交流變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦窄軌機(jī)車運(yùn)輸中的研究與應(yīng)用

孫濤　凌信東

摘 要：該文重點(diǎn)介紹了交流變頻調(diào)速技術(shù)的優(yōu)良性能以及交流變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦窄軌機(jī)車運(yùn)輸中的應(yīng)用。同時(shí)對(duì)煤礦窄軌機(jī)車運(yùn)輸中應(yīng)用交流變頻調(diào)速裝置的基本結(jié)構(gòu)、工作原理做了簡(jiǎn)要說(shuō)明。由于變頻調(diào)速技術(shù)具有啟動(dòng)電壓低、調(diào)速平滑、輸出轉(zhuǎn)矩大、效率高、節(jié)約電能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，鼠籠式交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固耐用、成本低廉、運(yùn)行可靠，易于進(jìn)行變頻控制，與直流電機(jī)相比優(yōu)勢(shì)很明顯。因此，大力推廣交流變頻調(diào)速技術(shù)在煤礦運(yùn)輸中的應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)煤礦電機(jī)車運(yùn)輸科技進(jìn)步具有十分積極的意義。

關(guān)鍵詞：煤礦運(yùn)輸 窄軌機(jī)車 變頻調(diào)速 節(jié)能

中圖分類號(hào)：F290 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（a）-0090-02

1 概述

目前，煤礦窄軌機(jī)車應(yīng)用最廣泛的牽引動(dòng)力源依然是直流電動(dòng)機(jī)，由于直流電動(dòng)機(jī)由恒定的直流電源供電，所以機(jī)車為了保證操作平穩(wěn)，在進(jìn)行起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等活動(dòng)時(shí)，需使用串接電阻進(jìn)行控制。這種調(diào)速方式存在很大弊端，不僅浪費(fèi)電能，而且很容易對(duì)設(shè)備造成損害。而使用交流變頻調(diào)速技術(shù)則效果正好相反，機(jī)車不僅能夠輕松實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)起動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速和再生制動(dòng)，而且大大降低能耗。此外，與直流電動(dòng)機(jī)相比，同功率的交流電動(dòng)機(jī)制造成本要低得多，且變頻器的調(diào)速性能很好，調(diào)速范圍大，靜態(tài)穩(wěn)定性很好，通過它對(duì)交流電動(dòng)機(jī)主電路實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制，使控制器件的操作得到大大簡(jiǎn)化，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

對(duì)于異步電機(jī)來(lái)講，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)涌現(xiàn)大量性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器，它的應(yīng)用將會(huì)變得更加廣泛。

變頻調(diào)速在交流調(diào)速技術(shù)中的優(yōu)勢(shì)十分明顯，它目前已經(jīng)受到煤礦運(yùn)輸行業(yè)的青睞，隨著制造成本的不斷下降、調(diào)速效果的進(jìn)一步提升以及性能與可靠性的日益完善，它必然會(huì)更加受到世人的推崇。

2 窄軌機(jī)車變頻器結(jié)構(gòu)及工作原理

該局推廣應(yīng)用的窄軌電機(jī)車變頻調(diào)速器分為司控箱和主體箱兩大部分。主體箱內(nèi)裝有直流輸入及濾波電路、IGBT三相全橋逆變電路、DTC控制電路三部分。司控箱配有調(diào)速和換向操縱機(jī)構(gòu)，操作主令手輪使主軸變換為無(wú)級(jí)調(diào)速；操作方向手柄可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、零位、后退三檔轉(zhuǎn)換。調(diào)速主令手輪及方向手柄上固定有指針，指針分別指向各自當(dāng)前所在檔位。在控制器底板上安裝有互鎖裝置、磁敏傳感器。

