（电力电子与电力传动专业论文）蓄电池机车脉宽调速装置的研究.pdf

安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t a i m i n g a tt h e r e s h o n c o m i n g s o ft h et w o s p e e dr e g u l a t i n gm e m o d s ， s w i t c h i n r e s i s t e r s - r e g u l a t i o na n dd cp u l s e w i d t h - r a g u l a t i o u s i n gs c r ，w h i c ha r e c 眦e n t l yu s e di i l m i n e u s e de l e c t r i cl o c o m o t i v e sp o w e r e db ya c 饥m u l a t o r s ，as p e e d r e g u l a t i n gm e t h o da d o p t i n gan e wt y p ei n t e l l i g c n tp o w e rm o d l l l e ( 1 p m ) a sac h o p p e ri s d e s i g n e di nt h i sr e s e a r c h n o to n l yt l l i sm e t t l o do v e r c 姗et h ed i s a d v a n t a g eo fd i s c r e t e s p c e d so fs w i t c h i i l r e s i s t e r s r e g u l a t i o ，e n l a r g e dt h e 仃e q u e n c yo fc h o 卯i n g ，e n a b l e d t h ec o n t i n u o u ss p e e dr e g u l a t i n ga n dd e c i 弓a s e dt i l ep o w e rc o n s u m p t i o n ，b u ta l s oi t i n l p r o v e dt h es y s t e mp e r f b r m a n c ed u et ot h ed o u b l e l o o pf e e d b a c kp ir e g u l a t i o no f c u 玎e n ta n ds p e e d t h i sd i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e so nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc h o p p i n gs p e e d r e g u l a t i n g i nm i n e u s e de l e c 仃i c1 0 c o m o t i v e sp o w e r e db ya c c l l m u l a t o r s ，p r e s e n t st h et o p o l o g i c a l s t m c t u r eo ft h ep r i m a r yc i r c u i to ft h es y s t e ma l l di t s p r i i l c i p l e t h e 廿a c t i o n c h m c t e r i s t i ca n dt h eb r a k ec h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o ra r e 曲t a i n e da n dt h ep a r 锄e t e r s o ft h ep r i m a r yc i r c u i ta r eg j v e n t h ei n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l ei sa d o p t e dt or e p l a c et h e o l d - t y p e ds c r t h ec h o pf r e q u e n c yr e a c h e st o2 k h z p r o f i t i n gf r o mt h eg ，e a t l y s i m p l i f i e dh a r d w a r ew i t ht l l ei n t e g r a t e dd r i v i n ga n dt h ev a r i o u sp r o t e c t i o n s ，t h es y s t e m p e r f o 瑚a l l c ei si m p r o v e da i l dt h ec o n t m sc o n v e n i e n t n es p e c i a lc h i p8 7 c 1 9 6 m c m a d eb yi n t e lc o m p a n yi su