矿山牵引电机车控制系统的仿真

张洵

摘 要 传统的矿山牵引电机车采用的是直流调阻调速和直流斩波调速，其特点远远满足不了目前矿山开采的需求，根据我国矿山开采的实际情况，矿山牵引电机车控制系统应该具备一定特点，如较强的稳定性、超强的载荷能力等，文章就如何改进牵引电机车控制系统，节约能源，降低损耗，加强电机牵引性能进行深入的探讨和研究。

关键词 牵引电机车；控制系统；矢量；建模；仿真；节能

中图分类号：TD6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0061-01

我国是世界人口大国，能源消耗量巨大，而煤炭是非常重要的能源，矿山开采是煤炭能源主要的来源，而矿山开采主要依靠的是矿山电机车，它是井下作业的主要运输工具，其性能对矿山开采有很大影响，甚至会波及整个煤炭业，如何加强矿山牵引电机车控制系统性能，降低能耗，提高工作效率也成为了关注的焦点。近年来，人们通过实践不断改进牵引电机车控制系统，摒弃了传统的采用直流调阻调速和直流斩波调速，对变频调速进行了各种实验和分析，建立相应的系统模型，模拟仿真，并进行实验验证。

1 不同种类的矿山牵引电机车控制系统

在矿山企业，电机车是必备设备，种类众多，不同的供电方式、不同的牵引力，分类亦不同，随着技术的不断发展，可谓大浪淘沙，早期的串电阻调速被直流斩波调速取代，直流牵引电机调速不如交流牵引电机变频调速，同样直流牵引电机车也不敌交流牵引电机车，所以交流变频调速电机车是大势所趋，也符合市场需求。一般来说，在不考虑电机之间联系的情况下，每台电机都由相应的一台变频器控制，它们是“一对一”的关系，这种情形下，为了满足市场需求，一般会采用矢量控制系统或直接转矩控制系统。影响矿山牵引电机车的因素很多，如空间限制，宽度不同的轨距，这时会采用“一带一”，即一台电机驱动一个轮对，也就是双电机直接驱动，这期间也存在电机运行速度慢，成本高的问题，主要是因为没有转向架，之于机车与轨道间，为了正常运行，两个电机需自行分配载荷量，尽量做到均衡，一般为了提高运行速度，并节约成本多采用一台变频器控制多台电机的方法。

矢量控制作用于双电机调速系统时，其中最重要也是最必要的是针对控制对象进行数学模型建造，如今的建造模型方法多为“二合一”即两台电机的功效等同于一台电机，采取这种方法一般考虑两个方面：1）当面对参数不同的电机进行选择时，参数相近的电机是较好的选择，选择其中一台电机，对其进行矢量控制，余下电机采取被动控制；2）平均模型不易太过复杂，应进行简化，首先选择两台参数相近的电机，平均并且简化这两台电机的定子电流和转速，使之作为反馈进行控制。在实际的生产中，前者存在被动控制电机，以至于控制系统的控制效果达不到理想状态，所以大多数情况下一般都会采用后者的方法。

2 建立牵引电机控制系统的仿真模型

虽然在上面的描述中，我们提到两种方案，但是无论是哪个方案研究对象始终是一台电机，同样在牵引电机控制方案的系统建模过程中，我们也以一台电机为例进行建模。异步电机作为牵引电机是目前矿山牵引电机车的趋势走向，异步电机有其自身特点，非线性、强耦合、多变量等。所以为了达到更好的调速性能，坐标需进行变换并且简化。

作为双闭环的调速控制系统（直接转矩控制变频调速控制系统），内环和外环采用不同的控制方式，其内环通过磁链和转矩的闭环控制，对电动机定子端的一些变量，如电流、电压等进行检测，通过周密的计算，得出定子磁链和电磁转矩以及定子磁链角的相关数据，然后会用到磁链和转矩滞环比较器，通过其进行比较计算可以得到磁链偏差和转矩偏差的数值；通过这两个数值加上定子磁链所处的扇区，采取择优录取，优胜略汰的方法进行选择，以此得到电压空间矢量，从而自由控制逆变器的开启和关闭。说完内环，再说外环，外环通过速度闭环控制，比较电机工作中的实际转速（即速度传感器或观测器输出）与设定的转速，以此作为速度调节的输入，速度调节都是通过速度调节器进行的，目前为止，大多沿用传统的PI线性调节器，电磁转矩的给定信号依靠于PI线性调节器的输出。整个系统的基本构架如下图所示。

从图可以看出，异步电动机的磁链模型建造相对比较简单，通过简单的积分关系便可建造。调节定子磁链运动轨迹的平均转速，以及转矩大小的变化是转矩调节这一部分的主要功能。零电压空间矢量的引入，对定子磁链

