中心議題：

• 探討蓄電池電機車調速係統分析及其改造設計

解決方案：

• 采用直接轉矩的方式進行變頻調速
• 采用直流電動機串電阻調速

1 引言

礦kuang用yong電dian機ji車che是shi煤mei礦kuang工gong業ye的de重zhong要yao運yun輸shu工gong具ju。由you於yu煤mei礦kuang井jing下xia的de工gong作zuo環huan境jing十shi分fen惡e劣lie
，對dui電dian機ji車che的de電dian氣qi驅qu動dong係xi統tong要yao求qiu很hen高gao。然ran而er，當dang前qian礦kuang用yong電dian機ji車che采cai用yong結jie構gou複fu雜za、造價昂貴、故障率高
、維修費(fei)用(yong)大(da)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)驅(qu)動(dong)，調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)還(hai)是(shi)采(cai)用(yong)的(de)原(yuan)始(shi)落(luo)後(hou)的(de)電(dian)阻(zu)降(jiang)壓(ya)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)，這(zhe)種(zhong)多(duo)級(ji)觸(chu)頭(tou)變(bian)阻(zu)調(tiao)速(su)器(qi)常(chang)因(yin)觸(chu)頭(tou)產(chan)生(sheng)較(jiao)強(qiang)火(huo)花(hua)而(er)燒(shao)損(sun)，所(suo)以(yi)維(wei)修(xiu)量(liang)大(da)。同(tong)時(shi)，電(dian)機(ji)車(che)帶(dai)電(dian)阻(zu)運(yun)行(xing)導(dao)致(zhi)電(dian)能(neng)浪(lang)費(fei)很(hen)大(da)。對(dui)於(yu)高(gao)瓦(wa)斯(si)礦(kuang)井(jing)


，普(pu)遍(bian)采(cai)用(yong)防(fang)爆(bao)型(xing)蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)機(ji)車(che)作(zuo)為(wei)運(yun)輸(shu)材(cai)料(liao)和(he)矸(gan)石(shi)的(de)工(gong)具(ju)。多(duo)年(nian)來(lai)，蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)機(ji)車(che)一(yi)直(zhi)采(cai)用(yong)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)串(chuan)電(dian)阻(zu)調(tiao)速(su)方(fang)式(shi)，從(cong)而(er)使(shi)20～25%的(de)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)在(zai)電(dian)阻(zu)上(shang)，造(zao)成(cheng)電(dian)能(neng)的(de)浪(lang)費(fei)。特(te)別(bie)是(shi)蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)機(ji)車(che)，由(you)於(yu)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)過(guo)快(kuai)
，使(shi)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)充(chong)電(dian)間(jian)隔(ge)縮(suo)短(duan)，蓄(xu)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)減(jian)少(shao)。近(jin)幾(ji)年(nian)來(lai)

，隨(sui)著(zhe)科(ke)學(xue)技(ji)術(shu)的(de)發(fa)展(zhan)，交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)調(tiao)速(su)問(wen)題(ti)已(yi)經(jing)獲(huo)得(de)圓(yuan)滿(man)的(de)解(jie)決(jue)。交(jiao)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)調(tiao)速(su)係(xi)統(tong)不(bu)但(dan)性(xing)能(neng)同(tong)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)性(xing)能(neng)一(yi)樣(yang)
，而(er)且(qie)成(cheng)本(ben)和(he)維(wei)護(hu)費(fei)比(bi)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)係(xi)統(tong)更(geng)低(di)，可(ke)靠(kao)性(xing)更(geng)高(gao)。用(yong)交(jiao)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)取(qu)代(dai)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)進(jin)行(xing)調(tiao)速(su)勢(shi)在(zai)必(bi)行(xing)
，並(bing)且(qie)交(jiao)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)有(you)著(zhe)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)無(wu)法(fa)比(bi)擬(ni)的(de)優(you)勢(shi)。由(you)於(yu)直(zhi)流(liu)調(tiao)速(su)帶(dai)有(you)電(dian)阻(zu)器(qi)運(yun)行(xing)，電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)較(jiao)大(da)，交(jiao)流(liu)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)由(you)於(yu)不(bu)用(yong)高(gao)耗(hao)能(neng)的(de)電(dian)阻(zu)

，節(jie)電(dian)率(lv)可(ke)達(da)35%。如(ru)果(guo)電(dian)機(ji)車(che)設(she)置(zhi)成(cheng)再(zai)生(sheng)回(hui)饋(kui)製(zhi)動(dong)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)電(dian)機(ji)車(che)減(jian)速(su)或(huo)下(xia)坡(po)時(shi)將(jiang)電(dian)機(ji)發(fa)出(chu)的(de)電(dian)能(neng)回(hui)饋(kui)給(gei)蓄(xu)電(dian)池(chi)，這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)大(da)大(da)節(jie)約(yue)電(dian)能(neng)
，延(yan)長(chang)充(chong)電(dian)時(shi)間(jian)。

