蓄电池电机车变频调速系统设计与应用

刘宏伟

（山西焦煤西山煤电集团有限公司西铭矿，山西 太原 030052）

引言

电机车是煤矿井上井下长距离运输的主要方式，主要有架线式电机车和蓄电池电机车两种，架线式电机车通过受电弓和机车轨道与直流电源形成回路，这种架线式电机车虽然不需要对蓄电池充电，但是需要建设线路，同时也存在杂散电流的危害。蓄电池电机车通过蓄电池带动直流电机，不需要建设线路，也没有杂散电流现象。蓄电池电机车需要在电池欠压后充电，调速方式有电枢回路串电阻方式和直流斩波调速两种。这两种调速方式各有优点，但是也存在可靠性低、能耗高的缺点。随着电力电子技术的发展，变频器驱动的交流电机车的应用越来越展现了其优势，交流电机不仅没有换向器，也没有电阻能耗，对于煤矿企业提高能效和可靠性具有重要意义。

1 变频调速的优势

蓄电池电机车的牵引电动机为直流电动机，直流电机的换向器和电刷是最容易产生故障的部件，换向过程中产生的火花极易引起井下瓦斯爆炸。实际生产中常采用串电阻调速和斩波调速的方式进行控制。在启动和调速过程中，电枢回路串连电阻的电阻上有电能消耗，不符合企业节能减排绿色发展的定位。斩波调速的无级调速性能和能源消耗有所进步，但是存在控制死区，影响了调速区的开放角度。蓄电池电机车的动力来源是直流蓄电池，可以通过变频技术将直流电逆变为交流电，采用交流异步电机拖动电机车，这种调速方案称之为变频调速。变频调速的优点很多，从电机本身性能和电能变换的控制性能和利用率等方面均具有质的飞跃。

2 变频系统硬件结构

系统的硬件结构如图1 所示，主要由直流母线部分、主副司机控制台、IGBT 逆变电路、主控电路及信号检测和保护电路组成。直流母线的主要器件为蓄电池组和滤波电容，司机控制台包括控制线路和操作闭锁方案，IGBT 逆变电路为三菱公司的模组，主控电路采用以DSP F2407 为核心的控制板，保护电路有欠压保护、短路保护和过载保护等[1-2]。

2.1 主控制板

DSP 是一种实时信号处理能力强的控制器，在运动控制领域被广泛应用。TI 公司生产的TMS320系列代码兼容、功耗小、存储功能强大，本文选择TMS320 F2407 芯片为主控芯片。外围电路包括监控电路、电源电路、时钟电路和模数采样调理电路等。

2.2 直流母线

如图1 所示，直流母线主要由蓄电池组和储能电容组成，其他辅助电路还有熔断器和电压检测电路等。蓄电池组的设计需要重点考虑防爆性能和蓄电池产生气体的释放，在设计蓄电池接线柱头时采用特殊严密焊接结构，加液口的排气栓方便电池组氢气排出，同时还能避免电解液溅出。设计蓄电池组端电压为192 V，采用96 节铅酸蓄电池串联组成，低电压充电电压为165 V。电容器组是直流母线的重要器件，可以吸收由电流突变产生的电压尖峰，提供输入电流，吸收开关管急停的电机去磁能量。电容器的电压满足192 V 耐压情况下，容量越大滤波效果越好，电容器组串联实现耐压目的，并联实现扩容目的，在安装时注意控制布线长度，以免线路寄生电感产生电压尖峰。

图1 蓄电池电机车变频调速系统结构

2.3 操作闭锁方案

为了提高电机车的安全性，保证电机车的前进方向改变后，司机始终保持在前进方向获得最好的视野，在电机车的一主一副司机控制室设置在机车首尾两端。主副司控操作台操作功能基本相同，同时只能由一名司机进行操作，实现功能相互闭锁。控制电路闭锁方案接线图如图2 所示，用12 芯屏蔽线将9 路控制信号由主驾驶室接至副驾驶室，速度给定信号通过电位器调节，正反转和相互闭锁由干簧管操作手柄确定，两个控制器中的一个的调速手柄置于零位时，另一个操作手柄才能与调速电位器连接起来，实现调速功能[3-4]。

图2 主副驾驶操作闭锁方案接线图

2.4 IGBT 模块及其驱动

IGBT 是图1 中完成电能由交流变直流的核心器件，具有大电流、高电压、高频率的特点，是功率半导体的主流器件。IGBT 模块的封装形式多种多样，有单管封装、半桥封装、全桥封装等类型。IGBT的选择主要取决于电压、电流和封装形式，对于直流192 V，功率44 kW的蓄电池电机车，根据满载电流2 倍的选取原则，选择三菱公司生产的600 V、600 A的半桥模块CM600DY-12NF，这款模块通态饱和压降仅为1.7 V，损耗非常低[5-6]。IGBT的辅助电路有驱动电源和驱动电路，采用单端反激电路作为模块驱动电源。开关电源的输出形式有电压型和电流型，由于电压型控制的开关电源为单闭环二阶系统，电感电流不参与控制，稳定条件比较苛刻，因此选择电流型电压电流双闭环开关电源，很容易获得较大开环增益的电感电流。

2.5 电流传感器

变频调速系统的控制策略为无速度传感器的直接转矩控制，需要获取较高精度的电机定子电流，因此需要布置一个稳态和动态性能都满足要求的电流传感器。零磁通型霍尔电流传感器的测量范围宽，从直流到频率100 Hz的交流信号均能够准确分辨，同时与主电路没有直接的电气联系，实现了电气隔离。根据电机功率和电压，电机定子额定电流为254 A，因此可选择300 A的电流互感器，输出15 mA的电流信号，实际采样效果表明其动态特性满足调速系统的要求。

3 应用效果

1）机械损耗小。交流电机没有换向器，不需要定期维护。变频调速系统的制动方式为电制动，闸瓦起辅助作用，维护频率可大大降低。

2）调速和制动性能好。变频调速的调速范围为低速100 r/min，高速600 r/min，调速范围宽。变频调速电机车的黏着利用率高，在撒沙的情况下可达到0.36，启动黏着系数则更高，因此交流电机车的牵引力和爬坡能力更强。

3）经济性好。除了节省维护费用，变频电机车调速不存在电阻上的电能损耗，相较于串电阻调速和斩波调速，电能节约在20%以上，每台机车的支出节省可达5 万元以上。

4）操作简单。司机的操作为选择档位和推动司控器手柄，停车、换向、加减速等操作均通过自动装置完成，减轻了司机的培训和劳动强度。

5）故障率低。直流电机容易出现环火和磨损，异步电机误整流子，可靠性较高，司控器和逆变器均为无触点电路，避免了触点类故障。

4 结论

与电枢回路串电阻和直流斩波调速相比，变频调速电机车具有机械损耗小、调速和制动性能好、经济性好、操作简单和故障率低的优点，值得企业推广。