s e da sa n t r 0 1 l e ri 芏lm ed e s i g n i tr e a l i z e dt h ec o m m l f i l n c t i o no ft h es y s t e ma l l di tc a nm e e tt h en e e d so fr e a l t i m ec o n t m l f i n a l l yas i m u l a t i o nm o d u l ei ss e tu pa n dt h es y s t e mi ss i m u l a t e dw j t hm a t l a b 1 h e s i n l u l a t i o nr c s u l ti n d i c a t e st h a tt h ee f f e c to fd e s i g ns y s t e mi sp e 疵c t 1 1 1 ed e s i 印e d s y s t 锄m n sr e l i a b l yi nm el a b ，w h i c hm a k es u r et h a tt h cd e s i g ni sf e a s i b l e f i g u r c 【5 4 】t a b l e 【2 】r c f e r e l e 【4 0 】 k e y w o r d s ： m i n e - u s e de l e c t r i cl o m o t i v e s i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( 口 9 b u c k c h o p p i n g 8 7 c 1 9 6 m c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：而砭瓒一签字日期：蜥多肛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王盔堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡三太堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为安徽理工大学。 学位论文作者鲐力啦锄鲐主恫毒富 签字日期：胁辞务哲日签字日期：a 柝石月j 日 1 绪论 1 1 选题的背景及意义 1 绪论 矿用蓄电池电机车是煤矿中无架线巷道主要的运输工具，它的适应性、灵活 性、维护简单等特性使得它在煤矿中得到了广泛应用。而直流串励牵引电动机由 于起动性能好、调速范围宽、过载能力强、功率利用充分，以及调速简单，能承 受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速起制动和反转，能满足各种不同的特 殊运行要求等优点而直应用于窄轨工矿电机车上。 除了电动机的选用之外，电机车的最重要的技术问题就是调速和运行控制。 对于电机车的调速最早是采用牵引电动机转子串电阻调速，这种调速属于有级调 速且耗能多效率低。目前我国煤矿中直流蓄电池电机车调速器主要采用两种结构， 即：电阻调速和可控硅脉冲调速。电阻调速的缺点是机车运行时其电阻串联消耗 电能大，触头易损坏，维修量大，经济效益差，调速不平稳；可控硅脉冲调速器 的缺点是可控硅的工作频率低，滤波电抗、滤波电容、换向电抗、换向电容的电 感量很大，体积大( 般分为3 个部分，即电容箱、主电路箱、控制器) ，并且电 路复杂，维修困难。后来随着电力电子的迅速发展，出现了以大功率半导体器件 作为快速开关的直流斩波( 即p w m 脉宽调制) 调速装置。8 0 年代，以晶闸管为功 率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广。但晶闸管斩波 调速器不足之处是其旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生 反压来实现，增加了装置的成本和损耗，而且可靠性低。并且由于晶闸管开、关 断时间比较长和换流使得斩波频率不能太高，电机上力矩脉动和电流脉动比较严 重，因此，直流斩波调速呼唤快速自关断器件。 从电力电子技术的发展来看，每一种新型器件的出现都为电力变换技术的发 展注入了新的活力。它或拓展了电力变换的应用领域，或使相关应用领域的电力 变换装置的性能得到改善。长期以来，人们一直希望能有这样一种电力半导体器 件，它是一种全控器件，正向导通时能稳定通过大电流，关断时能瞬问抽取这股 大的电流；能在高阻断电压状态下长时间工作，而在状态转换时具有极高的开关 速度；无论动态还是静态损耗要尽可能的低。这就是人们常要求电力半导体器件 应具有大电流、高电压、高速开关、低损耗、高频率、高可靠性、体积小的特点。 根据这些要求，许多新器件相继问世：g 1 o 、b j t 、m o s f e t 、m c t 、i g b t 、l p m 。 它们都尽可能地把晶闸管高耐压、低导通损耗的优点和晶体管高稳定、快速关断 安徽理工大学硕j 1 论文 的能力兼容在一起，而这些器件的出现和发展为改造直流机车调速提供了广阔的 发展前景。 智能功率模块( 口m ) 的出现使得这种技术的工程实现更加可靠和可行。