地下鎢礦山直流牽引電機車交流變頻技術(shù)應用研究

楊文龍， 劉柏祿， 張文忠， 趙志剛

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西鐵山垅鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341000）

地下鎢礦山直流牽引電機車交流變頻技術(shù)應用研究

楊文龍1， 劉柏祿1， 張文忠2， 趙志剛1

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西鐵山垅鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341000）

目前鎢礦山使用的架線電機車絕大部分是電阻調(diào)速電機車，普遍存在故障率高、維修量大、維修成本高、電能浪費大等缺點.針對這種情況進行了直流牽引電機車交流變頻技術(shù)應用研究，在地下礦山現(xiàn)有的架線條件下，對現(xiàn)有的電阻調(diào)速機車進行改造，形成樣機，投入礦山進行適應性試驗研究.

交流變頻技術(shù)；電機車；鎢礦山

近年來，交流變頻技術(shù)在國內(nèi)各個行業(yè)得到普及和使用[1]，獲得了巨大的市場效益和社會效益.國內(nèi)交流變頻技術(shù)專業(yè)人才大量增加，為交流變頻技術(shù)在架線式工礦電機車上的應用提供了人才條件和技術(shù)支撐，同時隨著采掘機械化的發(fā)展和國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展，小噸位電機車已滿足不了礦區(qū)運輸任務，架線式工礦電機車必然朝重型化、高速化和自動化、關鍵部件的免維護化、機車結(jié)構(gòu)模塊化、微機控制交流傳動的方向發(fā)展[2].

1 鎢礦山電機車應用現(xiàn)狀

從目前了解的情況看，贛南所有鎢礦山絕大部分還是采用直流架線式電阻調(diào)速電機車，該種機車在鎢礦山使用了十幾甚至幾十年.直流架線機車一般都采用2臺直流串激電動機作為牽引動力，為了減小起動電流，在剛起動時把2臺電機串聯(lián)，并在回路中串上最大的起動限流電阻，隨著轉(zhuǎn)速的增大，司機逐步把電阻切除，然后再把2臺電機接成并聯(lián)，此時又必須把起動電阻接入，再慢慢切除電阻，直至全部切除，電機車就以全速來運行.而制動采用能耗制動，就是將電動機從電源上斷開，把它接成串激發(fā)電機并串入一定的制動電阻，此時電機車的慣性動能經(jīng)電機轉(zhuǎn)換成電能消耗在電阻上，從而使電機車加速停車，并通過調(diào)節(jié)制動電阻的大小來改變制動力矩.這些復雜的線路切換都是通過控制器的觸點切換來完成的[3-5].電阻調(diào)速電機車普遍存在故障率高、維修量大、維修成本高、電能浪費大、安全性不強等缺點[6-7].目前鎢礦山使用的架線電阻調(diào)速電機車普遍存在這種現(xiàn)象.[8]

2 變頻調(diào)速機車研究與改造

2.1 機車結(jié)構(gòu)設計

在機車結(jié)構(gòu)部分采用了有限元分析方法對整機進行優(yōu)化設計，同時對動力進行最優(yōu)匹配，使整機動力強勁；為了保證整機結(jié)構(gòu)強度和剛度，整車車架采用框式結(jié)構(gòu)，利用振動時效原理、消除車架焊縫的殘余應力；機車采用多向自由度V型橡膠彈簧緩沖元件減振，解決了多年來使用鋼板彈簧單向減振和剛性硬存在的減振效果不良的缺陷.圖1為電機車外形及結(jié)構(gòu)圖.

圖1 電機車外形及結(jié)構(gòu)圖

車架由兩側(cè)板組成，兩端用彈性緩沖器連接，輪軸軸承為圓錐滾柱軸承，兩輪軸各裝置單獨的電動機，由齒輪直接帶動.控制器裝在駕駛室內(nèi)，用以操作機車制動可用控制器或轉(zhuǎn)動制動系統(tǒng)的手輪來進行，加砂器可加砂在路軌上，增大路軌與車輪間的粘著系數(shù)，以防止起動或加速度時車輪滑動，在制動時也可以用加砂器加砂來增加制動效果.制動系統(tǒng)和加砂的操縱機構(gòu)也都裝在駕駛室內(nèi)，司機操作方便[9].

2.2 機車變頻技術(shù)原理

作為電機車應用交流異步電機作牽引動力，較普遍地采用過以下3種策略控制交流牽引電機：①VVVF控制；②矢量控制；③直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC，Direct Torque Control).

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），直接在定子坐標系下分析交流電動機的數(shù)學模型，控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩.它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復雜計算；它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型[10].

