变频电机车的应用
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摘要： 文章由矿用直流架线式电机车存在问题入手，基于变频调速的方向探讨电机车的改造方案，再将直流电阻调速电机车与交流牵引变频调速电机车作对比，凸显变频调速电机车的性能及优势，为变频电机车在矿井作业中的应用打下良好的理论基础。
关键词： 直流架线式电机车;问题;改造方案;交流变频调速电机车
引言
直流架线式电机车是矿井重要的运输设备，机车牵引电机通常采用一两台直流串激电动机作为牵引动力。为控制起动电流，初步起动时先以串联的方式连接两台电机，并将最大的起动限流电阻串联在回路上。启动后电机的转速逐步增加，操作者逐步切断电阻，再以并联的方式接入电机。此时一定要接入起动电阻，再逐步将电阻切断，当电阻完全切除时电机车便可全速运行。电机通过能耗制动，就是切断电机的工作电源，将其接成串激发电机然后将电阻以串联的方式接入。此时电机将电机车的惯性功能转换为电能消耗在电阻上，电机车就能加速停车。制动力矩的调节可通过改变制动电阻阻值来实现。而通常都要借助控制器来切换各线路。控制器由主控制器鼓与换向两大元部件构成。电机车前后运行主要由换向鼓来操控。而两台电动机的串联或并联，电阻的接入与切换，以及电动机接成能耗制动的操作则要通过主控制器鼓来实现。但随着技术提升，交流变频调速系统越来越多的被应用到矿用电机车中。
1 直流架线式电机车存在的问题
①直流电动机构造复杂，制造成本高，不耐潮，而且转子上有线圈和易磨损的炭刷，运行时故障频出，备件和维修成本都较高;
②通过司车头控制器的切换来调控速度，平滑性不好，而且仅能通过零档与1档的切换实现低速运行，触头烧蚀现象频繁出现，常常破坏生产秩序;
③控制器接地或接触不良导致设备单机运行或出现电气制动失灵的问题，安全运行无保障;
④电阻降压调速带电阻动行，电能消耗量大，节能效果差。
2 装置改造的必要性
井下作业环境比较特殊化，电机车没有好的运行环境，运行时电网电压往往出现大的波动，架线线路高低错落，致使受电弓子频繁跳动。铺设的运输铁轨低洼错落，而且回馈线电阻也会因铁轨接洽处处理不当而造成电阻阻值变大，线路的电压随着与变电站距离的拉大而逐渐减小。通常井下多弯道、漏斗和无电区，车斗只经过简单的连接，运行时发生碰撞产生较大的冲击力。这些都是直流架线式电机车井下运行所要面临的问题。为此可采取以下措施解决这些问题：
①为控制改造时的成本投入比例，节省施工时间，经改造的电机车工作电源仍然在直流架线下工作，同时可根据原有尺寸安装三相交流电动机机座和机轮，允许互换安装;
②为适应多弯道的井下作业，电机车经改造后最小牵引力可达到2.2KN;
③在架线弓子瞬时断电时，恢复后能够迅速起动;
④电机车经改造后，机车故障减少，稳定性有了保障，节省了一大笔维修费用;
⑤备件消耗小，造价得到有效控制;
⑥耗电量减少，节能效果良好。
3 改造方案的选择
最近几年，电力电子技术和PLC技术及IGBT功率期间迅速发展，变频调速技术作为交流电机重要的调速方式也取得了很大的进步。变频器的功能是调控交流电动机的转速。特别是直接转矩控制(DTC)变频器，其变频调速技术可以说首屈一指，是现阶段业界普遍认可的最佳调速方式，目前已广泛应用与电梯、造纸、冶金、港口机械和矿产等诸多行业。变频器的调速性能不必多说，相较于直流调阻电机车或直流斩波电机车来说，变频器显著的节能功效值得一提。
4 改造系统的原理
①系统组成。经改造的系统，原有的直流调阻系统DTC变频调速器所取代，三相交流异步电动机代替了原有的直流电动机。
