矿用双轨电机车驱动系统研究

马闯

摘 要：为了解决传统矿用电机车效率低等问题，本文提出电机车驱动及充电一体化结构控制系统，给出了系统的结构图及工作原理，并利用仿真软件对驱动及充电一体化结构控制系统进行分析，验证了设计的可行性，有效解决了电机车充电慢、效率低的问题，为提升矿山经济作出一定的贡献。

关键词：双轨电机车;一体化结构;驱动系统;效率

随着我国工业化的不断加速，各行各业对能源的需求量逐步增大，虽然2012年国家对能源的使用进行了一定的调整，但化石能源的需求仍是我国目前为止能源需求的主体，随着矿山开采年限的不断加大，越来越多赋存条件较为优越的煤层已经完成开采，为了保障煤炭产量，开采目标已经逐步向着赋存条件较为复杂的煤层进行转移。矿用电机车作为我国主要的开采运输设备，其使用性能直接影响着矿山的经济效益。在复杂地况进行工作时，对矿用电机车的驱动系统的要求也是逐步提升，与传统的直流电机相比较可知，交流电机不但体积小、结构简单、经济实用外，还能消除环电刷及换向器时的一些危险。同时电机车的蓄电池需要及时更换降低了电机车的工作时长[1]，此前众多学者对电机车的蓄电池及驱动系统进行过研究[2]，本文对电机车驱动及充电一体化控制进行研究，有效提升了矿用电机车的工作性能，为提升矿山经济做出一定的贡献。

1 一体化拓扑结构分析

在电机车的工作过程中一般可分为两种工作模式，一种为驱动模式，而另一种模式为充电状态。当电机车停车时，蓄能系统从电网中进行及时取电，当发生充电行为时，电机车其余部件不参加工作，这就导致俩种组件是两个独立存在的系统，这不仅增大了电机车的重量也造成一定的材料浪费，所以研究驱动系统与充电一体化是十分重要的。

根据实际需求对驱动及充电一体化拓扑结构进行设计，在设计中需要包含双向DC/DC充放电电路以及三相全路逆变电路，设计如图1所示。

根据图1驱动及充电一体化拓扑结构可以看出，当电机车处于驱动模式下时，开关S2接通，此时永磁同步电机是由超级电容进行供电，当电机车处于充电模式下时，此时开关S1被接通，此时超级储能器由电网进行电量补给。

对驱动模式下的驱动系统程序进行研究，在驱动模式下，进入驱动电机的子程序，第一步先对超级电容器的电量进行判断，当超级电容器的内存电量超过30%时，此时进入欠点保护状态，当超级电容器内部的电量小于30%时，此时的迅速结束驱动。采集的转速信号通过速度环做PI调节，后续通过电流环进行PI电流调节，此时获得的电压信号通过Park逆变换得出静止坐标下的电压信号，从而通过PWM发生器进行开关管的控制，以此来实现控制驱动程序。為了对矿用电机车充电及驱动一体化控制系统进行分析及验证，利用MATLAB仿真模拟软件对一体化系统进行仿真分析。选定的永磁电机参数分别为：极对数为4，定子的电阻为0.0918Ω，永磁磁链为0.1688Wb，负载的转动惯量为0.03945kg·m2，给定转矩为24N·m，额定功率为4kW。

2 一体化拓扑结构仿真研究

整个仿真模块是由几个模块组合而成，其中包括充电与驱动一体化主电路、驱动模块下的永磁同步电机模块、充电模式下的双向DC/DC变压器切换模块等。进行驱动仿真时先在驱动模式下选择Dischange，进入驱动模式的下的仿真运行，为了避免出现电流过载造成的电路控制错误情况，在系统中增加直流母线电容预充电路，对电容进行预充电，当电容充电达到一定程度后，结束充电，进入驱动控制，仿真曲线如图2所示。

如图2（a）所示为驱动模式下直流母线的预充电波形图，从图中可以看出，当仿真开始时，直流母线电压从零开始缓慢上升，当直流母线预充电时间来到0.67s时，此时的直流母线电压为148V，随着预充电时间的上升，此时直流母线的预充电速度出现突然增大，当直流母线充电时间来到0.76s时，直流母线电压上升至308V，此时直流母线电压与电机工作电压的压差较小，不会出现启动时电流的突然增大造成的损坏现象。随着时间的进一步增大，此时直流母线的电压达到平稳状态。这是由于在充电开始时在模型的右边电路设置电压为150V，在左边电路电压设置为270V，随着充电时间的增加，直流母线率先达到150V，后续支持上涨至270V左右，此时系统进行驱动模式。如图2（b）为电机驱动速度图，从图中可以看出，当时间为0s～0.76s时，此时的电机速度为零，这是由于直流母线处于充电状态，当驱动时间来电0.76s之后时，电机的转速快速上升至给定转速为1000r/min，随着时间的继续增长达到10s时，此时的电机转速达到最大值约为1500r/min，且在转机转速达到1500r/min时，驱动系统快速达到平稳状态，可以看出，设计的充电驱动一体化结构在驱动模式下的运行情况是符合要求的。

由于本文设计的为驱动充电一体化系统，所以需要对充电模式下进行仿真研究，在进行充电模式下的仿真研究之前进入SC模块点击Charge，在运行前同样需要进行直流母线的预充电。

当启动充电模式时，直流母线电压从零开始缓慢上升，当直流母线预充电时间来到1.44s时，此时的直流母线电压为268V，随着预充电时间的增大，此时直流母线的预充电速度出现快速的波动，当直流母线充电时间来到1.52s时，直流母线电压上升至300V，此时直流母线电压与电机工作电压的压差较小，不会出现启动时电流的突然增大造成的损坏现象，直流母线的电压达到平稳状态。观察可以看出，当试件在1.5s前时处于直流母线预充电阶段，此时的电压电流均为0，随着时间的增大，超级电容的充电量出现快速上升，此阶段为电流充电阶段，利用恒电流300A进行充电，但超级电容的充电试件来到10s时，此时的超级电容的充电量达到80%，随后降低电流为60A进行充电，当充电时间达到18.5s时，此时电压已经达到额定电压，所以将电流充电转变为恒压充电，在时间18.5s～20s为恒压充电阶段，当充电时间超过20s时，此时超级电容的电量已经充满。可以看出整个充电过程持续时间较短，充电速度较快，符合充电驱动一体化控制系统的要求。

3 结论

本文针对传统蓄能电机车驱动与充电分离的情况，提出矿用电机车驱动充电一体化控制结构，给出了矿用电机车驱动充电一体化控制结构的示意图，并利用MATLAB仿真模拟软件对驱动模式及充电模式进行分析，结果发现所提出的驱动充电一体化控制结构可以完美的实现充电与驱动的一体化，有效的提升了矿用电机车效率低，充电慢的问题，为矿用电机车驱动及充电系统的设计提供借鉴。

参考文献：

[1]姬胜国.煤矿架线式电机车故障分析及处理措施[J].机械管理开发，2020，35（04）：255-256.

[2]秦杰.矿用电机车常见电气故障的分析[J].机械管理开发，2020，35（02）：242-243.