礦用架線電機(jī)車技術(shù)改造與應(yīng)用研究

許桂云，董 明，王永紅

（1.重慶機(jī)電職業(yè)技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 402760；2.四川川煤華榮能源股份有限公司太平煤礦，四川攀枝花 617014）

0 引言

礦用架線電機(jī)車是目前我國(guó)煤礦及金屬非金屬礦山平巷運(yùn)輸常用的列車牽引設(shè)備，在礦山運(yùn)輸設(shè)備中占據(jù)重要位置，擔(dān)負(fù)著煤炭、礦石、材料、設(shè)備等繁重的運(yùn)輸任務(wù)，主要用于低瓦斯礦井使用不燃性材料支護(hù)的進(jìn)風(fēng)運(yùn)輸大巷。據(jù)了解，國(guó)外主要采煤國(guó)家的電機(jī)車向大噸位、高速度、微機(jī)控制方面發(fā)展，科技含量高的新型機(jī)車如無(wú)人駕駛電機(jī)車、雙駕駛室正向駕駛電機(jī)車都已在煤礦井下使用，瑞典、美國(guó)、波蘭等國(guó)家已經(jīng)開始研制和使用能自動(dòng)裝載、卸載、無(wú)人駕駛運(yùn)行的、全自動(dòng)化控制的電機(jī)車運(yùn)輸設(shè)備。我國(guó)已經(jīng)研制出了大噸位、雙駕駛室正向駕駛電機(jī)車、架線式變頻調(diào)速電機(jī)車、帶自診斷系統(tǒng)的免維護(hù)機(jī)車、節(jié)能環(huán)保型礦用窄軌電機(jī)車等并投入使用。但是，我國(guó)目前仍有部分礦山企業(yè)采用電阻調(diào)速方式的架線電機(jī)車，鑒于其耗能且存在安全保護(hù)不完善等問(wèn)題，國(guó)家及行業(yè)政策要求淘汰落后設(shè)備、禁止使用電阻調(diào)速方式的架線式電機(jī)車。因此，當(dāng)前仍使用電阻調(diào)速方式的架線電機(jī)車的單位，為避免重新購(gòu)買新設(shè)備，節(jié)約成本，實(shí)施架線電機(jī)車控制器調(diào)速方式技術(shù)改造是最佳方案。

1 實(shí)施電阻調(diào)速架線電機(jī)車技術(shù)改造的原因

1.1 電阻調(diào)速的架線電機(jī)車的缺陷

電阻調(diào)速架線式電機(jī)車采用直流電動(dòng)機(jī)牽引、凸輪控制器電阻調(diào)速方式控制，調(diào)速方便、控制容易。在20 世紀(jì)60 年代到80 年代，直流串激電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線好、電阻調(diào)速方式簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣。但是，受當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制，電機(jī)車的啟動(dòng)、調(diào)速是在電機(jī)回路中串接電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的，耗能較高，而且調(diào)速過(guò)程中動(dòng)、靜觸頭易燒蝕，故障率高，維修量及維修費(fèi)用高。另外，啟動(dòng)力矩小、保護(hù)不完善，在使用過(guò)程中甚至發(fā)生過(guò)司控器內(nèi)火花灼傷駕駛員的事故。

1.2 國(guó)家及行業(yè)政策要求淘汰落后設(shè)備

隨著科技不斷進(jìn)步，國(guó)家加大安全生產(chǎn)管理力度，提倡以人為本、綠色發(fā)展理念，中國(guó)統(tǒng)配煤礦總公司將脈沖調(diào)速列入“八五”推廣項(xiàng)目，要求“八五”期間在用電機(jī)車全部改用脈沖調(diào)速，生產(chǎn)的新機(jī)車須脈沖調(diào)速[1]。國(guó)務(wù)院、國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局分別發(fā)布了淘汰落后生產(chǎn)工藝裝備和產(chǎn)品指導(dǎo)目錄、禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄，對(duì)架線電機(jī)車規(guī)定了禁止使用期限。

2010 年，國(guó)務(wù)院《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)淘汰落后產(chǎn)能工作的通知》、工業(yè)和信息化部發(fā)布公告《部分工業(yè)行業(yè)淘汰落后生產(chǎn)工藝裝備和產(chǎn)品指導(dǎo)目錄》（2010 年），規(guī)定淘汰3 t 直流架線式井下礦用電機(jī)車。2018 年12 月28 日，國(guó)家安全監(jiān)管總局、國(guó)家煤礦安監(jiān)局關(guān)于發(fā)布禁止井工煤礦使用的設(shè)備及工藝目錄（第四批）的通知規(guī)定，使用電阻調(diào)速的架線電機(jī)車自發(fā)布之日起禁止新選用、采購(gòu)，在用設(shè)備自發(fā)布之日起2 年后禁止使用。禁止使用的原因是：通過(guò)調(diào)整電阻阻值進(jìn)行調(diào)速，消耗大量能量。替代產(chǎn)品或工藝有采用變頻或直流斬波調(diào)速電機(jī)車等。