采用功 率智能模块( i p m ) 组装的电机车斩波调速装置，具有无级调速、闭环电制动功能且 体积小，电路结构简单，安装调试方便，制动效果好，可显著减少刹车系统的磨 损，延长制动系统各部件的使用寿命和保养周期，对蓄电池机车可节约电能，延 长运行时间；同时，其控制电路采用单片机，计算精确，可靠性高，使车辆起动 快、加速平稳、消除了换流噪音，提高了车辆的运行质量且控制器体积小，操作 方便，改善了司机的工作条件。 然而，到目前为止，传统的g t 0 仍然是我国工矿机车调速应用的最为普遍的 门控半导体器件。采用i p m 和由单片机控制的蓄电池机车智能调速控制装置可以取 代我国目前广泛采用的串电阻调速和可控硅调速，提升煤矿生产的技术水平。本 论文选题的初衷即基于此。 1 2 直流斩波调速的现状 如前所述，到目前为止，传统的g 1 1 0 仍然是我国工矿机车调速应用的最为普遍 的门控半导体器件，其最高研究水平为6 k v 6 k a 以及9 k v 1 0 l a 。8 0 年代问世的绝 缘栅双极晶体管i g b t 是晶体管类器件的佼佼者：它关断时间短( 几个口s ) ，工作频 率高，而且关断过程均匀，应用电路不需要缓冲电路，但目前单管面积有限，为 2 6 c m 2 。i g b t 的最高水平为：单管，3 0 0 0 a 5 0 0 0 v ：模块，1 2 0 奶3 0 0 v ，是目前 1 0 0 k h z 以下各种类型变频器、逆变器应用最普遍、使用最多的元件。i g b t 已被成 功地应用在直流机车调速上，但为了提高其导通电流和工作电压，需将它们进行 串并联，做成模块使用，这无疑增加了设计的难度和制造的复杂性，并使可靠性 降低，损耗过大，若要从不串不并的前提出发，i g b t 在低于1 0 0 0 k w 的功率范围 使用，限制了应用领域。 在电力电子变换电路中，电力电子器件必须有驱动电路、保护电路的配合才 能实现一定的电力控制功能。以往的电力电子器件及其控制电路都是通过集成在 一个芯片上形成所谓的功率集成电路( p i c ) 。这种电力电子器件特别适用于电力 电子技术高频化发展的趋势。由于高度集成化，结构十分紧凑，避免了因分布参 数、保护延迟等带来的一系列问题。近年来，电力电子正在向大功率化、高频化、 模块化、智能化发展。目前使用最多的是采用i g b t 作为功率丌关，将驱动电路、 各种保护电路、接口电路集成在一起的智能功率模块( 口m ) 逐渐成为直流调速的 2 1 绪论 发展趋势。因其具有驱动电路、过载、短路、超温、欠压等保护电路，实现了信 号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积，减轻了重量，又 提高了可靠性，使用维护更加方便，是一种比较理想的斩波器件，也使得以大功 率晶体管作为开关器件的直流脉宽调制p w m 调速成为直流调速系统的主要发展方 向。 目前，p w m 的控制仍以模拟方式为主，即来自电流调节器的控制信号为模拟 信号，脉宽调制器采用的是硬件电路，这种控制方式带来的问题有：控制精度不够 理想、参数修改困难等。随着计算机尤其是单片机技术的发展，数字直流p w m 调 速系统正以其控制简便，控制方案可灵活改变等优点引起人们的重视。另一方面， 大功率器件驱动及保护技术以及p w m 变换结构的研究也日臻完善，这使p w m 直流 调速系统向高电压、大功率容量、集成化、小型化、模块化方向发展。新型电机 控制专用微控制器、d s p 能够完成更快的运算，实现更复杂的控制规律、更快的响 应速度、更优的调节性能和更高的控制精度，为高性能调速系统提供了实现手段。 以高速微处理器为核心的数字控制p w m 直流调速系统具有可靠性高、参数调整方 便、更改控制策略灵活、控制精度高、多机协同工作方便、电磁兼容性好等优点。 本文中采用的i n t e l 公司的8 7 c 1 9 6 m c 单片机是专门用于电机控制的1 6 微处理器，具 有丰富的硬件和软件资源和强大的运算功能。特别其独有的片内波形发生器和 p w m 输出大大简化了系统硬件电路的复杂性和软件开销，提高了系统的可靠性。 综上所述，现代电力电子技术、功率半导体器件、计算机技术的发展，加之 相关的现代控制理论、传感技术、信号处理技术的进步，为大功率p w m 直流斩波 调速系统的实现提供了有力的技术和理论基础。 1 3 拟解决的问题及意义 该系统采用8 7 c 1 9 6 m c 为处理核心，i p m 为功率开关管，外设包括光耦驱动、 电压检测电路、电压电流采样电路、转速检测、l c d 显示器及故障保护电路等组 成。通过单片机实现电机车的脉冲触发、转速给定、检测及停车、制动等功能。 软件部分采用数字p i 算法，实现电流、转速的双闭环结构。 该系统具有以下特点： f 1 1 采用单片机进行控制，简化了电路，提高系统的性能和可靠性。 ( 2 1 控制方案有具有较大的灵活性，可以通过单片机来触发脉冲和实现p i 控 制来代替常规的触发器和调节器的功能。 ( 3 ) 可以实现系统的故障自诊断、自恢复等多种功能，提高系统可靠性。 3 安徽理工大学硕士论文 蓄电池机车的控制系统正朝着智能化、数字化方向发展，融合了当今许多学 科领域的先进技术。