沿轨迹运动的平均速度有很大影响，可以改变其平均转速，如上图所示单元AZS代表零状态，零状态电压信号由其发出。单元ASS代表开关信号，控制着零状态电压信号发出的时间。ATR代表转矩调节器，TQ代表其输出信号，ATR控制ASS，是转矩给定值与转矩反馈值相减得出转矩调节器的输入信号数值。经过对上述的计算分析，建立一个直接转矩控制变频调速控制系统的模型。

经过试验我们可以看出，较于传统直流传动电机车，交流传动电机车牵引性能更强，在作业过程中，一旦电流有稍微的增大，牵引力便增大很多，将牵引速度规定为一个固定数值时，交流传动电机车低速大转矩起动时起动电流相较于直流传动电机车的起动电流小很多，差不多不足直流传动电机车的1/2，可见直接转矩控制变频调速控制系统能够降低能耗，节约能源。

3 结束语

本文通过对传统直流传动矿山电机车与交流传动电机车相比较，分析其利弊，了解双电机调速矢量控制系统及直接转矩控制变频调速控制系统，建立更利于市场需求的直接转矩控制变频调速控制系统仿真模型，提高了效率的同时，降低了能耗，节约了能源，更利于资源的可持续发展。

参考文献

[1]张也.金鑫.矿山牵引电机车控制系统的仿真[M].北京出版社，2013.

[2]李雪，董旭.矿用电机车调速控制系统研究[M].北京出版社，2013.

[3]徐小艳.矿用电机车矢量控制系统的研究设计[M].北京出版社，2013.endprint

摘 要 传统的矿山牵引电机车采用的是直流调阻调速和直流斩波调速，其特点远远满足不了目前矿山开采的需求，根据我国矿山开采的实际情况，矿山牵引电机车控制系统应该具备一定特点，如较强的稳定性、超强的载荷能力等，文章就如何改进牵引电机车控制系统，节约能源，降低损耗，加强电机牵引性能进行深入的探讨和研究。

关键词 牵引电机车；控制系统；矢量；建模；仿真；节能

中图分类号：TD6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0061-01

我国是世界人口大国，能源消耗量巨大，而煤炭是非常重要的能源，矿山开采是煤炭能源主要的来源，而矿山开采主要依靠的是矿山电机车，它是井下作业的主要运输工具，其性能对矿山开采有很大影响，甚至会波及整个煤炭业，如何加强矿山牵引电机车控制系统性能，降低能耗，提高工作效率也成为了关注的焦点。近年来，人们通过实践不断改进牵引电机车控制系统，摒弃了传统的采用直流调阻调速和直流斩波调速，对变频调速进行了各种实验和分析，建立相应的系统模型，模拟仿真，并进行实验验证。

1 不同种类的矿山牵引电机车控制系统

在矿山企业，电机车是必备设备，种类众多，不同的供电方式、不同的牵引力，分类亦不同，随着技术的不断发展，可谓大浪淘沙，早期的串电阻调速被直流斩波调速取代，直流牵引电机调速不如交流牵引电机变频调速，同样直流牵引电机车也不敌交流牵引电机车，所以交流变频调速电机车是大势所趋，也符合市场需求。一般来说，在不考虑电机之间联系的情况下，每台电机都由相应的一台变频器控制，它们是“一对一”的关系，这种情形下，为了满足市场需求，一般会采用矢量控制系统或直接转矩控制系统。影响矿山牵引电机车的因素很多，如空间限制，宽度不同的轨距，这时会采用“一带一”，即一台电机驱动一个轮对，也就是双电机直接驱动，这期间也存在电机运行速度慢，成本高的问题，主要是因为没有转向架，之于机车与轨道间，为了正常运行，两个电机需自行分配载荷量，尽量做到均衡，一般为了提高运行速度，并节约成本多采用一台变频器控制多台电机的方法。

矢量控制作用于双电机调速系统时，其中最重要也是最必要的是针对控制对象进行数学模型建造，如今的建造模型方法多为“二合一”即两台电机的功效等同于一台电机，采取这种方法一般考虑两个方面：1）当面对参数不同的电机进行选择时，参数相近的电机是较好的选择，选择其中一台电机，对其进行矢量控制，余下电机采取被动控制；2）平均模型不易太过复杂，应进行简化，首先选择两台参数相近的电机，平均并且简化这两台电机的定子电流和转速，使之作为反馈进行控制。在实际的生产中，前者存在被动控制电机，以至于控制系统的控制效果达不到理想状态，所以大多数情况下一般都会采用后者的方法。