②系统原理。DTC变频调速技术，是通过空间电压矢量PWM直接控制磁链和转矩，确定逆变器的开关状态来实现的。异步电动机的转矩同逆变器输出电压矢量控制逆变器的.开关策略通过开关信号选择单元给出，电动机的定子电流、母线电压同检测单元测出后经坐标变换器变换到模型所用的d-P坐标系下，再与转速信号一起作为电动机模型的输入，计算出磁链、转矩;将模型磁链幅值、转速值和转矩值与设定的输入量作比照后分别送至相应的调节器，经两点式调节输出相应的磁链和转矩开关量，这个量作为开关信号选择单元输入，以选择适当开关状态来完成直接转矩控制。
它完全能够使三相鼠笼异步电动机达到和超过直流电动机的起动转矩零转速满转矩起动，转矩可达到150%以上，最大转矩为200%，可满足电机车在低速时的最大起动牵引力，使机车强劲有力，是目前最先进的交流异步电机的控制方式。这对井下环境恶省，轨道转弯多、弧度小非常有力。改造后的交流变频调速电机车采用结构简单、性能可靠的三相鼠笼异步电动机和节电显著的以英威腾GD300-22G变频调速器为主机的控制系统，与原有的电机车控制系统相比，具有牵引力大、运能高;安全性、操控性、舒适性大幅提高;维护费用低、无故障运行时间长;节能效果显著四大优点。新系统使机车牵引力可提高150-200%，实现无级调速，节能效果显著。3吨交流牵引力电机车改造完毕后，可达到5吨直流牵引力电机车的牵引力并实行节能与安全制动兼顾，节电效果比原配置直流系统高25-35%。
5 直流电阻调速电机车与交流牵引变频调速电机车比较
①司控器部分易损部件：司控器部分的年维修费用： 2000元/年。相比较：交流变频电机车，则没有这方面的维修量，节省了这方面的维修费用。
②直流电机部分易损部件：直流电机部分的年维修费用：在1.5万元～2万元(包括大修转子)。相比较：交流变频电机车，交流电机的维修费用很小、维修量也小、使用寿命长、与直流电机比较价格低。
③调速电阻器 直流电阻调速电机车制动部分年维修费用：(180×4)×6+700=5020元。相比较：交流变频调速电机车采用再生制动，基本不用手动制动。可以节省下这部分费用。
6 交流变频调速电机车与直流电机车相比较显著特点是节省能耗
①由于交流变频调速电机车采用的是DTC直接转矩控制，而电阻调速电机车利用(加、甩)电阻耗能进行调速，所以电阻调速电机车比交流变频调速电机车能耗要大35%左右。②交流变频调速电机车启动力矩大(可达到300%)，直流电阻调速电机车启动力矩小(最高只能达到180%)。
③交流变频调速电机车在上坡道可以任意停车再启动运行，下坡道可以设定任意速度行驶，避免了飞车。变频调速电机车可以在60‰的坡道上运行，而电阻调速直流电机车只能在小于11‰的坡道上运行。
④直流电阻调速电机车，尤其在频繁启动(加、甩电阻换档)时，架线上的电能都在电阻上发热白白消耗掉了，而采用DTC控制的交流变频调速电机车则不存在这个问题。
⑤从牵引力方面比较：电阻调速直流电机车特性软，交流变频调速电机车特性硬，相同黏着条件下直流牵引电机车牵引力小。
7 结论
①每台直流电阻调速电机车每年的耗材及维修费用大约是25000元(包括更换直流电机转子)。采用交流变频调速电机车节约电费大约50600元/年。②与直流电机车相比较，采用交流变频调速电机车。每年每台机车可以节约综合费用大约6万元左右。如果改造一台七吨电机车一次投资的费用一年半便可收回。
参考文献：
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