本课题是在蓄电池机车用l g b t 斩波器控制系统设计成功的基 础上，作为对新型产品的进一步改进而确定的，课题根据直流电机车斩波器调速 控制系统的要求，使用新型电力电子器件i p m ，运用8 7 c 1 9 6 m c 芯片很强的数据处 理能力，发挥数字控制系统的优势，进一步提高系统的性能。 该系统的实现可以取代目前广泛采用的串电阻调速和可控硅调速，促进电机 车的不断改进，有着广泛的市场前景，带来可观的经济效益。同时，具有无级调 速、闭环电制动功能，体积小，电路结构简单，安装调试方便，制动效果好，可 显著减少刹车系统的磨损，延长制动系统各部件的使用寿命和保养周期，对蓄电 池机车，可节约电能延长运行时间；同时，其控制电路采用单片机，计算精确， 可靠性高，使车辆起动、加速平稳、消除了换流噪音，提高了车辆的运行质量且 控制器体积小，操作方便，改善司机的工作条件。 1 4 论文主要完成的工作 ( 1 ) 阐述了蓄电池机车斩波调速的工作原理，给出了系统的设计方案，介绍了 系统结构、系统组成，进行了参数优化。 ( 2 ) 采用速度、电流双闭环对系统进行控制，建立了系统的数学结构图，建立了 各环节的数学模型。 ( 3 ) 以8 7 c 1 9 6 m c 单片机作为控制器给出了系统软硬件组成并完成了部分程序 的编写和调试。 ( 4 ) 根据系统的设计方案，利用s i m u u n k 工具建立了系统的仿真结构图，进 行了仿真实验，给出了s i m u l 矾k 仿真结果，验证系统设计的可行性。 4 2 盲流斩波理论 2 直流斩波理论 p w m ( 脉宽调制) 变换器又称直流斩波器，是利用功率开关器件实现通断控制， 通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定的直流电源变成平 均值可调的直流电压，亦称d c d c 变换器。p w m ( 脉宽调制) 直流调速系统作为电 力电子技术的一个主要应用领域，电力电子技术、功率半导体器件的发展带动和改 变着直流调速系统的发展。其具有调速性能好、效率高、体积小、重量轻等优点， 随着电力电子技术的进步和功率半导体器件的发展，得到越来越广泛的应用。 与v _ m 调速系统相比，p w m 直流调速系统有以下优点； 1 ) 采用全控型器件的p w m 直流调速系统，其脉宽调制电路开关频率高，系统频 带宽，响应速度快，动态抗干扰能力强； 2 1 由于开关频率高，仅靠电动机电枢电感的滤波作用就能获得脉动很小的直流电 流，电机的低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，同时电机的损耗和发热都比较 ，j 、； 3 ) p w m 直流调速系统中功率开关器件损耗小，系统效率高。 4 ) 功率电路所需要的器件少，线路简单，控制方便。 2 1 直流脉宽调速的工作原理 直流电动机转速公式为： 厅：挚( r m i n )( 2 1 ) c 。驴 比n 一电枢端电压( v ) ，n 一电枢电流( a ) r 一电枢回路总电阻( q ) 中一每极磁通量( w b ) 由( 2 1 ) 式可知，直流电机转速n 的控制有三种 ( 1 ) 调节电枢电压“。： 5 安徽理工人学硕士论文 ( 2 ) 改变电机主磁通，n ( 3 ) 改变电枢电路电阻r 。 直流斩波器主要有降压斩波器和升压斩波器，其它的任何拓扑结构都是在此基 础上演变而来的。 图1 直流斩波电路原理图 f i 9 1 b u c k c h o p p i n gp 血c i p l ec i r c u i t 图1 是斩波调速原理图。在直流电源u 。与电动机m 之间接一个理想开关s ， 如使开关s 周期性的快速通断电动机回路，并且每次通断的周期t 十分短，远小 于电动机m 的机电常数，则电动机的运转不会受到电源电压断续的影响，这样电 机两端所得电压将是一系列的脉冲电压，其波形如图3 所示，图2 是等值电路，其 中l m 是包括平波电抗器与电动机各绕组电感的总电感，r u 是总电阻，而e 。是电 动机的反电势。对于工作在磁化曲线饱和的区段，电机磁通基本保持不变，因而为 常数。 图2 中的二极管d f 在s 断开时，为电机的电枢电流i m 提供续流通道。 当开关s 闭合期间( 该段时间用t 呲表示) ，电枢电流i m 从初始i m m i n 按指数规 律上升至终值i m 。，由于l m 足够大，使得i m 的变化近似于线性，因此图3 中近 似用直线表示。在此期间，电压平衡关系如下： 乱_ ；l f 鲁“”+ ( 2 2 ) 可见，在o t 4 2 _ 3p w m 变换器的数学模型 ( 4 1 2 ) ( 4 1 3 ) 当控制电压u 。改变时，p w m 变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。 因此p w m 变化器可以看成是一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期 t ，当整个系统开环频率特性满足下式时： s 刍 ( a 一4 ) 可将滞后环节看成是一阶惯性环节，因此p w m 变换器的传递函数可近似看成： 4 调速系统的控制方案 舶) ；志 式中，k ，一p w m 变换器的放大倍数 所以双闭环调速系统的动态结构图为： 吨o l l l 二。 1 l ! ! ! 