2 建立牵引电机控制系统的仿真模型

虽然在上面的描述中，我们提到两种方案，但是无论是哪个方案研究对象始终是一台电机，同样在牵引电机控制方案的系统建模过程中，我们也以一台电机为例进行建模。异步电机作为牵引电机是目前矿山牵引电机车的趋势走向，异步电机有其自身特点，非线性、强耦合、多变量等。所以为了达到更好的调速性能，坐标需进行变换并且简化。

作为双闭环的调速控制系统（直接转矩控制变频调速控制系统），内环和外环采用不同的控制方式，其内环通过磁链和转矩的闭环控制，对电动机定子端的一些变量，如电流、电压等进行检测，通过周密的计算，得出定子磁链和电磁转矩以及定子磁链角的相关数据，然后会用到磁链和转矩滞环比较器，通过其进行比较计算可以得到磁链偏差和转矩偏差的数值；通过这两个数值加上定子磁链所处的扇区，采取择优录取，优胜略汰的方法进行选择，以此得到电压空间矢量，从而自由控制逆变器的开启和关闭。说完内环，再说外环，外环通过速度闭环控制，比较电机工作中的实际转速（即速度传感器或观测器输出）与设定的转速，以此作为速度调节的输入，速度调节都是通过速度调节器进行的，目前为止，大多沿用传统的PI线性调节器，电磁转矩的给定信号依靠于PI线性调节器的输出。整个系统的基本构架如下图所示。

从图可以看出，异步电动机的磁链模型建造相对比较简单，通过简单的积分关系便可建造。调节定子磁链运动轨迹的平均转速，以及转矩大小的变化是转矩调节这一部分的主要功能。零电压空间矢量的引入，对定子磁链

沿轨迹运动的平均速度有很大影响，可以改变其平均转速，如上图所示单元AZS代表零状态，零状态电压信号由其发出。单元ASS代表开关信号，控制着零状态电压信号发出的时间。ATR代表转矩调节器，TQ代表其输出信号，ATR控制ASS，是转矩给定值与转矩反馈值相减得出转矩调节器的输入信号数值。经过对上述的计算分析，建立一个直接转矩控制变频调速控制系统的模型。

经过试验我们可以看出，较于传统直流传动电机车，交流传动电机车牵引性能更强，在作业过程中，一旦电流有稍微的增大，牵引力便增大很多，将牵引速度规定为一个固定数值时，交流传动电机车低速大转矩起动时起动电流相较于直流传动电机车的起动电流小很多，差不多不足直流传动电机车的1/2，可见直接转矩控制变频调速控制系统能够降低能耗，节约能源。

3 结束语

本文通过对传统直流传动矿山电机车与交流传动电机车相比较，分析其利弊，了解双电机调速矢量控制系统及直接转矩控制变频调速控制系统，建立更利于市场需求的直接转矩控制变频调速控制系统仿真模型，提高了效率的同时，降低了能耗，节约了能源，更利于资源的可持续发展。

参考文献

[1]张也.金鑫.矿山牵引电机车控制系统的仿真[M].北京出版社，2013.

[2]李雪，董旭.矿用电机车调速控制系统研究[M].北京出版社，2013.

[3]徐小艳.矿用电机车矢量控制系统的研究设计[M].北京出版社，2013.endprint

摘 要 传统的矿山牵引电机车采用的是直流调阻调速和直流斩波调速，其特点远远满足不了目前矿山开采的需求，根据我国矿山开采的实际情况，矿山牵引电机车控制系统应该具备一定特点，如较强的稳定性、超强的载荷能力等，文章就如何改进牵引电机车控制系统，节约能源，降低损耗，加强电机牵引性能进行深入的探讨和研究。

关键词 牵引电机车；控制系统；矢量；建模；仿真；节能

中图分类号：TD6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）06-0061-01

我国是世界人口大国，能源消耗量巨大，而煤炭是非常重要的能源，矿山开采是煤炭能源主要的来源，而矿山开采主要依靠的是矿山电机车，它是井下作业的主要运输工具，其性能对矿山开采有很大影响，甚至会波及整个煤炭业，如何加强矿山牵引电机车控制系统性能，降低能耗，提高工作效率也成为了关注的焦点。近年来，人们通过实践不断改进牵引电机车控制系统，摒弃了传统的采用直流调阻调速和直流斩波调速，对变频调速进行了各种实验和分析，建立相应的系统模型，模拟仿真，并进行实验验证。

