性。同時，在負載波動時窄軌電機車輸出電壓和電流值均能夠平穩(wěn)過渡，保證電機所輸出的轉矩保證最大值；該項特征非常適用于對窄軌電機車對轉矩的特殊控制要求。

3 結論

1）基于滑?？刂平Y構的電壓外環(huán)控制結構可實現(xiàn)對電路中有功功率的有效控制，從而確保輸出電壓的穩(wěn)定；基于前饋結構模式的電流內環(huán)控制結構可消除電路中的電流耦合，并通過對其中微分、積分參數(shù)的調整確?？刂葡到y(tǒng)的響應特性和精準性。經過仿真分析得出：在雙環(huán)控制策略的作用下牽引變流器可實現(xiàn)對電機的電壓和電流的無靜差控制，而且在負載突變的情況其輸出電流和電壓的相位也可保持一致，證實雙環(huán)控制策略具有較好的魯棒性能。

2）基于最大轉矩的變頻調速控制策略，在雙閉環(huán)控制策略的基礎上可保證系統(tǒng)在負載突變或復雜工況下確保窄軌電機車轉速的平穩(wěn)過渡同時，保證電機輸出的轉矩為最大值。

3）本文所提出的雙環(huán)和最大轉矩控制策略可被應用于窄軌電機車的啟動、制動以及調速控制中。