DTC變頻技術(shù)在煤礦電機(jī)車(chē)上的應(yīng)用

楊運(yùn)海

摘 要：簡(jiǎn)述了變頻技術(shù)的控制方式，分析了DTC變頻技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用，探討了DTC變頻技術(shù)在煤礦電機(jī)車(chē)上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：DTC 變頻技術(shù) 電機(jī)車(chē) 應(yīng)用

一、變頻技術(shù)的控制方式

隨著信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)日臻完善，在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從變頻設(shè)備控制方式基本可以分為V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。

1、V/F控制

對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，只要改變電源頻率，就可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)速目的。但是，當(dāng)電機(jī)電源頻率改變時(shí)，電機(jī)內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵(lì)磁電流的變化，使電機(jī)出現(xiàn)勵(lì)磁不足或勵(lì)磁過(guò)強(qiáng)，造成電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足或出現(xiàn)磁飽和，造成電機(jī)功率因數(shù)和效率下降。因此，為得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，必須保持電動(dòng)機(jī)磁通不變，需要控制電壓和頻率，使V/F等于常量，即所謂V/F控制。

2、轉(zhuǎn)差頻率控制

V/F控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于是開(kāi)環(huán)控制方式，其精度和動(dòng)態(tài)特性都不理想。尤其是低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大調(diào)速范圍。若在對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行控制中，能夠像控制直流電機(jī)那樣，用直接控制電樞電流的方法控制轉(zhuǎn)矩，就能得到與直流電動(dòng)機(jī)同樣的靜、動(dòng)態(tài)特性。而轉(zhuǎn)差頻率控制就是這樣一種直接控制轉(zhuǎn)矩的方法。

3、矢量控制

矢量控制是將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）并分別加以控制。由于這種控制方式必須同時(shí)控制異步電動(dòng)機(jī)定子電流的幅度和相位，即控制電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制。矢量控制變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的高性能控制，不僅在調(diào)速范圍上與直流調(diào)速相匹敵，而且可以直接控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。所以在工控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

二、DTC變頻技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

變頻技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，使日趨完善的矢量控制技術(shù)在交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，也使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過(guò)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。

八十年代中期，德國(guó)魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授提出了不同于矢量控制的另外一種交流電機(jī)調(diào)速控制原理—直接轉(zhuǎn)矩控制（簡(jiǎn)稱DTC），與矢量控制相比，具有以下不同特點(diǎn)：

不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，有靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈；

采用砰-砰控制；

DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用 。

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快 。

DTC的出現(xiàn)引起國(guó)內(nèi)不少高校對(duì)交流電機(jī)控制理論的研究，對(duì)DTC理論與實(shí)踐作出了貢獻(xiàn)。DTC在中國(guó)應(yīng)用初期，人們的視角多集中在DTC的不用旋轉(zhuǎn)變換和砰-砰控制上。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，矢量控制的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)已不成為問(wèn)題，而由于DTC技術(shù)應(yīng)用實(shí)例僅局限于GTO電壓型變頻器的機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)，使得國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和變頻器制造商沒(méi)有條件對(duì)實(shí)用的DTC技術(shù)以及DTC變頻器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行深入研究。

DTC變頻技術(shù)采用砰-砰控制帶來(lái)較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，適用于交流伺服傳動(dòng)、機(jī)車(chē)牽引等控制系統(tǒng)。

三、DTC變頻技術(shù)在煤礦電機(jī)車(chē)上的應(yīng)用

電機(jī)車(chē)是煤礦生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)主要設(shè)備，普通礦用架線式電機(jī)車(chē)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，存在直流電機(jī)損壞率高、觸頭式司控器維修量大、降壓電阻耗能高等問(wèn)題，而DTC變頻技術(shù)在牽引機(jī)車(chē)所表現(xiàn)的優(yōu)越性能，非常適于礦用架線式電機(jī)車(chē)的改造。

礦用架線電機(jī)車(chē)改造，是在主體機(jī)械結(jié)構(gòu)保持不變的基礎(chǔ)上，將原機(jī)車(chē)上的直流電機(jī)更換為三相異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)車(chē)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流傳動(dòng)技術(shù)，司控器改為相應(yīng)的變頻司控器。變頻器采用隔爆兼本安型變頻調(diào)速裝置，它是一種集變頻調(diào)速技術(shù)和電氣防爆技術(shù)于一體，用于有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所電機(jī)調(diào)速的產(chǎn)品。具有多種控制和保護(hù)功能，以全新的設(shè)計(jì)線路，將變頻技術(shù)、中壓三電平技術(shù)、隔爆及本質(zhì)安全技術(shù)相結(jié)合，采用國(guó)際最先進(jìn)的DTC低速高轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速技術(shù)，將電網(wǎng)直流電通過(guò)大功率IGBT元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。由于采用DTC控制技術(shù)，使三相異步電動(dòng)機(jī)大大超過(guò)直流電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和牽引特性，使機(jī)車(chē)帶重載起動(dòng)強(qiáng)勁有力。

