架线式煤矿电机车变频调速系统实训装置

1引言
矿用架线电机车一般都用直流电动机拖动,这是因为直流电动机具有良好的牵引特性。但它仍存在以下问题：①能耗大。由于生产过程中,要经常变速运行,因而直流电动机的起动和变速回路中都需串接电阻,这样约有20%~30%的电能消耗在电阻上被浪费掉; ②故障率高。直流电动机的电刷和滑环极易出现故障,且直流电动机的造价要高于同容量的交流电动机; ③安全性差。直流电机在运转中会出现换向火花,隔爆要求较高。本文采用变频调速技术解决架线电机车的调速问题。
2变频调速方式
变频调速通常有两种方式,一是采用交一交变频方式,一是采用交一直一交变频方式。对架线电机车而言,笔者认为宜采用交一直一交变频的方式。具体实施时,可以在每台电机车上设置一套逆变装置,把从架空电网上获取的直流电逆变成频率可调的三相交流电,逆变器输出侧的负载为交流电动机,图1是其基本原理框图。

图1交一直一交变频方式的基本原理框图
3逆变器的控制
(1)SVPWM的控制原理
由变频调速的基本原理得知,变频的同时必须变压。由于架空电网的的直流电压不能改变,因而只能对逆变后的输出电压进行调制。通常采用的是脉宽调制(PWM)方法。传统的PWM技术是用正弦波来调制三角波,以获得等幅不等宽的PWM矩形波,这样的PWM波形与期望的正弦波等效。但这种经典的PWM控制只是使逆变器的输出电压尽量接近正弦拨,并未顾及输出电流的波形。交流电动机需要恒定的电磁转矩,所以我们可以把逆变器和交流电动机看成是一个整体,按照跟踪圆形旋转磁场来控制逆变器的工作。系统中使用的控制技术是磁链跟踪控制,又称电压空间矢量
SVPWM(SpaceVectorPWM)控制。
1)SVPWM的原理
当异步电动机的三相平衡正弦电压供电时,对每一相都可写出一个电压平衡方程式,将三相的电压平衡方程式相加,即可得到用合成空间矢量表示的定子电压方程式。当电动机转速较高时,合成磁链空间矢量的近似关系为:

可见,当磁链幅值恒定时, “的大小与∞(供电电压频率)成正比,方向是沿着磁链圆的切线方向,因而,电动机旋转磁场的轨迹可以转化为电压空间矢量的运动轨迹。
2)扇区的划分
首先要对“进行坐标变换。在坐标系中, “可分解为“和“妇。
然后再把它从两相坐标系变换到三相坐标系,即是把“和“妇投影到三维坐标系上,即可得到a, b, C坐标,具体扇区的划分如图2所示。

图2扇区划分图
(2)SVPWM调制的数字化实现
SVPWM的调制载波也是等腰三角波,为了使输出的PWM波对称,在一个载波周期内,把3个矢量的作用时间一分为二,并且保证在矢量切换时只有一个开关期间动作,从而可降低开关损耗,减少输出电压的谐波。具体数字化实现时,需预先计算出三相脉冲的开通前沿的延迟时间,建立一个三相脉冲前沿时间查询表存人计算机。
4架线电机车变频调速控制系统
架线式煤矿电机车变频调速系统实训装置由主电路、控制电路和驱动隔离电路组成。其中,单片机80C196MC是整个控制系统的核心 80C196MC是一种专为电机高速控制设计的16位微控制器,它的波形发生器WFG可产生独立的三相6路PWM波它们有共同的载波频率、无信号时间和操作方式,而且一旦启动后,WFG只要求CPU在改变PWM占空比时加以干涉,因此,特别适用于三相交流感应电机。系统中80C196MC接受来自外部的控制信息按预定算法实时计算三相SVPWM波形数据,并产生三相6路PWM信号,经驱动电路去驱动逆变功率开关器件IGBT。此外,单片机要对输入的定子电压、电流进行A/D转换,并对故障中断信号进行处理。图3是系统的硬件原理框图。

图3架线电机车变频调速控制系统框图
5结语
矿用架线电机车改用异步电动机拖动并采用单片机控制的变频调速系统之后,电机车比较容易实现平稳起动、无级调速以及再生制动,可降低能耗,且变频调速的的性能好,调速范围大,静态稳定性好。通过对电动机实现变频调速控制,控制操作简易、可靠性高。由于逆变器采用了SVPWM控制方式,就使逆变器输出的线电压的基波最大值为直流侧电压,比常用的PWM逆变器输出电压可提高15%。

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