1 引言

　　礦用電機(jī)車是煤礦工業(yè)的重要運(yùn)輸工具,。由于煤礦井下的工作環(huán)境十分惡劣,，對電機(jī)車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)要求很高。然而,，當(dāng)前礦用電機(jī)車采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、造價昂貴、故障率高,、維修費(fèi)用大的直流電機(jī)驅(qū)動,，調(diào)速系統(tǒng)還是采用的原始落后的電阻降壓調(diào)速方式，這種多級觸頭變阻調(diào)速器常因觸頭產(chǎn)生較強(qiáng)火花而燒損,，所以維修量大,。同時，電機(jī)車帶電阻運(yùn)行導(dǎo)致電能浪費(fèi)很大,。對于高瓦斯礦井,，普遍采用防爆型蓄電池電機(jī)車作為運(yùn)輸材料和矸石的工具。多年來,，蓄電池電機(jī)車一直采用直流電動機(jī)串電阻調(diào)速方式,，從而使20～25%的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費(fèi),。特別是蓄電池電機(jī)車,，由于電能消耗過快，使蓄電池的充電間隔縮短,，蓄電池壽命減少,。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的調(diào)速問題已經(jīng)獲得圓滿的解決,。交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電機(jī)的性能一樣，而且成本和維護(hù)費(fèi)比直流電機(jī)系統(tǒng)更低,，可靠性更高,。用交流電動機(jī)取代直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速勢在必行，并且交流電動機(jī)有著直流電動機(jī)無法比擬的優(yōu)勢,。由于直流調(diào)速帶有電阻器運(yùn)行,，電能消耗較大，交流變頻調(diào)速由于不用高耗能的電阻,，節(jié)電率可達(dá)35%,。如果電機(jī)車設(shè)置成再生回饋制動，可以利用電機(jī)車減速或下坡時將電機(jī)發(fā)出的電能回饋給蓄電池,，這樣可以大大節(jié)約電能,，延長充電時間。

2 異步電動機(jī)的四象限特性及能量再生

　　三相交流異步電機(jī)傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單,、工作可靠,、造價低廉，效率高,，節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn),，因而被廣泛用語蓄電池電機(jī)車的改造工程中。

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

　　電機(jī)車在減速運(yùn)行過程或急剎車時都將發(fā)生能量再生,。先假定三相異步電動機(jī)定子繞組中通以三相電流,，極性為i1a＞0、i1b＜0,、i1c＜0（下標(biāo)：“1”表示定子,，“2”表示轉(zhuǎn)子，字母上加點(diǎn)表示向量），該電流將在電動機(jī)氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布,，并以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁動勢f1,，如圖1。f1先建立氣隙主磁場bm（фm）,，bm是個旋轉(zhuǎn)磁場,。當(dāng)變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)減速運(yùn)行時，旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速no總是先于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降,，即n0m切割定子,、轉(zhuǎn)子繞組，并在定子,、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出定子電動勢e1a,、e1b、e1c和轉(zhuǎn)子電動勢e2a,、e2b,、e2c，于是轉(zhuǎn)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)生了電磁制動轉(zhuǎn)矩,，方向與n0相反，制止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),。i1形成的勵磁磁動勢f1,，i2形成的勵磁磁動勢f2。設(shè)相序?yàn)閍—b—c的定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場為逆時針方向,，由于n0o,。由于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時針旋轉(zhuǎn)，因此f2的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n2=n-△n=no,，方向?yàn)槟鏁r針,，即f1和f2都逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)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(yùn)動,。

　　異步電動機(jī)帶負(fù)載時氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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(jié)果,，即f1=fm+（－f2），此式表示：異步電動機(jī)的定子磁動勢包含兩個分量：產(chǎn)生氣隙主磁通φm的勵磁磁動勢fm和抵消由于轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動勢f2的部分（－f2）,。