四、改造前后效果比較

（一）礦用架線式電機(jī)車(chē)在改造前存在主要問(wèn)題

1、直流牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子線圈易因絕緣下降、過(guò)流，轉(zhuǎn)子換向銅頭磨損，碳刷磨耗，碳粉清理不及時(shí)等原因燒損，故障率高、易損件經(jīng)常更換，維修費(fèi)用大。

2、控制器的接觸組觸頭、截片易在通、斷操作過(guò)程中拉弧燒損，要經(jīng)常打磨甚至更換，維修量很大。

3、直流牽引電阻調(diào)速機(jī)車(chē)或斬波調(diào)速機(jī)車(chē)，沒(méi)有在下坡道運(yùn)行對(duì)牽引電網(wǎng)發(fā)電反饋功能，所以直流牽引架線式電阻調(diào)速機(jī)車(chē)，在啟動(dòng)和減速制動(dòng)過(guò)程中的電力白白消耗在電阻上而造成浪費(fèi)。

4、直流電阻調(diào)速機(jī)車(chē)有級(jí)調(diào)速對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)有沖擊力，極易造成齒輪的損壞。手制動(dòng)使用頻繁，閘瓦磨損快，經(jīng)常需要更換。牽引電機(jī)及配件、啟動(dòng)電阻故障率高，維修量大。

（二）采用DTC變頻技術(shù)對(duì)礦用電機(jī)車(chē)進(jìn)行改造后，整體性能明顯提高

1.增強(qiáng)牽引電機(jī)可靠性

三相異步變頻調(diào)速電機(jī)，可靠性高，鼠籠式轉(zhuǎn)子沒(méi)有換向銅頭和線圈，密閉性好，不易因潮濕等原因降低絕緣而損壞，沒(méi)有碳刷的消耗，維修量小，故障率低，運(yùn)行費(fèi)用少。

2.減少控制器維修量

變頻調(diào)速控制器的換向、調(diào)速是由無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)和長(zhǎng)壽命電位器等組成，維修量小。

3.增大牽引力及爬坡能力

直流牽引電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化而變化，過(guò)載能力小，相同粘著條件牽引力小。只適用于11‰以下坡度線路上運(yùn)行，沒(méi)有零速制動(dòng)功能，在大坡度軌道上停車(chē)，手動(dòng)制動(dòng)時(shí)間來(lái)不及，可能造成向下滑行。交流牽引電動(dòng)機(jī)采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制，使機(jī)車(chē)在相同的粘著條件下具有較大的牽引力，可以牽引車(chē)輛在60‰的坡道上運(yùn)行，自由制動(dòng)停車(chē)和再啟動(dòng)上行。

4.機(jī)車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)維修量小

交流牽引變頻調(diào)速電機(jī)車(chē)，頻率和速度變化，約在5秒內(nèi)緩慢上升，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的沖擊小。在正常運(yùn)行、減速停車(chē)過(guò)程中，手制動(dòng)基本不用，閘瓦近乎無(wú)磨損。交流異步電機(jī)故障率低，維修量小，且免去啟動(dòng)電阻。與傳統(tǒng)直流牽引電機(jī)車(chē)比較，維修量大大減少。

5.經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用DTC變頻技術(shù)對(duì)礦用電機(jī)車(chē)進(jìn)行改造后，與傳統(tǒng)直流電阻調(diào)速機(jī)車(chē)相比，耗電量明顯降低，節(jié)電率可達(dá)35%以上，并且減少了機(jī)車(chē)維修量和運(yùn)行成本。以7噸架線電機(jī)車(chē)為例，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率2×22kw，每天運(yùn)行18小時(shí)，年節(jié)電11.3萬(wàn)kwh。公司已完成改造17臺(tái)電機(jī)車(chē)，每年可節(jié)電192萬(wàn)kwh，減少機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)調(diào)速器及閘瓦的維修材料費(fèi)及工時(shí)費(fèi)25.5萬(wàn)元。