1 不同种类的矿山牵引电机车控制系统

在矿山企业，电机车是必备设备，种类众多，不同的供电方式、不同的牵引力，分类亦不同，随着技术的不断发展，可谓大浪淘沙，早期的串电阻调速被直流斩波调速取代，直流牵引电机调速不如交流牵引电机变频调速，同样直流牵引电机车也不敌交流牵引电机车，所以交流变频调速电机车是大势所趋，也符合市场需求。一般来说，在不考虑电机之间联系的情况下，每台电机都由相应的一台变频器控制，它们是“一对一”的关系，这种情形下，为了满足市场需求，一般会采用矢量控制系统或直接转矩控制系统。影响矿山牵引电机车的因素很多，如空间限制，宽度不同的轨距，这时会采用“一带一”，即一台电机驱动一个轮对，也就是双电机直接驱动，这期间也存在电机运行速度慢，成本高的问题，主要是因为没有转向架，之于机车与轨道间，为了正常运行，两个电机需自行分配载荷量，尽量做到均衡，一般为了提高运行速度，并节约成本多采用一台变频器控制多台电机的方法。

矢量控制作用于双电机调速系统时，其中最重要也是最必要的是针对控制对象进行数学模型建造，如今的建造模型方法多为“二合一”即两台电机的功效等同于一台电机，采取这种方法一般考虑两个方面：1）当面对参数不同的电机进行选择时，参数相近的电机是较好的选择，选择其中一台电机，对其进行矢量控制，余下电机采取被动控制；2）平均模型不易太过复杂，应进行简化，首先选择两台参数相近的电机，平均并且简化这两台电机的定子电流和转速，使之作为反馈进行控制。在实际的生产中，前者存在被动控制电机，以至于控制系统的控制效果达不到理想状态，所以大多数情况下一般都会采用后者的方法。

2 建立牵引电机控制系统的仿真模型

虽然在上面的描述中，我们提到两种方案，但是无论是哪个方案研究对象始终是一台电机，同样在牵引电机控制方案的系统建模过程中，我们也以一台电机为例进行建模。异步电机作为牵引电机是目前矿山牵引电机车的趋势走向，异步电机有其自身特点，非线性、强耦合、多变量等。所以为了达到更好的调速性能，坐标需进行变换并且简化。

作为双闭环的调速控制系统（直接转矩控制变频调速控制系统），内环和外环采用不同的控制方式，其内环通过磁链和转矩的闭环控制，对电动机定子端的一些变量，如电流、电压等进行检测，通过周密的计算，得出定子磁链和电磁转矩以及定子磁链角的相关数据，然后会用到磁链和转矩滞环比较器，通过其进行比较计算可以得到磁链偏差和转矩偏差的数值；通过这两个数值加上定子磁链所处的扇区，采取择优录取，优胜略汰的方法进行选择，以此得到电压空间矢量，从而自由控制逆变器的开启和关闭。说完内环，再说外环，外环通过速度闭环控制，比较电机工作中的实际转速（即速度传感器或观测器输出）与设定的转速，以此作为速度调节的输入，速度调节都是通过速度调节器进行的，目前为止，大多沿用传统的PI线性调节器，电磁转矩的给定信号依靠于PI线性调节器的输出。整个系统的基本构架如下图所示。

从图可以看出，异步电动机的磁链模型建造相对比较简单，通过简单的积分关系便可建造。调节定子磁链运动轨迹的平均转速，以及转矩大小的变化是转矩调节这一部分的主要功能。零电压空间矢量的引入，对定子磁链

沿轨迹运动的平均速度有很大影响，可以改变其平均转速，如上图所示单元AZS代表零状态，零状态电压信号由其发出。单元ASS代表开关信号，控制着零状态电压信号发出的时间。ATR代表转矩调节器，TQ代表其输出信号，ATR控制ASS，是转矩给定值与转矩反馈值相减得出转矩调节器的输入信号数值。经过对上述的计算分析，建立一个直接转矩控制变频调速控制系统的模型。

经过试验我们可以看出，较于传统直流传动电机车，交流传动电机车牵引性能更强，在作业过程中，一旦电流有稍微的增大，牵引力便增大很多，将牵引速度规定为一个固定数值时，交流传动电机车低速大转矩起动时起动电流相较于直流传动电机车的起动电流小很多，差不多不足直流传动电机车的1/2，可见直接转矩控制变频调速控制系统能够降低能耗，节约能源。

3 结束语

本文通过对传统直流传动矿山电机车与交流传动电机车相比较，分析其利弊，了解双电机调速矢量控制系统及直接转矩控制变频调速控制系统，建立更利于市场需求的直接转矩控制变频调速控制系统仿真模型，提高了效率的同时，降低了能耗，节约了能源，更利于资源的可持续发展。

参考文献

[1]张也.金鑫.矿山牵引电机车控制系统的仿真[M].北京出版社，2013.

[2]李雪，董旭.矿用电机车调速控制系统研究[M].北京出版社，2013.

[3]徐小艳.矿用电机车矢量控制系统的研究设计[M].北京出版社，2013.endprint