1 引言

　　礦用電機車(chē)是煤礦工業(yè)的重要運輸工具。由于煤礦井下的工作環(huán)境十分惡劣，對電機車(chē)的電氣驅動(dòng)系統要求很高。然而，當前礦用電機車(chē)采用結構復雜、造價(jià)昂貴、故障率高、維修費用大的直流電機驅動(dòng)，調速系統還是采用的原始落后的電阻降壓調速方式，這種多級觸頭變阻調速器常因觸頭產(chǎn)生較強火花而燒損，所以維修量大。同時(shí)，電機車(chē)帶電阻運行導致電能浪費很大。對于高瓦斯礦井，普遍采用防爆型蓄電池電機車(chē)作為運輸材料和矸石的工具。多年來(lái)，蓄電池電機車(chē)一直采用直流電動(dòng)機串電阻調速方式，從而使20～25%的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費。特別是蓄電池電機車(chē)，由于電能消耗過(guò)快，使蓄電池的充電間隔縮短，蓄電池壽命減少。近幾年來(lái)，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電機的調速問(wèn)題已經(jīng)獲得圓滿(mǎn)的解決。交流電機的調速系統不但性能同直流電機的性能一樣，而且成本和維護費比直流電機系統更低，可靠性更高。用交流電動(dòng)機取代直流電動(dòng)機進(jìn)行調速勢在必行，并且交流電動(dòng)機有著(zhù)直流電動(dòng)機無(wú)法比擬的優(yōu)勢。由于直流調速帶有電阻器運行，電能消耗較大，交流變頻調速由于不用高耗能的電阻，節電率可達35%。如果電機車(chē)設置成再生回饋制動(dòng)，可以利用電機車(chē)減速或下坡時(shí)將電機發(fā)出的電能回饋給蓄電池，這樣可以大大節約電能，延長(cháng)充電時(shí)間。

         2 異步電動(dòng)機的四象限特性及能量再生

　　三相交流異步電機傳動(dòng)系統具有結構簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉，效率高，節約能源等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用語(yǔ)蓄電池電機車(chē)的改造工程中。

　　由于礦用電機車(chē)工作于井下惡劣的環(huán)境中，調速系統處于頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、加減速等狀態(tài)，這樣一來(lái)，我們就能充分利用三相交流異步電動(dòng)機的四象限特性進(jìn)行調速制動(dòng)：第一象限和第三象限是電動(dòng)機的運行狀態(tài)，分別為正、倒轉；第二象限和第四象限是電動(dòng)機的發(fā)電狀態(tài)，分別為正、倒轉。由于蓄電池電機車(chē)采用的是直接轉矩的方式進(jìn)行變頻調速。

　　電機車(chē)在減速運行過(guò)程或急剎車(chē)時(shí)都將發(fā)生能量再生。先假定三相異步電動(dòng)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(diǎn)表示向量），該電流將在電動(dòng)機氣隙內形成按正弦規律分布，并以同步轉速旋轉的磁動(dòng)勢f1，如圖1。f1先建立氣隙主磁場(chǎng)bm（фm），bm是個(gè)旋轉磁場(chǎng)。當變頻器驅動(dòng)異步電動(dòng)機減速運行時(shí)，旋轉磁場(chǎng)同步轉速no總是先于轉子轉速n下降，即n0m切割定子、轉子繞組，并在定子、轉子繞組內感應出定子電動(dòng)勢e1a、e1b、e1c和轉子電動(dòng)勢e2a、e2b、e2c，于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(chǎn)生了電磁制動(dòng)轉矩，方向與n0相反，制止轉子旋轉。i1形成的勵磁磁動(dòng)勢f1，i2形成的勵磁磁動(dòng)勢f2。設相序為a—b—c的定子電流所產(chǎn)生的旋轉磁場(chǎng)為逆時(shí)針?lè )较�，由于n0o。由于轉子以轉速n逆時(shí)針旋轉，因此f2的實(shí)際轉速為n2=n-△n=no，方向為逆時(shí)針，即f1和f2都逆時(shí)針旋轉，轉速都為n2。換句話(huà)說(shuō)，f1和f2保持相對靜止，兩者之間無(wú)相對運動(dòng)。

