交流矿用电机车变频调速系统的设计及仿真分析

李继东

（阳煤寺家庄有限责任公司， 山西 昔阳 045300）

引言

煤炭运输系统作为综采工作面煤炭开采的三大系统之一，其运行的稳定性和可靠性直接影响综采工作面的开采效率。目前，应用于综采工作面的煤炭运输装置主要有提升机、带式输送机、刮板输送机、电机车等。矿用电机车是综采工作面的重要运输设备，且应用最为广泛的电机车类型为蓄电池矿用电机车，即采用直流电机驱动[1]。经调研可知，基于直流电机驱动矿用电机车的成本较高且可靠性较低，严重制约着煤炭、矸石以及设备人员的运送效率。为此，结合当前集成电路及计算机控制技术的发展，变频调速被广泛应用于工业生产，且具有节能、可靠性高、稳定性高的优势。

1 矿用电机车调速系统存在问题

鉴于综采工作面或多或少存在一定的瓦斯，因此要求综采工作面的设备具有隔爆、防爆的功能。因此，工作面主要采用蓄电池矿用电机车，即采用直流调速方式。经现场调研可知，直流电机调速系统存在如下问题：

1）直流电机的线圈、碳刷均约为损耗件且其故障率较高，导致直流电机车的运行和维修成本高；

2）直流调速电机车配有电阻器，在矿用电机车长时间运行的情况下，不仅会造成电能的浪费，而且电阻发热还会造成电阻瓷架和电阻片烧坏；

3）直流调速电机的调速范围小，导致在载荷突变时容易对系统造成冲击，且对于爬坡工况而言，存在牵引力不足的问题[2]；

综上所述，直流电机调速已经不能够满足当前综采工作面矿用电机车的实际运输需求。因此急需当前调速系统进行改造。

2 交流变频调速系统的可行性分析

与直流电机相比可知，交流电机具有体积小、重量轻、维修方便的特点。而且，交流变频调速技术在其他行业中的应用具有明显的节能效果，且其可以实现对设备的无级调速，提升设备对各种工况的适应能力，进而提升电机车的稳定性和可靠性。

鉴于矿用电机车恶劣的工作环境和复杂的工况，要求其需频繁地启停、制动、加速、减速等操作。因此，要求矿用电机车电机具有启动转矩大、过载能力强的特点。故，可采用矢量控制变频器应用于交流矿用电车中，实现对矿用电机车无级调速的同时，确保设备在突变载荷及复杂工况下不会对其本身造成冲击[3]。

基于矢量控制交流电机可确保设备得到与直流电机相媲美的牵引力和制动性能。矿用电机车矢量控制系统的实现需特别注意：由于矢量控制系统是基于大量计算的基础上得到相应的PWM 信号实现的。因此，矢量控制系统的计算量非常大。故，对矢量控制系统芯片的要求较高[4]。在众多芯片对比的基础上，选择了DSP 芯片+SVPWM逆变电路作为矢量控制系统的核心处理器，实现对电机的优化控制，SVPWM逆变器仿真模型如图1 所示。

图1 SVPWM 逆变器仿真模型

经仿真分析可知，系统启动后能够在极短的时间内实现平稳状态，且在后续运行阶段一直处于稳定状态。即说明，采用矢量变频控制系统是可行的。

3 矢量变频调速系统的设计

3.1 矢量变频调速系统的总体设计

根据矿用电机的实际运输需求，设计如图2 所示矢量变频调速系统。

图2 矢量变频调速系统硬件框图

如图2 所示，矢量变频调速系统主要由主回路、控制电路以及辅助电路三部分组成。其中，主回路实现电压的交- 直- 交的变频；控制电路主要基于DSP 芯片对电压、电流等进行检测；辅助电路的主要为矢量变频调速系统提供直流电源、电机转速检测以及放大等功能。

工作原理：上位机与下位机之间的通信功能是基于RS232 实现的。DSP 芯片为变频调速系统的核心控制器实现A/D 转换、对电机转速计算的功能；在基础上基于矢量控制算法得出相应的控制信号，进而对矢量调速系统中的功率开关器件进行驱动，从而实现了对矿用电机车的变频控制[5]。

3.2 DSP 芯片供电电路的设计

DSP 芯片为变频调速系统的核心处理器。因此，确保DSP 芯片的正常运行非常重要。故，本文着重完成了对DSP 芯片供电电路的设计。供电电路如图3 所示。

图3 DSP 供电电路

如图3 所示，DSP 供电电路中包括有SPX1117-3.3 和SPX1117-1.8 电源转换芯片。其中，SPX1117-3.3 电源转换芯片的主要功能是将5 V 电压转为3 V；SPX1117-1.8 电源转换芯片的主要功能是为DSP 内核提供1.8 V 的电压。

3.3 IGBT 驱动电路的设计

IGBT 驱动电路作为变频调速系统主电路的关键电路，该电路的性能直接决定调速系统的响应速度。为提升系统的相应速度，本文特设计一种改进型的驱动电路，如图4 所示。

图4 改进型IGBT 驱动电路

3.4 转速检测电路的设计

测速是变频调速系统闭环的关键，且电机转速检测的精准性将直接决定调速系统的控制精度和稳定性。为确保变频调速系统拥有更宽的调速范围且调速操作更加平稳，对转速检测电路中元器件的线性度的要求较高。综合各项原则的基础上，设计如图5 所示的转速检测电路。

图5 转速检测电路

4 变频调速系统的性能验证

为验证所设计矢量控制变频调速系统的性能，本文基于三相异步电机、PC、仿真器以及DSP 芯片设计了试验系统，该实验系统的实物如图6 所示。

图6 试验实物图

本文通过测定系统在不同负载下电机稳定运行的转速，判断所测定不同负载下电机转速与给定转速之间的差值。试验结果如下页表1 所示。

分析可知，尽管系统在不同的负载下运行，电机均可在其给定转速下运行。说明，基于变频调速系统能够确保系统在受到载荷突变时不会对系统造成冲击。

表1 不同负载下的电机转速

5 结论

矿用电机车是综采工作面的关键运输设备，蓄电池矿用电机车作为当前的主流电机车，在实际应用中存在维修成本高、运行成本高、系统遇突变载荷时对设备造成冲击以及调速范围窄等一系列的问题。故，本文基于DSP 芯片+矢量控制变频器设计了一款适用于矿用电机车的变频调速系统。经实物验证可知，该变频调速控制系统能够确保矿用电机车带不同负载的情况可在给定转速的状态下平稳运行。