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shi20～25%dediannengxiaohaozaidianzushang，zaochengdiannengdelangfei。tebieshixudianchidianjiche
，youyudiannengxiaohaoguokuai
，shixudianchidechongdianjiangesuoduan，xudianchishoumingjianshao。jinjinianlai，suizhekexuejishudefazhan
，jiaoliudianjidetiaosuwentiyijinghuodeyuanmandejiejue。jiaoliudianjidetiaosuxitongbudanxingnengtongzhiliudianjidexingnengyiyang，erqiechengbenheweihufeibizhiliudianjixitonggengdi

，kekaoxinggenggao。yongjiaoliudiandongjiqudaizhiliudiandongjijinxingtiaosushizaibixing，bingqiejiaoliudiandongjiyouzhezhiliudiandongjiwufabinideyoushi。youyuzhiliutiaosudaiyoudianzuqiyunxing，diannengxiaohaojiaoda
，jiaoliubianpintiaosuyouyubuyonggaohaonengdedianzu，jiedianlvkeda35%。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°，此ci時shi定ding子zi的de有you功gong功gong率lv為wei負fu值zhi，即ji定ding子zi繞rao組zu向xiang直zhi流liu側ce回hui饋kui電dian能neng
，而er定ding子zi的de無wu功gong功gong率lv為wei正zheng值zhi。站zhan在zai電dian動dong機ji的de角jiao度du上shang看kan，異yi步bu電dian動dong機ji吸xi收shou了le負fu的de有you功gong功gong率lv和he滯zhi後hou的de無wu功gong功gong率lv，前qian者zhe輸shu出chu給gei電dian網wang，後hou者zhe用yong於yu勵li磁ci。

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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(zai)s1≥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3boxingkeyikanchu，yibudiandongjichuyujiasujiansufanzhuandengyunxingzhuangtai
，congzhengxiangjiasudaohuikuizhidong，zuihoudaofanxiangjiasuzhiwendingzhuangtai，shixianyibudiandongjidesixiangxiantexing。

5 結束語

woguokuangyongxudianchidianjicheduoshucaiyongdeshizhiliudiandongjichuandianzutiaosu，ruoshiketidechenggongdeyishunlideyingyongyumeikuangshijizhong
，wulunshidianjichedetiaosuxingneng，qianyinnengli，chengzailiangheweixiuliangdengfangmiandouyouquanmiandetisheng，lingwai
，congjingjixiaoyichufa，xudianchidianjicheliyongzhidongduixudianchijinxingchongdian，jieyueledaliangdedianneng，yanchangxudianchidianjichedegongzuoshijian，jianshaolexudianchinianpingjunchongdianshu，yanchanglexudianchideshiyongshouming，dadatigaolejingjixiaoyi。

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