前進(jìn)、后退、牽引和復(fù)位等的信號(hào)給定通過感應(yīng)接近開關(guān)靠近凸輪并輸出開關(guān)信號(hào)來(lái)完成。工作開關(guān)打開后，逆變器會(huì)獲得電源電壓，并給濾波電容充電，充電完畢逆變器控制主接觸器吸合。經(jīng)過主接觸器的高壓進(jìn)入逆變器后，微機(jī)控制器會(huì)依據(jù)司機(jī)操作輸出的信號(hào)，控制IGBT逆變成變頻變壓三相交流電，最終輸出給三相異步電動(dòng)機(jī)。

3 窄軌機(jī)車變頻調(diào)速器優(yōu)異特性

交流電動(dòng)機(jī)主要通過三種方式來(lái)完成調(diào)速：變極調(diào)速、變頻調(diào)速和改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。其中，第二種技術(shù)較其他兩種具有明顯優(yōu)勢(shì)，交流變頻調(diào)速窄軌電機(jī)車，拋棄了陳舊過時(shí)的直流電動(dòng)機(jī)和電阻調(diào)速器，代之以性能可靠的三相鼠籠異步交流電機(jī)和節(jié)電顯著的BPT系列變頻調(diào)速器。DTC變頻調(diào)速技術(shù)具有國(guó)際領(lǐng)先地位，能使三相鼠籠交流電機(jī)達(dá)到和超過直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足電機(jī)車在低速時(shí)的最大起動(dòng)牽引力，而BPT系列直流架線電機(jī)車的變頻調(diào)速技術(shù)正是采用了這種技術(shù)，因而其性能十分優(yōu)越。變頻調(diào)速技術(shù)與傳統(tǒng)直流電阻調(diào)速技術(shù)相比，具有以下特點(diǎn)。

（1）調(diào)速性能更佳。變頻調(diào)速機(jī)車調(diào)速范圍為無(wú)極調(diào)速，最低頻率可調(diào)至0.1 Hz，最低車輪轉(zhuǎn)速可達(dá)到0.5 r/min。可設(shè)定機(jī)車最高車速，即使是在下坡道行駛，機(jī)車不會(huì)超過設(shè)定車速，從而避免超速事故的發(fā)生。

（2）牽引力更大。DTC的控制技術(shù)能夠使機(jī)車起動(dòng)強(qiáng)勁有力，因?yàn)樗耆軌蚴谷嗍蠡\交流電機(jī)達(dá)到和超過直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（最大可達(dá)額定值的300%），滿足電機(jī)車在低速時(shí)的最大起動(dòng)牽引力。不但可使機(jī)車在60‰的大坡道上上行，而且上行過程中僅用零速制動(dòng)功能就能將列車制動(dòng)，即使停止后重新啟動(dòng)也能將重載拉上去。

（3）適合更寬的直流電壓波動(dòng)范圍。額定電壓直流550 V級(jí)的架線變頻調(diào)速電機(jī)車完全適應(yīng)電壓波動(dòng)范圍344～877 V，避免了因直流架線電壓升高而損壞電機(jī)。

（4）變頻調(diào)速電機(jī)車加速和減速全由調(diào)速手柄控制，調(diào)速器的零位即是制動(dòng)位置，減速時(shí)，機(jī)車的高速慣性還在，但電機(jī)會(huì)發(fā)揮制動(dòng)減速作用，電機(jī)和車輪按照調(diào)制的低速運(yùn)行不需用通過閘瓦制動(dòng)車輪減速，閘瓦基本不磨損。

（5）交流變頻調(diào)速窄軌電機(jī)車裝備三相鼠籠異步交流電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)磨損。變頻調(diào)速器控制通過集成電路實(shí)現(xiàn)，無(wú)觸頭、無(wú)接點(diǎn)，基本可以達(dá)到免維修。

（6）交流變頻調(diào)速窄軌電機(jī)車具有低速超強(qiáng)的轉(zhuǎn)矩性能，當(dāng)機(jī)車脫軌時(shí)，可通過墊車輪直接拖拉復(fù)軌，避免復(fù)軌過程可能產(chǎn)生的次生傷害事故。

