淺談斬波調(diào)速在電阻調(diào)速式電機(jī)車上的應(yīng)用

尚現(xiàn)亮

【摘 要】如何安全使用電阻調(diào)速架線式電機(jī)車是當(dāng)前一些企業(yè)迫切需要解決的難題，本文通過對15臺ZK7-6/550型架線式電機(jī)車的技術(shù)改造總結(jié)，找到了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的改造方法，對同類企業(yè)有一定的借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】斬波調(diào)速；電機(jī)車；技術(shù)改造

0.概況

我公司某礦井開拓方式為平峒—斜井開拓，主平峒承擔(dān)運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)和排水，由15臺ZK7-6/550型架線式電機(jī)車牽引礦車進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)距達(dá)5400米。由于電機(jī)車使用頻繁、啟動沖擊大、能耗高、故障率高，僅每年換修配件費(fèi)用就達(dá)60余萬元。2011年，國家安全監(jiān)管總局國家煤礦安監(jiān)局發(fā)布《禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第三批）》的通知，其中要求7噸以上（含7噸）電阻調(diào)速架線式工礦電機(jī)車在2013年起禁止使用。該礦15臺電機(jī)車大多為2003年-2005年購置，庫房貯存約200萬元備件，若將現(xiàn)有電機(jī)車全部淘汰，新購機(jī)車，花費(fèi)巨大，對礦井造成的經(jīng)濟(jì)沖擊將是沉重的。因此，尋求新技術(shù)對現(xiàn)有電機(jī)車進(jìn)行技術(shù)改造以滿足安全生產(chǎn)需要，減輕經(jīng)濟(jì)損失，成為礦井的必然選擇。

礦井隨即派專業(yè)人員對目前國內(nèi)電機(jī)車控制技術(shù)有關(guān)的廠家和科研院所進(jìn)行了認(rèn)真的調(diào)研和比對，最后選定湖南雙馬電氣公司為技術(shù)合作伙伴，共同對15臺架線式工礦電機(jī)車成功進(jìn)行了技術(shù)改造。本次技術(shù)改造的成功，對同類企業(yè)有一定的借鑒意義。

1.技術(shù)改造方案的確定

2011年5月，合作雙方對現(xiàn)用的電阻調(diào)速架線式工礦電機(jī)車進(jìn)行了細(xì)致的技術(shù)分析和充分論證后，最終確定了技術(shù)改造方案。即：電機(jī)車的電阻調(diào)速器更換為雙馬電氣公司的斬波式控制器；新控制器安裝在原有控制器位置，新控制器安裝尺寸由雙馬公司根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)車自行設(shè)計制造；加裝無線通訊系統(tǒng)、燈光信號等安全裝置，以滿足安全使用要求。

2.技術(shù)改造的分析

本次技術(shù)改造使用的斬波式控制器，是湖南雙馬電氣公司自行研發(fā)的第二代IGBT斬波調(diào)速控制器，其內(nèi)部關(guān)鍵技術(shù)獲得國家發(fā)明專利，與國內(nèi)同類型產(chǎn)品相比較最大的優(yōu)勢是性能穩(wěn)定、節(jié)能顯著、保護(hù)齊全、使用安全可靠、操作簡單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。斬波調(diào)速原理是利用可控硅整流調(diào)壓來達(dá)直流電動機(jī)調(diào)速的目的。利用可控硅的開關(guān)特性，控制其通斷時間從而實(shí)現(xiàn)斬波，以改變轉(zhuǎn)子兩端的電壓來調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。斬波調(diào)速系統(tǒng)采用了IGBT高壓大功率開關(guān)器件，控制方法為定步調(diào)寬 （PWM方式），當(dāng)驅(qū)動脈沖為高電平 （+15V）時器件導(dǎo)通，反之低電平 （0V或-15V）時關(guān)斷。 由于開關(guān)頻率高，實(shí)際電機(jī)的電流等效為直流電流，通過改變 IGBT 的導(dǎo)通與關(guān)斷的比例 （即調(diào)壓比α=tan/T或V出/ V入），即可改變電機(jī)兩端的電壓平均值，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)車調(diào)速的目的。由于 IGBT工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通關(guān)斷時損耗很小，所以調(diào)速狀態(tài)下節(jié)能效果顯著。斬波器的各種保護(hù)功能（軟起動、欠壓、過壓、過流）亦通過 IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷的比例來實(shí)現(xiàn)。