機車調(diào)速采用了直接速度控制（DSC，Direct Speed Control）加直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻調(diào)速技術(shù)，結(jié)合工礦電機車運行的實際工況，進行工礦電機車變頻調(diào)速技術(shù)研究，實現(xiàn)了工礦電機車無級調(diào)速.

如圖2所示變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)由濾波電路、三相全橋逆變電路、變頻控制電路、三相交流電動機和手動控制器5大部分組成.

圖2 變頻器結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 變頻調(diào)速機車工作原理

針對電機車要求起動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩響應快的特點，系統(tǒng)采用直接速度控制（DSC）加直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式，來自受電弓的直流電進入變頻器后，經(jīng)過電感和電容濾波，在單片機的控制下經(jīng)過逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的三相交流電，再通過輸出端濾波器濾波，變頻器輸出三相正弦交流電壓給牽引電機，拖動電機車運行.系統(tǒng)采用1臺變頻器拖動2臺電機的方式，2臺電機在變頻器輸出端并聯(lián)運行[11].

2.4 機車系統(tǒng)保護功能

電機車變頻設備具有完善的保護功能，在變頻器出現(xiàn)故障時能自動進行故障定位和顯示，主要保護功能有：過壓、過流、過負荷、過熱、欠壓、短路、接地、外部報警、電容保護、主器件自保護等.

3 變頻調(diào)速機車礦山適應性試驗

通過研究并在電阻調(diào)速機車基礎上改造的交流變頻調(diào)速機車（10 T）放在江西贛州某鎢礦山進行適應性試驗.

（1）濕度適應性試驗.在試驗機車上懸掛有1個干濕球濕度計，機車濕度試驗數(shù)據(jù)表明試驗機車所處環(huán)境濕度在80%R.H.～95%R.H.之間.經(jīng)過1年多較惡劣的濕度適應性試驗表明，試驗機車濕度適應性較好，能適應井下惡劣的濕度環(huán)境.

（2）巷道適應性試驗.由于機車力量大，機車大小規(guī)格和改造前的電阻調(diào)速機車大小一致，爬坡力量更勝電阻調(diào)速機車，鎢礦山井下巷道坡度均很小，所以機車在巷道坡度等無任何問題.通過試驗表明，變頻調(diào)速機車完全能適應鎢礦山井下巷道，且能跑的更快，速度也更勻速.

（3）供電線路適應性試驗.供電線路還是用原來的直流250 V架線線路，沒做任何改造.盡管試驗巷道的架線不是很規(guī)范，但通過一年多的試用，在電壓條件滿足時，變頻調(diào)速機車對井下供電線路環(huán)境適應性還是較好的.

（4）架線電壓適應性試驗.專業(yè)人員采用專業(yè)測試儀跟車對機車進行電壓在線檢測，并觀察運行狀態(tài).變頻調(diào)速機車從選廠附近出發(fā)，隨著越接近末端，電壓值從250 V不斷下降，當電壓在120～130 V之間波動時，機車欠壓保護，機車停止運行.

當初設定的電壓范圍是直流130～360 V，能正常工作的電壓范圍比較寬.但礦山架線不規(guī)范，線路遠，地線（路軌）連接不好，導致較遠的巷道末端電壓出現(xiàn)低于130 V從而導致機車因欠壓保護而停車情況.

（5）牽引力適應性試驗.找一臺同規(guī)格電阻調(diào)速機車（10 T）和該變頻調(diào)速機車進行牽引力試驗對比，看變頻調(diào)速機車是否能滿足生產(chǎn)要求.

電阻調(diào)速機車一般工作時拉10個斗 （滿載），變頻調(diào)速機車拉重車13個斗（滿載）運行時一切正常，在此后一年多的試用過程中，一直是拉13個斗運行.這表明變頻調(diào)速機車牽引力完全能滿足生產(chǎn)要求.

（6）頻率調(diào)節(jié)范圍試驗.變頻調(diào)速機車頻率調(diào)節(jié)范圍經(jīng)過反復的實驗，測試儀上顯示頻率可以從靜止時的對應的0 Hz調(diào)節(jié)至最高速時的100 Hz.

（7）動力制動試驗.變頻調(diào)速機車有電制動和機械制動2種方式，工作時一般均采用電制動，駐車時（含斷電）需采用機械制動.電阻調(diào)試機車只有機械制動[12].但需要說明的是，目前許多操作工違規(guī)采用反向動力進行制動，這對機車損害很大，容易燒毀控制器和直流電動機.

