架線式煤礦電機車變頻調速系統實訓裝置

1引言
礦用架線電機車一般都用直流電動機拖動,這是因為直流電動機具有良好的牽引特性。但它仍存在以下問題：①能耗大。由于生產過程中,要經常變速運行,因而直流電動機的起動和變速回路中都需串接電阻,這樣約有20%~30%的電能消耗在電阻上被浪費掉; ②故障率高。直流電動機的電刷和滑環極易出現故障,且直流電動機的造價要高于同容量的交流電動機; ③安全性差。直流電機在運轉中會出現換向火花,隔爆要求較高。本文采用變頻調速技術解決架線電機車的調速問題。
2變頻調速方式
變頻調速通常有兩種方式,一是采用交一交變頻方式,一是采用交一直一交變頻方式。對架線電機車而言,筆者認為宜采用交一直一交變頻的方式。具體實施時,可以在每臺電機車上設置一套逆變裝置,把從架空電網上獲取的直流電逆變成頻率可調的三相交流電,逆變器輸出側的負載為交流電動機,圖1是其基本原理框圖。

圖1交一直一交變頻方式的基本原理框圖
3逆變器的控制
(1)SVPWM的控制原理
由變頻調速的基本原理得知,變頻的同時必須變壓。由于架空電網的的直流電壓不能改變,因而只能對逆變后的輸出電壓進行調制。通常采用的是脈寬調制(PWM)方法。傳統的PWM技術是用正弦波來調制三角波,以獲得等幅不等寬的PWM矩形波,這樣的PWM波形與期望的正弦波等效。但這種經典的PWM控制只是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦撥,并未顧及輸出電流的波形。交流電動機需要恒定的電磁轉矩,所以我們可以把逆變器和交流電動機看成是一個整體,按照跟蹤圓形旋轉磁場來控制逆變器的工作。系統中使用的控制技術是磁鏈跟蹤控制,又稱電壓空間矢量
SVPWM(SpaceVectorPWM)控制。
1)SVPWM的原理
當異步電動機的三相平衡正弦電壓供電時,對每一相都可寫出一個電壓平衡方程式,將三相的電壓平衡方程式相加,即可得到用合成空間矢量表示的定子電壓方程式。當電動機轉速較高時,合成磁鏈空間矢量的近似關系為:

可見,當磁鏈幅值恒定時, “的大小與∞(供電電壓頻率)成正比,方向是沿著磁鏈圓的切線方向,因而,電動機旋轉磁場的軌跡可以轉化為電壓空間矢量的運動軌跡。
2)扇區的劃分
首先要對“進行坐標變換。在坐標系中, “可分解為“和“婦。
然后再把它從兩相坐標系變換到三相坐標系,即是把“和“婦投影到三維坐標系上,即可得到a, b, C坐標,具體扇區的劃分如圖2所示。

圖2扇區劃分圖
(2)SVPWM調制的數字化實現
SVPWM的調制載波也是等腰三角波,為了使輸出的PWM波對稱,在一個載波周期內,把3個矢量的作用時間一分為二,并且保證在矢量切換時只有一個開關期間動作,從而可降低開關損耗,減少輸出電壓的諧波。具體數字化實現時,需預先計算出三相脈沖的開通前沿的延遲時間,建立一個三相脈沖前沿時間查詢表存人計算機。
4架線電機車變頻調速控制系統
架線式煤礦電機車變頻調速系統實訓裝置由主電路、控制電路和驅動隔離電路組成。其中,單片機80C196MC是整個控制系統的核心 80C196MC是一種專為電機高速控制設計的16位微控制器,它的波形發生器WFG可產生獨立的三相6路PWM波它們有共同的載波頻率、無信號時間和操作方式,而且一旦啟動后,WFG只要求CPU在改變PWM占空比時加以干涉,因此,特別適用于三相交流感應電機。系統中80C196MC接受來自外部的控制信息按預定算法實時計算三相SVPWM波形數據,并產生三相6路PWM信號,經驅動電路去驅動逆變功率開關器件IGBT。此外,單片機要對輸入的定子電壓、電流進行A/D轉換,并對故障中斷信號進行處理。圖3是系統的硬件原理框圖。

圖3架線電機車變頻調速控制系統框圖
5結語
礦用架線電機車改用異步電動機拖動并采用單片機控制的變頻調速系統之后,電機車比較容易實現平穩起動、無級調速以及再生制動,可降低能耗,且變頻調速的的性能好,調速范圍大,靜態穩定性好。通過對電動機實現變頻調速控制,控制操作簡易、可靠性高。由于逆變器采用了SVPWM控制方式,就使逆變器輸出的線電壓的基波最大值為直流側電壓,比常用的PWM逆變器輸出電壓可提高15%。

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