3.技術(shù)改造后的分析

（1）2011年7-8月，該礦按上述技術(shù)改造方案對全部15臺電機(jī)車成功進(jìn)行了改造。經(jīng)過幾個月的運(yùn)行實(shí)踐，電機(jī)車改造效果顯著，一舉解決了原架線式電機(jī)車能耗高、故障率高、維修費(fèi)用大、運(yùn)輸能力偏弱、安全隱患多等問題。并具有以下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：1）技術(shù)先進(jìn)，IGBT斬波調(diào)速控制器是目前國內(nèi)較先進(jìn)的調(diào)速控制器，在功能設(shè)計上，對電氣部分加裝了逆變電源，照明電源模塊、警音控制、前后燈控制全部集中在斬波調(diào)速控制器內(nèi)部，操作十分方便。2）有過流保護(hù)，當(dāng)機(jī)車超載時，電流保護(hù)電路動作，使電機(jī)電流恒定，確保了電機(jī)車安全運(yùn)行。3）有過壓欠壓保護(hù)，當(dāng)電網(wǎng)電壓超過或低于斬波器整定的電壓值時，控制盒的過壓欠壓保護(hù)電路動作，保護(hù)電機(jī)和斬波器。4）直流接觸組件觸點(diǎn)無弧通斷，在正常操作下，所有直流開關(guān)觸點(diǎn)均無弧通斷，故障率低，大大延長了觸頭的使用壽命。5）調(diào)速控制器適用性廣。IGBT斬波調(diào)速控制器不但適用于電阻調(diào)速機(jī)車技術(shù)改造，更是目前新型電機(jī)車的熱門配套部件，由于廠家有核心專利技術(shù)，可設(shè)計增加功能，滿足不同的用戶需求。

（2）經(jīng)濟(jì)分析：購置15臺新機(jī)車需花費(fèi)380萬元，15臺機(jī)車和200萬元備件全報廢損失約420萬元，共計約800萬元；采用與廠家技術(shù)合作改造15臺舊機(jī)車方案，共花費(fèi)230萬元，實(shí)際直接節(jié)約資金570萬元。

（3）存在問題及建議：一是該斬波調(diào)速系統(tǒng)對井下架線電網(wǎng)的電壓要求較高，斬波調(diào)速電機(jī)車因架線電網(wǎng)電壓波動較大等問題，導(dǎo)致預(yù)充電阻、IGBT、儲能電容等主要元件的損壞。建議礦井對井下電網(wǎng)供電電壓實(shí)施監(jiān)測，保持電壓波動在允許范圍內(nèi)，有條件的企業(yè)可以加裝先進(jìn)的穩(wěn)壓裝備，以滿足電機(jī)車用電需求。二是調(diào)速控制器內(nèi)部控制件集成較高，對故障維修人員要求較高。建議企業(yè)與廠家建立技術(shù)服務(wù)機(jī)制，派員接受廠家技術(shù)培訓(xùn)，以期在較短時間內(nèi)服務(wù)企業(yè)。

4.結(jié)論

一是采用IGBT斬波調(diào)速控制器替換電阻調(diào)速，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車無級調(diào)速，機(jī)車起動平穩(wěn)、起動力矩大，從起動到全速均能平穩(wěn)過渡，能有效地保護(hù)電機(jī)車的機(jī)械系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需要任意控制機(jī)車速度，牽引力比電阻調(diào)速機(jī)車大，機(jī)車故障大幅下降，工作效率提高明顯。二是花費(fèi)資金少，效果良好，適用于中小型企業(yè)對老式電機(jī)車的技術(shù)改造。