因此，對(duì)尚在使用的電阻調(diào)速的架線電機(jī)車實(shí)施技術(shù)改造迫在眉睫。

2 架線電機(jī)車技術(shù)改造歷程

我國(guó)電機(jī)車的生產(chǎn)發(fā)展史約有50 多年，建國(guó)初期，架線電機(jī)車采用電阻凸輪調(diào)速，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子行業(yè)及電機(jī)車使用企業(yè)、生產(chǎn)單位研發(fā)和應(yīng)用可控硅斬波調(diào)速、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）調(diào)速、變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)電機(jī)車進(jìn)行技術(shù)改造，取得了很多成功經(jīng)驗(yàn)。

2.1 礦用架線電機(jī)車可控硅脈沖調(diào)速裝置改造

20 世紀(jì)70 年代初，得益于電子行業(yè)的發(fā)展，可控硅脈沖調(diào)速技術(shù)得到應(yīng)用，部分企業(yè)采用電子元件自制控制器及電抗器，對(duì)電阻式架線電機(jī)車控制器進(jìn)行技術(shù)改造。例如：1971 年10 月至1972 年6 月，北京礦務(wù)局王平村先后改造了兩臺(tái)可控硅電機(jī)車投入使用，1972 年、1975 年，棗莊礦務(wù)局田屯礦、武鋼靈鄉(xiāng)鐵礦電機(jī)車革新小組分別將7 t 架線式電機(jī)車改造為可控硅脈沖調(diào)速電機(jī)車，經(jīng)過(guò)運(yùn)行，節(jié)能效果較好[2]。但是，由于當(dāng)時(shí)可控硅的質(zhì)量不過(guò)關(guān)和保護(hù)電路不夠完善等，該技術(shù)并沒(méi)有得到進(jìn)一步的推廣。

20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)初，隨著國(guó)產(chǎn)可控硅元件質(zhì)量的提高和電子技術(shù)的發(fā)展、研究人員的開發(fā)，脈沖調(diào)速產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高、性能逐步改善，國(guó)內(nèi)有關(guān)廠家研制出了礦用架線電機(jī)車可控硅脈沖調(diào)速裝置，如淮南礦業(yè)學(xué)院設(shè)計(jì)、溫州三溪礦山電器廠生產(chǎn)的KTT-550 型調(diào)速裝置，山西礦業(yè)學(xué)院研制、衡水無(wú)線電廠生產(chǎn)的KTT-250 型調(diào)速裝置、北京煤炭礦用設(shè)備廠生產(chǎn)的KTA2 型調(diào)速裝置、湘潭電機(jī)廠生產(chǎn)的QPK20-1B、1BTH 斬波控制器等[2]。1989 年至1996 年，淄博礦務(wù)局先后對(duì)全局160 多臺(tái)電機(jī)車電阻凸輪調(diào)速控制器進(jìn)行了可控硅脈沖調(diào)速改造。據(jù)使用單位統(tǒng)計(jì)，改造后一臺(tái)7 t 電機(jī)車每年節(jié)電38 556 kW·h，而且起動(dòng)平穩(wěn)，安全可靠[3]。2006 年9 月，河北衡水泰昌礦山電子設(shè)備廠研制成功一種應(yīng)用于化工礦山直流架線電機(jī)車上的新型可控硅調(diào)速裝置，在并投放市場(chǎng)，機(jī)車啟動(dòng)平穩(wěn)、調(diào)速均勻、過(guò)載能力強(qiáng)，與電阻式調(diào)速裝置相比，節(jié)省電能25%，僅1 臺(tái)8 t 電機(jī)車年節(jié)約1 萬(wàn)元。但是由于可控硅元件在礦山井下惡劣的環(huán)境里要面對(duì)粉塵、潮濕、路況顛簸、電壓波動(dòng)、集電弓跳弓等考驗(yàn)，整機(jī)性能可靠性差[4]，電機(jī)車使用企業(yè)的積極性受到影響，為下一階段IGBT 直流斬波調(diào)速器的應(yīng)用留下了市場(chǎng)空間。