4 運行結(jié)果及分析

4.1 運行結(jié)果

試驗變頻調(diào)速機車一直在該礦選廠至礦石提升井段運行，主要為拉原礦到選廠.機車從一開始使用效果就不錯，受到操作工、維修工、電工的一致好評，操作比老式機車簡單方便，機車牽引力也比以前大.機車為無級調(diào)速，最低可調(diào)頻率0.1 Hz，最低車輪轉(zhuǎn)速可調(diào)至0.5 r/min，并且該變頻調(diào)速器具有速度跟蹤功能，速度的高低全由調(diào)速手柄控制，可設定任何車速的限制，具有準確的零速制動功能.另外，機車變頻器保護功能齊全，具有對電機過流、過壓、過熱、過載、堵轉(zhuǎn)、欠壓、缺相和輸出短路的保護功能，實現(xiàn)對電機和電池組的全方位保護.

4.2 推廣需要解決的問題及解決方法

目前，在試驗和一年多的試用過程中，出現(xiàn)如下問題還需要解決：

（1）末端架線130 V以下時停車.該問題可以通過規(guī)范井下架線，敷設副線至末端并增設整流柜兩端供電等方法解決.

（2）變頻部分維修難度高.變頻部分維修要求較高，因此需要培養(yǎng)專業(yè)維護人員.目前大部分鎢礦山都不具備這種能力，專業(yè)培養(yǎng)也會額外增加企業(yè)要求和負擔，也不太現(xiàn)實.因此，最好的辦法是對現(xiàn)有的維護工人進行適度專業(yè)培訓，使維護人員具備在廠家專業(yè)人員指導下查找故障原因，更換備件的能力.

（3）操作不習慣或不熟悉.變頻調(diào)速機車和電阻調(diào)速機車相比，操作方式有不同的地方.比如剎車，電阻調(diào)速機車需要拉弓斷電，并機械制動.而變頻調(diào)速機車不需要拉弓，只需把調(diào)速手柄掉到零位即可.如果還按電阻調(diào)速機車的制動方法操作來制動變頻調(diào)速機車，會因變頻器反復斷電上電，出現(xiàn)啟動慢的問題.

操作不習慣或不熟悉的問題，可通過對操作人員進行嚴格培訓的方法解決，讓操作工人掌握并習慣變頻機車的使用方法

5 結(jié)束語

通過對電機車變頻技術(shù)應用研究和現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明：交流變頻技術(shù)能提高電機車性能、降低電機車故障率、降低電機車維修成本、提高設備的作業(yè)率、節(jié)約電能，有很好的經(jīng)濟效益.

[1]尹 伊.淺析變頻器在工業(yè)中的應用[J].黑龍江科技信息，2010（13）：41.

[2]談 濤.礦用電機車直流電源變換器的發(fā)展[J].江西能源，2007（2）：17-18.

[3]韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[4]吳忠智,吳加林.變頻器應用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[5]任彥碩,趙一丁.自動控制系統(tǒng)［M］.北京：北京郵電大學出版社,2007.

[6]鄭旭民.變頻控制系統(tǒng)在礦井架線電機車上的應用[J].煤礦機械，2009，30（4）：152-154.

[7]俞曉陽,任修勇.交流變頻調(diào)速技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車中的應用及必要性[J].技術(shù)交流，2009（4）：66-69.

[8]王文山.礦用架線式電棚車變頻調(diào)速控制[J].今日科苑，2008（2）：93.

[9]周重華.20噸架線式電機車結(jié)構(gòu)的研究改造及推廣應用[J].陽煤科技,2008（3）：34-35.

[10]汪曙東，曹衛(wèi)華.基于DTC的井下架線式電機車變頻調(diào)速裝置設計與應用[J].稀有金屬，2006，30：154-157.

[11]蔡興國.交流變頻技術(shù)在架線電機車上的應用[J].煤炭技術(shù),2008，27（4）：24-25.

[12]張述峰.論架線電機車運輸?shù)闹苿訂栴}[J].科技信息，2010（1）：70.

AC variable frequency technology of DC traction motor vehicle in the underground tungsten mine

YANG Wen-long1,LIU Bo-lu1,ZHANG Wen-zhong2,ZHAO Zhi-gang1

(1.Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Tieshanglong Tungsten Co.Ltd.,Ganzhou 342300,China)

The electric locomotive of resistance speed is widespread used in Chin’s tungsten mine.Problems such as high failure rate,high maintenance cost and workload and great electrical energy waste are frequent in the electric locomotive.This paper studies AC frequency conversion technology application with DC traction electric locomotive.Under the existing lines condition of the underground mining,we transform the resistance speed locomotive and develop the locomotive sample.Adaptive testing are performed on these samples in the tungsten mine.

AC frequency conversion technology;electric locomotive;tungsten mine

TD679

A

1674-9669（2011）06-0097-04

2011-09-17

江西省科技廳指導性計劃項目（2010ZDG00300）

楊文龍（1978－ ），男，工程師，主要從事工礦自動化系統(tǒng)及設備的研制開發(fā)與應用研究，E－mail:ywl6582@163.com.