2 異步電動機的四象限特性及能量再生

三相交流異步電機傳動係統具有結構簡單
、工作可靠、造價低廉
，效率高，節約能源等優點，因而被廣泛用語蓄電池電機車的改造工程中。

由於礦用電機車工作於井下惡劣的環境中
，調速係統處於頻繁的起動、製動、加減速等狀態，這樣一來，我們就能充分利用三相交流異步電動機的四象限特性進行調速製動：第一象限和第三象限是電動機的運行狀態
，分別為正、倒轉；第二象限和第四象限是電動機的發電狀態
，分別為正、倒轉。由於蓄電池電機車采用的是直接轉矩的方式進行變頻調速。

電機車在減速運行過程或急刹車時都將發生能量再生。先假定三相異步電動機定子繞組中通以三相電流，極性為 i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下標：“1”表示定子，“2”表示轉子，字母上加點表示向量），該電流將在電動機氣隙內形成按正弦規律分布，並以同步轉速旋轉的磁動勢f1
，如圖1。f1先建立氣隙主磁場bm（фm），bm是個旋轉磁場。當變頻器驅動異步電動機減速運行時，旋轉磁場同步轉速no總是先於轉子轉速n下降，即n0m切割定子
、轉子繞組，並在定子
、轉子繞組內感應出定子電動勢e1a、e1b、e1c和轉子電動勢e2a、e2b、e2c
，於是轉子回路中就有三相電流i2a

、i2b、i2c。與氣隙磁通фm相互作用
，產生了電磁製動轉矩
，方向與n0相反，製止轉子旋轉。i1形成的勵磁磁動勢 f1，i2形成的勵磁磁動勢f2。設相序為a—b—c的定子電流所產生的旋轉磁場為逆時針方向
，由於n0o。由於轉子以轉速n逆時針旋轉
，因此f2的實際轉速為n2=n-△n=no，方向為逆時針，即f1和f2都逆時針旋轉，轉速都為n2。換句話說，f1和f2保持相對靜止，兩者之間無相對運動。

異步電動機帶負載時氣隙內產生旋轉磁場bm的正是這兩個相對靜止的磁動勢f1和f2的合成磁動勢fm作用的結果，即f1=fm+（－f2）
，此式表示：異步電動機的定子磁動勢包含兩個分量：產生氣隙主磁通φm的勵磁磁動勢fm和抵消由於轉子電流產生的轉子磁動勢f2的部分（－f2）。


因為n00-n/n＜0，所以轉子感應電動勢se’2反向。i’2落後於e’2的φ2角度處於90°～180°之間，轉子電流的有功分量i’2a《0，而轉子電流的無功分量i’2r》0。

異步電動機處於減速時相當於異步發電機，即其向量圖如圖所示。u1和i1之間的相角φ1》90°，cishidingzideyougonggonglvweifuzhi
，jidingziraozuxiangzhiliucehuikuidianneng，erdingzidewugonggonglvweizhengzhi。zhanzaidiandongjidejiaodushangkan，yibudiandongjixishoulefudeyougonggonglvhezhihoudewugonggonglv，qianzheshuchugeidianwang，houzheyongyulici。

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3 電機車回饋製動的控製

電動機等效電路如圖2所示。

假設電機所帶負載的機械能基本上被電機內部所消耗，於是有

當dang電dian機ji負fu轉zhuan差cha率lv位wei於yu範fan圍wei時shi，係xi統tong的de機ji械xie能neng經jing電dian機ji轉zhuan化hua為wei電dian能neng向xiang蓄xu電dian池chi回hui饋kui。同tong時shi電dian機ji不bu出chu現xian過guo流liu，也ye就jiu是shi反fan饋kui的de電dian能neng不bu能neng被bei電dian池chi吸xi收shou的de部bu分fen，可ke以yi由you電dian機ji本ben身shen承cheng受shou消xiao耗hao而er不bu出chu現xian過guo流liu當dang轉zhuan差cha率lv變bian化hua超chao過guo該gai範fan圍wei時shi，機ji械xie能neng經jing電dian機ji轉zhuan化hua的de電dian能neng無wu法fa有you效xiao回hui饋kui給gei電dian池chi，而er剩sheng餘yu部bu分fen的de能neng量liang在zai電dian機ji的de線xian圈quan內nei阻zu中zhong又you無wu法fa完wan全quan消xiao耗hao，因yin此ci容rong易yi出chu現xian過guo流liu。所suo以yi，從cong簡jian化hua控kong製zhi的de角jiao度du出chu發fa，當dang控kong製zhi轉zhuan差cha率lv在zais1≥s≥s2範圍內變化時，再生製動過程就可以避免出現過流。