、 ( 4 1 5 ) 图2 3 双刚环调速系统的动态结构图 f i 9 2 3d y n a l i cs t r u c t u a ld i a g r 锄o f d o u b l e 一1 0 0 ps p e e dr e g u l a t i n gs y s t e m 4 3 转速、电流双闭环调速系统的静态、动态特性分析 由于转速和电流调节器都采用p i 调节器，所以系统处于稳态时，转速和电流 均为无静差，分析静态特性的关键是掌握具有限幅待性的p i 调节器在稳态时的特 性。输出限幅( 饱和) 时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向 的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出 的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和( 未达到限幅) 时，才能起调节 作用。 实际上，对于双闭环系统不论起动或稳念运行时、电流调节器是不会达到饱 和状态的。只有转速调节器存在饱和与不饱和两种情况。闭环系统的静特性可分 为二段： ( 1 ) 转速调节器不饱和：系统处于正常负载运行时，两个调节器都不会饱和， 依靠转速调节器的调节作用达到转速的无静差，保证系统具有很硬的特性。在此 段内，电流调节器起辅助作用，负载电流大小与电流给定值成f 比。系统处于稳 态时，两个调节器输入偏差电压都为零。 ( 2 ) 转速调节器饱和：当负载转矩加大，达到设定的最大电流以后，转速降低， 转速偏差增大，使转速调节器的输出达到饱和值，转速外环呈开环状态，转速的 变化对系统不再产生影响，双闭环系统变成一个恒电流无静差的单环调节系统。 安徽理工大学硕士论文 在最大电流的给定电压值下，依靠电流环的自动调节，从而获得很好的下垂特性， 起到了过流保护作用。最大电流是由设计者选定的，取决于电动机的容许过载能 力和拖动系统允许的最大加速度。 由于突加给定的动态过程是衡量系统性能的重要因素，对于所要设计的双闭 环系统，在突加给定的启动过程中，转速调节器输出电压、电流调节器输出电 压、电动机电枢电流和转速动态响应过程分为三个阶段： 第一阶段为电流上升阶段：突加给定电压后，由于电动机的机电惯性较大，转 速增长较慢，转速调节器的输入偏差的数值较大，使转速调节器的输出迅速达到 饱和值，该饱和值作为电流调节器的输入给定，使电流调节器的输出、电枢电流 迅速上升，当电枢电流 负载电流后，电动机开始起动。因为电流反馈信号随着电 枢电流的上升迅速增大，使电流调节器的输出偏差急剧减少，电流调节器的输出 电压还还达不到饱和值。当电流上升到接近设计时所选定的最大值时，电流反馈 电压与最大电流给定电压几乎相等，并保持动态平衡，转速负反馈就是按此要求 确定的。 第二阶段为电流升速阶段：从电流升到最大值开始，到转速升到给定值为止， 属于恒流升速阶段。这是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，由于转速低于 给定值，转速调节器一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统只有电流环工 作，表现为电流恒值的调节系统。此时由于基本上保持电流恒定，因而拖动系统 的加速度恒定，转速呈线性增长。随着转速的上升，直流电动机的反电动势e 也按 线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，使电 枢电流略低于最大电枢电流值，反馈电压也略有下降，出现偏差，电流调节器及 时进行恒流调节。也就是说，为了克服这个扰动，电流调节器的输出电压也必须 基本上按线性增长，才能保持电枢电流的恒定，获得“时间最佳”起动。在整个 起动过程中，电流调节器的输出是不应该饱和的，这就决定了其时间常数的选择， 不应当让电流调节器的时间常数比调节对象的时间常数t l 小得太多。 第三阶段为转速调节阶段：转速调节器在这个阶段中者发挥作用，当转速上升 到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，转速调节器的输入偏差电为零， 但其输出由于积分保持作用还维持在限幅值上，所以直流电动机仍在最大电流下 继续加速，必然使转速超调。转速超调后，由于在速度调节器的入口出现负的偏 差电压，使速度调节器退出饱和状态，其输出电压也就是电流调节器的电流给定 立即从限幅值降下来，主回路电流也随之从虽大电流下降。但是，由于电枢电流 仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升，到电枢电流小于负载电流时， 4 调速系统的控制方案 电机者开始在负载的阻力下减速，直到稳定( 如果系统的动态品质不好，可能需要 振动几次才能稳定) 。在这个阶段中，转速调节器和电流调节器同时发挥作用，由 于转速调节器在外环，自处于主导地位，而电流调节器则是力图使电枢电流尽快 地跟随速度调节器输出电压信号，电流调节器构成的内环是一个电流随动系统。 综上所述可看出，转速、电流双闭环调速系统，在突加阶跃给定的起动过程 中，转速调节器处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统巧妙地利用了转速 调节器的饱和非线性，使系统成