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

　　因為n00-n/n＜0，所以轉子感應電動(dòng)勢se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉子電流的有功分量i’2a《0，而轉子電流的無(wú)功分量i’2r》0。

　　異步電動(dòng)機處于減速時(shí)相當于異步發(fā)電機，即其向量圖如圖所示。u1和i1之間的相角φ1》90°，此時(shí)定子的有功功率為負值，即定子繞組向直流側回饋電能，而定子的無(wú)功功率為正值。站在電動(dòng)機的角度上看，異步電動(dòng)機吸收了負的有功功率和滯后的無(wú)功功率，前者輸出給電網(wǎng)，后者用于勵磁。

        3 電機車(chē)回饋制動(dòng)的控制

　　電動(dòng)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，于是有

　　當電機負轉差率位于范圍時(shí)，系統的機械能經(jīng)電機轉化為電能向蓄電池回饋。同時(shí)電機不出現過(guò)流，也就是反饋的電能不能被電池吸收的部分，可以由電機本身承受消耗而不出現過(guò)流當轉差率變化超過(guò)該范圍時(shí)，機械能經(jīng)電機轉化的電能無(wú)法有效回饋給電池，而剩余部分的能量在電機的線(xiàn)圈內阻中又無(wú)法完全消耗，因此容易出現過(guò)流。所以，從簡(jiǎn)化控制的角度出發(fā)，當控制轉差率在s1≥s≥s2范圍內變化時(shí)，再生制動(dòng)過(guò)程就可以避免出現過(guò)流。

　　本文提出的再生制動(dòng)方法在直接轉矩控制（dtc）中。首先觀(guān)測定子磁鏈，控制定子磁鏈的幅值為恒定然后選擇零矢量、非零矢量來(lái)調節瞬時(shí)轉差，控制輸出轉矩恒定，所以，由磁鏈環(huán)節觀(guān)測定子磁鏈的幅值及相位，并且選擇矢量控制磁鏈幅值大��；轉矩控制環(huán)節（與磁鏈控制環(huán)節相結合）選擇矢量控制磁鏈的旋轉速度。系統采用了直接轉矩控制方式，其磁鏈控制環(huán)節可以有效的控制磁鏈的偏差，在這種情況下可以保證輸出的電流諧波少，運行平穩。而在直接轉矩控制的基礎上實(shí)現的再生制動(dòng)控制，就是使定子頻率跟蹤轉子速度變化，只要能保證轉差率的變化范圍，就可以實(shí)現系統在制動(dòng)過(guò)程中不出現過(guò)流。而且制動(dòng)效果的強弱可以通過(guò)調節轉差率和定子磁鏈負值來(lái)實(shí)現。

        4 仿真結果

　　對以上建立的新型直接轉矩控制異步電動(dòng)機變頻調速系統進(jìn)行仿真實(shí)驗。三相逆變器開(kāi)關(guān)器件采用igbt，反并聯(lián)反饋二極管，igbt的緩沖電阻rs＝10kω，緩沖電容cs＝10－3μf。仿真實(shí)驗所采用的異步電動(dòng)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�？刂葡到y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調節器的比例系數kp＝50，積分系數ki＝130，直流側電壓udc＝600v。

　　首先速度給定設為150rad/s，等到系統穩定以后，再將速度給定設為－150rad/s，觀(guān)察其磁鏈，速度，轉矩，線(xiàn)電流，直流側電流波形。

　　從圖3波形可以看出，異步電動(dòng)機處于加速減速反轉等運行狀態(tài)，從正向加速到回饋制動(dòng)，最后到反向加速至穩定狀態(tài)，實(shí)現異步電動(dòng)機的四象限特性。

        5 結束語(yǔ)

　　我國礦用蓄電池電機車(chē)多數采用的是直流電動(dòng)機串電阻調速，若是課題的成功得以順利的應用于煤礦實(shí)際中，無(wú)論是電機車(chē)的調速性能，牽引能力，承載量和維修量等方面都有全面的提升，另外，從經(jīng)濟效益出發(fā)，蓄電池電機車(chē)利用制動(dòng)對蓄電池進(jìn)行充電，節約了大量的電能，延長(cháng)蓄電池電機車(chē)的工作時(shí)間，減少了蓄電池年平均充電數，延長(cháng)了蓄電池的使用壽命，大大提高了經(jīng)濟效益。