本文提出的再生製動方法在直接轉矩控製（dtc）中。首先觀測定子磁鏈
，控製定子磁鏈的幅值為恒定然後選擇零矢量
、非零矢量來調節瞬時轉差，控製輸出轉矩恒定，所以，由磁鏈環節觀測定子磁鏈的幅值及相位，並且選擇矢量控製磁鏈幅值大小；轉矩控製環節（與磁鏈控製環節相結合）xuanzeshiliangkongzhiciliandexuanzhuansudu。xitongcaiyonglezhijiezhuanjukongzhifangshi
，qiciliankongzhihuanjiekeyiyouxiaodekongzhiciliandepiancha，zaizhezhongqingkuangxiakeyibaozhengshuchudedianliuxieboshao，yunxingpingwen。erzaizhijiezhuanjukongzhidejichushangshixiandezaishengzhidongkongzhi，jiushishidingzipinlvgenzongzhuanzisudubianhua
，zhiyaonengbaozhengzhuanchalvdebianhuafanwei
，jiukeyishixianxitongzaizhidongguochengzhongbuchuxianguoliu。erqiezhidongxiaoguodeqiangruokeyitongguotiaojiezhuanchalvhedingzicilianfuzhilaishixian。

4 仿真結果

對以上建立的新型直接轉矩控製異步電動機變頻調速係統進行仿真實驗。三相逆變器開關器件采用igbt，反並聯反饋二極管
，igbt的緩衝電阻rs＝10kω
，緩衝電容cs＝10－3μf。仿真實驗所采用的異步電動機參數為：額定功率pn＝12kw，額定頻率 fn＝50hz，ψn＝0.95wb，rs＝0.16891ω
，rr＝0.13973ω，ls＝0.02877h，lm＝0.02777h
，lr＝0.0289h，np＝2，j＝0.1349kg.m2。控製係統參數：ψ*s=0.95wb
，速度給定為150rad/s
，負載轉矩給定tm＝15n.m
，轉矩限幅值為80n.m，pi調節器的比例係數 kp＝50，積分係數ki＝130，直流側電壓udc＝600v。

首先速度給定設為150rad/s
，等到係統穩定以後，再將速度給定設為－150rad/s，觀察其磁鏈
，速度

，轉矩
，線電流
，直流側電流波形。

從圖3波bo形xing可ke以yi看kan出chu，異yi步bu電dian動dong機ji處chu於yu加jia速su減jian速su反fan轉zhuan等deng運yun行xing狀zhuang態tai，從cong正zheng向xiang加jia速su到dao回hui饋kui製zhi動dong，最zui後hou到dao反fan向xiang加jia速su至zhi穩wen定ding狀zhuang態tai，實shi現xian異yi步bu電dian動dong機ji的de四si象xiang限xian特te性xing。

5 結束語

我(wo)國(guo)礦(kuang)用(yong)蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)機(ji)車(che)多(duo)數(shu)采(cai)用(yong)的(de)是(shi)直(zhi)流(liu)電(dian)動(dong)機(ji)串(chuan)電(dian)阻(zu)調(tiao)速(su)，若(ruo)是(shi)課(ke)題(ti)的(de)成(cheng)功(gong)得(de)以(yi)順(shun)利(li)的(de)應(ying)用(yong)於(yu)煤(mei)礦(kuang)實(shi)際(ji)中(zhong)，無(wu)論(lun)是(shi)電(dian)機(ji)車(che)的(de)調(tiao)速(su)性(xing)能(neng)，牽(qian)引(yin)能(neng)力(li)
，承(cheng)載(zai)量(liang)和(he)維(wei)修(xiu)量(liang)等(deng)方(fang)麵(mian)都(dou)有(you)全(quan)麵(mian)的(de)提(ti)升(sheng)，另(ling)外(wai)，從(cong)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)出(chu)發(fa)，蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)機(ji)車(che)利(li)用(yong)製(zhi)動(dong)對(dui)蓄(xu)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)充(chong)電(dian)，節(jie)約(yue)了(le)大(da)量(liang)的(de)電(dian)能(neng)，延(yan)長(chang)蓄(xu)電(dian)池(chi)電(dian)機(ji)車(che)的(de)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)，減(jian)少(shao)了(le)蓄(xu)電(dian)池(chi)年(nian)平(ping)均(jun)充(chong)電(dian)數(shu)，延(yan)長(chang)了(le)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)
，大(da)大(da)提(ti)高(gao)了(le)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)。

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