550 V 架線式電機車調速系統的改造與驗證

郭江瑜

（西山煤電西銘礦運輸科運輸二隊， 山西 太原 030053）

引言

綜采工作面運輸設備的牽引性能直接決定著煤炭的運輸效率，間接決定著井下煤炭的開采效率。電機車分為架線式電機車和蓄電池電機車，架線式電車主要以直流傳動為主，其調速方式以電阻和斬波調速為主。實踐表明，電阻調速系統在啟動階段的能耗較大，容易對工作面電網設備造成沖擊；而斬波調速系統在實際應用存在失控的現象[1]。因此，綜合當前交流電機相對于直流電機的優勢且交流調速技術不斷成熟的現狀，將交流調速系統應用于架線式電機車調速系統中，實現對其調速系統的改造。

1 架線式電機車調速系統存在問題

目前，550 V 架線式電機車是基于機械構件接觸與否進行切換，實現對電機在串聯與并聯之間的切換，實現調速電阻的串聯或者并聯，從而實現對電機車端電機的調節，以實現對電機車速度的控制。基于上述電阻調速技術能夠實現對電機車8-13 級速度的控制。由于電阻調速技術所能控制速度的跨度較大，會對設備造成較大的沖擊，加劇設備機械構件的磨損[2]。加之，在實際生產中由于作業人員操作不當，電阻調速技術往往會影響電機車的工作性能，具體總結如下：

1）基于電阻調速技術僅能夠實現對設備的有級調速，從而造成設備在啟動階段力矩較大，導致設備運行不穩，制約著煤炭工作面的運輸效率；

2）鑒于其調速為有級調速，導致設備在不同速度切換時電流較大，使得設備零部件構件的磨損嚴重，無形中增加了設備的維修費用；

3）電阻調速技術對電機電路中電壓、電流異常保護功能不全，導致電機車電機出現故障時，無法實現自我保護，從而導致更嚴重的事故發生。

4）為了滿足電機車在啟動階段低速、大轉矩的要求，此時串入電阻的電流值過大，從而消耗大量的電能。盡管電機車速度穩定后設備電阻全部切除，但在實際運行中依然為帶電阻運行，從而造成電能的極大浪費。

2 變頻調速控制原理

本文以550 V 架線式電機車為研究對象，該電機車由550 V 電網為其提供直流電源，基于該電機車變頻器將直流電轉化為交流電，為設備電機提供動力，電機轉動帶動聯軸器和減速器轉動，最終將動力傳送至電機車車軸上。

交流變頻調速的控制原理如式（1）所示：

式中，n為架線式電機車交流電機轉速；f為交流電機供電頻率；p為架線式電機車電動機極對數；s為架線式電機車電動機的轉差率。

如式（1）所示，所謂變頻調速為在電動機極對數、轉差率一定的前提下，通過改變架線式電機車的供電頻率實現對其轉速的調整。而且，在其他領域已證實變頻調速技術具備如下優勢：調速平滑性好、調速范圍大、節能效果好以及維修簡單等，更重要的是基于變頻調速系統能夠更容易提升架線式電機車的自動化水平[3]。因此，針對當前架線式電機車調速系統現狀，基于變頻調速技術對其進行改造。

3 架線式電機車變頻調速系統的改造設計

電機車變頻調速系統的實現在很大程度上是由其控制器決定，其控制器的性能主要由其硬件設備性能和軟件程序共同決定。綜合分析550 V 架線式電機車的應用環境的特點、牽引特性以及交流變頻調速原理，本文基于DSP 控制的異步電機VVVF 交流變頻調速系統實現對當前電阻調速系統的改造。

目前，應用于工業控制系統的主要控制器類型包括有微控制器和DSP 數字控制器。鑒于綜采工作面的環境相對惡劣，且干擾因素眾多。因此，選用基于DSP 的數字控制系統，該控制系統結構如圖1 所示。

圖1 基于DSP 數字控制器結構示意圖

以如圖1 所示的DSP 數字控制器為基礎，以TMS320F2812 的數字處理器為核心，同時采用三菱公司的智能功率模塊實現對架線式電機車過壓、欠壓（電壓檢測電路）、過電流（電流檢測電路）以及過溫等保護功能?，F場檢測設備對電機電流及轉速（轉速檢測電路）進行實時監測，并根據電機車的實時運行狀態和理想運行狀態對電機轉速進行實時控制[4]。此外，DSP 控制器還能夠對現場設備運行參數實時顯示，具備上位機與下位機的通信功能。

變頻器作為該調速系統的核心硬件，本系統所選用的變頻器為基于PWM 控制技術的牽引變頻器，與其相匹配的硬件設施參數如表1 所示。

表1 變頻調速系統硬件設施參數

4 架線式電機車變頻調速系統的效果

為對本文基于DSP 數字控制器設計所得變頻調速系統的性能進行測試和驗證，特設計相應的試驗系統，該試驗系統硬件平臺示意圖如圖2 所示。

基于如圖2 所示硬件平臺的試驗系統，對變頻調速系統的電氣性能和熱性能進行驗證，結果如下：

1）該變頻調速系統由于采用了相應的死區補償措施，確保在啟動和制動工況時電機相電流不存在振蕩現象[5]，從而保證電機在啟動階段不會出現過電流保護的情況，即能夠穩定啟動且啟動電流為正弦波。說明，該變頻調速系統具有較為理想的啟動和制動性能。

2）變頻調速設備尤其是變頻器的散熱尤為重要，通過對該調速系統的溫升試驗可知，當系統運行2 h 后設備的發熱情況處于相對穩定的狀態，且變頻器散熱器表面的溫度為26℃，滿足《煤炭安全規程》中的相關標準要求。

圖2 試驗系統硬件平臺示意圖