　　因?yàn)閚00-n/n＜0,，所以轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢se’2反向,。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉(zhuǎn)子電流的有功分量i’2a《0,，而轉(zhuǎn)子電流的無功分量i’2r》0,。

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

3 電機(jī)車回饋制動的控制

　　電動機(jī)等效電路如圖2所示,。

　　假設(shè)電機(jī)所帶負(fù)載的機(jī)械能基本上被電機(jī)內(nèi)部所消耗，于是有

　　當(dāng)電機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)差率位于范圍時,，系統(tǒng)的機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能向蓄電池回饋,。同時電機(jī)不出現(xiàn)過流，也就是反饋的電能不能被電池吸收的部分,，可以由電機(jī)本身承受消耗而不出現(xiàn)過流當(dāng)轉(zhuǎn)差率變化超過該范圍時,，機(jī)械能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)化的電能無法有效回饋給電池，而剩余部分的能量在電機(jī)的線圈內(nèi)阻中又無法完全消耗,，因此容易出現(xiàn)過流,。所以，從簡化控制的角度出發(fā),，當(dāng)控制轉(zhuǎn)差率在s1≥s≥s2范圍內(nèi)變化時,，再生制動過程就可以避免出現(xiàn)過流。

　　本文提出的再生制動方法在直接轉(zhuǎn)矩控制（dtc）中,。首先觀測定子磁鏈,，控制定子磁鏈的幅值為恒定然后選擇零矢量、非零矢量來調(diào)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)差,，控制輸出轉(zhuǎn)矩恒定,，所以，由磁鏈環(huán)節(jié)觀測定子磁鏈的幅值及相位,，并且選擇矢量控制磁鏈幅值大?。晦D(zhuǎn)矩控制環(huán)節(jié)（與磁鏈控制環(huán)節(jié)相結(jié)合）選擇矢量控制磁鏈的旋轉(zhuǎn)速度,。系統(tǒng)采用了直接轉(zhuǎn)矩控制方式,，其磁鏈控制環(huán)節(jié)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(yùn)行平穩(wěn),。而在直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的再生制動控制,，就是使定子頻率跟蹤轉(zhuǎn)子速度變化，只要能保證轉(zhuǎn)差率的變化范圍,，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在制動過程中不出現(xiàn)過流,。而且制動效果的強(qiáng)弱可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率和定子磁鏈負(fù)值來實(shí)現(xiàn)。

4 仿真結(jié)果

　　對以上建立的新型直接轉(zhuǎn)矩控制異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),。三相逆變器開關(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(yàn)所采用的異步電動機(jī)參數(shù)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(tǒng)參數(shù)：ψ*s=0.95wb,，速度給定為150rad/s，負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定tm＝15n.m,，轉(zhuǎn)矩限幅值為80n.m,，pi調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)kp＝50，積分系數(shù)ki＝130,，直流側(cè)電壓udc＝600v,。

　　首先速度給定設(shè)為150rad/s，等到系統(tǒng)穩(wěn)定以后,，再將速度給定設(shè)為－150rad/s,，觀察其磁鏈，速度,，轉(zhuǎn)矩,，線電流，直流側(cè)電流波形,。

　　從圖3波形可以看出,，異步電動機(jī)處于加速減速反轉(zhuǎn)等運(yùn)行狀態(tài),，從正向加速到回饋制動，最后到反向加速至穩(wěn)定狀態(tài),，實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的四象限特性,。

5 結(jié)束語

　　我國礦用蓄電池電機(jī)車多數(shù)采用的是直流電動機(jī)串電阻調(diào)速，若是課題的成功得以順利的應(yīng)用于煤礦實(shí)際中,，無論是電機(jī)車的調(diào)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(jì)效益出發(fā)，蓄電池電機(jī)車?yán)弥苿訉π铍姵剡M(jìn)行充電,，節(jié)約了大量的電能,，延長蓄電池電機(jī)車的工作時間，減少了蓄電池年平均充電數(shù),，延長了蓄電池的使用壽命，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益,。