總之，由于調(diào)速性能良好，范圍大，穩(wěn)定性強(qiáng)，變頻調(diào)速窄軌電機(jī)車，能夠在大大降低電能損耗的同時(shí)，圓滿完成平穩(wěn)起動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速以及再生制動(dòng)的任務(wù)。

通過我局近幾年使用該類型電機(jī)車運(yùn)行情況看，故障率明顯減少，運(yùn)輸效率顯著提高，減少了煤倉(cāng)壓煤，由每天運(yùn)煤2萬(wàn)噸提升到2.5萬(wàn)噸，節(jié)電效果明顯。

4 變頻調(diào)速器關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

（1）直流架線變頻調(diào)速電機(jī)車裝備性能可靠的三相鼠籠異步交流電機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī)。

（2）直流架線變頻調(diào)速電機(jī)車裝備節(jié)電顯著的BPT系列直流架線電機(jī)車變頻調(diào)速器，變頻調(diào)速器采用國(guó)際最先進(jìn)的DTC變頻調(diào)速技術(shù)，采用進(jìn)口原裝全套控制電路和進(jìn)口IGBT模塊元件。

（3）DTC的控制技術(shù)能夠使三相鼠籠交流電機(jī)達(dá)到和超過直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（最大可達(dá)額定值的300%），從而滿足電機(jī)車低速時(shí)所需的最大起動(dòng)牽引力。

5 試驗(yàn)運(yùn)行情況

經(jīng)過礦井運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)踐運(yùn)行，由于調(diào)速性能良好，范圍大，穩(wěn)定性強(qiáng)，變頻調(diào)速窄軌電機(jī)車，能夠在大大降低電能損耗的同時(shí)，圓滿完成平穩(wěn)起動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速以及再生制動(dòng)的任務(wù)。能加快車輛的周轉(zhuǎn)，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，有效防止機(jī)車運(yùn)輸事故的發(fā)生，因而具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值，可為礦井帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（1）經(jīng)濟(jì)效益：變頻調(diào)速器能節(jié)省35%的電能消耗，按10噸窄軌電機(jī)車每天運(yùn)行18 h計(jì)算，每天可節(jié)省277.2 kWh電，如果電費(fèi)按0.5/kWh計(jì)算，日節(jié)電費(fèi)138.6元/kWh，一年節(jié)電費(fèi)50589元；采用交流電機(jī)，其轉(zhuǎn)子不損壞，調(diào)速器基本不需要維修，閘瓦基本無(wú)需更換，一年節(jié)約的材料費(fèi)工時(shí)費(fèi)可達(dá)10000元。

（2）社會(huì)效益：交流變頻調(diào)速窄軌電機(jī)車，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)起動(dòng)、無(wú)級(jí)調(diào)速以及再生制動(dòng)，能加快礦井運(yùn)輸車輛的周轉(zhuǎn)，提高運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本，有效防止機(jī)車運(yùn)輸事故的發(fā)生，保證機(jī)車運(yùn)輸安全。

6 結(jié)語(yǔ)

煤礦窄軌機(jī)車運(yùn)輸一直以來(lái)采用的直流電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)過高、耐潮性差、故障多發(fā)、維修頻繁等不足，而且煤礦大量電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)還采用電阻降壓調(diào)速方式，這種觸頭式電阻調(diào)速機(jī)車不僅維修量大，而且因帶電阻運(yùn)行電能浪費(fèi)大。與直流電機(jī)相比，使用變頻控制效率高、輸出轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速平滑。因此，變頻調(diào)速技術(shù)推廣應(yīng)用對(duì)于提高礦井運(yùn)輸效率，降低運(yùn)輸成本具有積極意義。對(duì)于異步電機(jī)來(lái)講，交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展前景十分廣闊，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，會(huì)涌現(xiàn)大量性能可靠、匹配完善、價(jià)格便宜的變頻器，它的應(yīng)用將會(huì)變得更加廣泛。

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