煤矿电机车变频调速控制系统的设计与功能实现

王浏洁

（阳煤集团机电设备管理中心，山西 阳泉 045000）

引言

电机车作为煤矿的重要运输工具，其主要承担着煤炭、矸石等物料的运输任务。随着采煤机技术及综采设备能力的提升，对工作面运输设备的运输能力提出了更高的要求。矿用电机车将朝着高性能、低能耗的方向发展，以往直流电机车将逐步被交流电机车所取代。因此，采用变频调速技术实现电机车的节能运行是可行的[1]。本文研究变频调速系统在电机车速度控制功能上的应用。

1 电机车变频调速控制系统的确定

传统电机车采用直流串励电机为其牵引电机，直流串励电机具有牵引特性好、启动转矩大以及过载能力强等优势。但是，在实际生产中通过在回路中串接电阻以实现对电机的启动和调速控制，此种控制方式具有控制效率低、能耗大等缺陷。虽然，针对直流电机采用IGBT 模块可解决电机调速时能耗过高的问题，但是采用直流控制电机仍然存在维护困难的缺陷，间接制约工作面生产效率。因此，当前将逐步采用交流电机车取代直流电机车，从而解决电机车结构复杂、维护困难、成本昂贵以及工作效率低的问题[2]。本文以所使用的12 t 矿用交流电机车为载体，为其配置变频调速系统。该电机车的运输能力及关键参数主要参数如表1 所示。

对于交流变频调速系统而言，可通过多种控制方式完成对电机车速度的控制。在众多的控制方式中，由于直接转矩控制方式具有简化控制方式、响应速度好以及控制效果好等优势，本文针对表1 所示电机车选用直接转矩控制方式对其进行变频调速控制。

表1 电机车主要参数

2 电机车变频调速系统的总体结构设计

鉴于综采工作面环境非常恶劣，其粉尘浓度大、相对潮湿以及瓦斯等易燃易爆气体的存在，需为电机车配置防爆外壳[3]。此外，针对电机车变频调速系统电气分系统的设计尽量避免电气装置分散布置，对其进行集中布置。电机车变频调速系统的总体结构如图1 所示。

图1 变频调速系统总体结构示意图

如图1 所示，电机变频调速系统的核心控制器为DSP，还包括有IGBT 驱动器、报警器、控制台等设备。此外为尽量减少变频调速控制系统电气装置的分散布置，且尽可能减少电气布线，采用无速度传感器控制技术对电机的转速进行监测。

图1 所示的变频调速系统具有全面保护电机车的功能，可实现IGBT、欠压、短路以及过载等保护功能。此外，基于上述变频调速系统对电机车进行减速或制动操作时，过程中所产生的电能将返回至电池组中，一定程度上提升了节能效果。

3 变频调速控制系统的设计

本文所设计电机车变频调速系统的核心硬件设备包括有电源、IGBT 模块以及储能电容器等。

3.1 电源装置的设计

本文所研究电机车的动力源为蓄电池。鉴于蓄电池结构的特殊性以及工作面防爆的性能要求，对于蓄电池的隔爆腔体有特殊要求。由于蓄电池在为电机车供电时会产生一定量的氢气，而所产生的氢气需及时溢出[4]。故，需对蓄电池采取全面的防范措施。

为解决上述问题，蓄电池采用双柱头的出线方式，并在连线位置处进行严密焊接，同时加强蓄电池正极和负极之间的绝缘处理。此外，还需对蓄电池加液口进行特殊处理，在保证加液时能防止液体溢出，还能够确保反应时产生的氢气及时逸出。

为避免由于电源欠压导致运输能力下降的问题，变频调速系统会对电源电压进行监测，当电压值低于165 V 时，需对电源进行及时补液。

3.2 IGBT 模块的设计

电机车变频调速系统中最重要的功率单元为逆变部分。IGBT 模块的主要功能是在开关处流经大电流时确保系统的安全。因此，所选IGBT 模块的容量尤为重要，不仅需考虑系统的安全问题，还需考虑成本。本文所研究蓄电池电机车在满载状态下的电流为：

式中：P 为电机车的额定功率，取22 kW；D 为IGBT模块导通占空比，取0.4；U 为直流母线的电压值，取192 V。经计算，满载状态下的电流为286 A。

考虑取计算电流值两倍以上的余量，结合IGBT模块相关产品的参数，最终选择IGBT 模块的型号为CM600DY-12NF，该IGBT 模块的额定电压值为600 A，满足满载状态下的电流要求。

3.3 储能电容器的选型

由于逆变器在开关过程中会产生感应电动势，为保证系统运行的安全性，为其配置滤波电容器消除感应电动势的影响。储能电容器选型的主要依据直流母线的电压。由于直流母线的电压为192 V，因此所选型储能电容器的型号为3 300 μF/250 V。

此外，为减小感应电动势，在布线过程中采用镀锡扁铜条对储能电容器和直流母线进行固定，并尽可能缩短布线的长度[5]。

4 变频调速控制系统功能的实现

为保证变频调速控制系统功能的实现，要求所设计的软件需满足如下功能：

1）系统软件可实时对电机车电压和电流值进行监测，并将所监测数据经A/D 转换后送至DSP 核心控制器中；

2）基于直接转矩控制算法，分析所监测到的数据，完成对电机车速度的控制；

3）当系统检测到发生故障时，应及时作出中断处理。

变频调速控制系统的中断程序流程图如图2 所示。

图2 变频调速控制系统中断程序流程图

为验证变频调速控制系统的性能，针对电机车在空载运行状态下匀加速过程中不同频率对应定子的电流值进行分析，试验结果如图3 所示。

如图3 所示，电机车在空载状态下启动时，虽然定子频率为0 Hz，但是其定子电流值不为零，而且随着电机频率（电机转速）的升高定子电流迅速升高；当达到其额定电流140 A 后，随着频率的增加定子电流值逐步减小，并最终在靠近频率上限值50 Hz处保持稳定。

图3 空载工况下频率与定子电流之间的关系

5 结论

电机车为煤矿生产中的关键运输设备，为响应国家节能减排的生产要求，本文采用变频调速实现对电机车速度的控制，并采用直接转矩控制方式对速度进行变频控制。经对所设计变频调速控制系统试验可知：

1）基于直接转矩控制的变频调速系统，可确保电机车在零速运行时仍有足够的启动转矩；

2）在低频控制范围内，其电流值波动较小，电机车具有较好的稳定性，调速过程相对平稳且无剧烈振动。