2.2 架線電機(jī)車IGBT 直流斬波調(diào)速器應(yīng)用改造

早期產(chǎn)的直流斬波調(diào)速器主電路開關(guān)器件用可控硅，整機(jī)可靠性差，在架線電機(jī)車上一直沒(méi)有得到很好的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，兼有MOSFET 的高輸入阻抗和GTR 的低導(dǎo)通壓降兩方面優(yōu)點(diǎn)的IGBT 用到直流斬波調(diào)速器上，具有節(jié)能效果好，啟動(dòng)力矩大、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。90 年代初，攀枝花市煤業(yè)（集團(tuán)）公司應(yīng)用IGBT 直流斬波調(diào)速控制器對(duì)架線電機(jī)車進(jìn)行技術(shù)改造，但是，由于當(dāng)時(shí)的控制器保護(hù)功能不全，IGBT 模塊易發(fā)生故障，未能長(zhǎng)期使用。至21 世紀(jì)初，保護(hù)功能齊全、整機(jī)可靠性高的控制器投入使用，IGBT 直流斬波調(diào)速器進(jìn)入推廣應(yīng)用階段，如2006 年在山東煤業(yè)集團(tuán)公司、2013 年在山東鋼鐵集團(tuán)金嶺礦業(yè)公司、2015 年在開灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司趙各莊礦業(yè)公司、2017 年在兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦等都得到較好的應(yīng)用[5-6]。IGBT 斬波調(diào)速系統(tǒng)由斬波器主機(jī)箱、平波電抗器、制動(dòng)電阻器、司機(jī)控制器組成，拆除機(jī)車原電阻器，將斬波器主機(jī)箱和制動(dòng)電阻器安裝于機(jī)車尾部原安裝電阻器處，司機(jī)控制器及平波電抗器安裝于司機(jī)駕駛室，改造后的電機(jī)車具有無(wú)級(jí)調(diào)速、啟動(dòng)力矩大、機(jī)車啟動(dòng)及運(yùn)行平穩(wěn)、高效節(jié)能，保護(hù)功能全，每臺(tái)10 t 電機(jī)車改造費(fèi)用4.8 萬(wàn)元，每臺(tái)節(jié)能20%，每年可節(jié)約備件費(fèi)0.8萬(wàn)元，安全性能較以前有所提高，控制器無(wú)火花，保證了操作人員的安全。

2.3 架線電機(jī)車變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用

20 世紀(jì)90 年代末至21 世紀(jì)初的十多年間，在電力電子和微電子技術(shù)的強(qiáng)大支持下，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展較為迅速。變頻器用于交流電機(jī)（異步電機(jī)或同步電機(jī)）轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，尤其是直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)（DIRECT TOROUE CONTROL），在礦山、機(jī)械、冶金等多個(gè)領(lǐng)域得到迅速推廣。不僅具有優(yōu)良的調(diào)速性能，而且節(jié)能效果明顯，和直流調(diào)阻電機(jī)車以及直流斬波電機(jī)車相比具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。

據(jù)徐州煤礦機(jī)械廠科技開發(fā)部介紹，首臺(tái)ZK1O-6/550 型直流架線式變頻調(diào)速電機(jī)車誕生于2000 年3 月，按淮北礦業(yè)集團(tuán)朱莊煤礦使用統(tǒng)計(jì)，年節(jié)約電費(fèi)8.5 萬(wàn)元，節(jié)約設(shè)備維修費(fèi)1.8 萬(wàn)元。采用專用TJY 系列交流電機(jī)替換原直流電機(jī)，控制系統(tǒng)采用DTC（零轉(zhuǎn)速滿轉(zhuǎn)矩的直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)）變頻調(diào)速器。該DTC 變頻器控制技術(shù)，可使三相鼠籠式異步電機(jī)達(dá)到和超過(guò)直流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距，實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，轉(zhuǎn)矩可達(dá)200%以上，可滿足電機(jī)車在低速時(shí)最大啟動(dòng)牽引力。實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)極調(diào)速，頻率可從0.1 Hz 調(diào)到100 Hz[7]。2014 年，安徽富凱礦業(yè)有限公司應(yīng)用DTC 變頻調(diào)速器改造架線電機(jī)車，改造后機(jī)車電氣故障率降低，維修量減少，可靠性提高，備件消耗減少，比原直流電機(jī)車節(jié)能30%以上[8]。

2014 年11 月，四川川煤華榮能源股份有限公司太平礦利用DTC 變頻調(diào)速技術(shù)，采用BPK-2x30/550、TSK-24 型變頻調(diào)速裝置對(duì)12 臺(tái)ZK10-6/550 架線電機(jī)車進(jìn)行技術(shù)改造，用于架線式電機(jī)車的啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)、換向。用變頻調(diào)速裝置取代原有10 t 電機(jī)車司控器和電阻，拆除兩臺(tái)ZQ-24 直流電機(jī)，更換兩臺(tái)YVF-22Q 型的三相變頻調(diào)速電機(jī)。改造后電機(jī)車額定轉(zhuǎn)矩可為300%，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，可控頻率范圍為5～50 Hz，可以設(shè)定最高車速限制（例如：實(shí)際車速設(shè)定為4.5 m/s，即使該車在下坡道運(yùn)行，其車速也不會(huì)超過(guò)4.5 m/s），避免了超速飛車事故的發(fā)生。10 t 電機(jī)車改造費(fèi)用5.91 萬(wàn)元/臺(tái)，包括變頻器主機(jī)、兩臺(tái)變頻調(diào)速牽引電機(jī)（YVF-22Q(380/220)、制動(dòng)電阻（DZK-50/550）、直流變換器（DHKZ-24/550）等，帶離座閉鎖座椅KBXC-5/127-1、DGY12/110LX(A)LED 照明信號(hào)燈、電子喇叭DLEC-24、QDS-350/550 自動(dòng)開關(guān)、QNG3-200/550集電弓。改造后每臺(tái)車每天節(jié)約電能118.9 kW·h，年節(jié)約電費(fèi)21 699.25 元，年節(jié)約維修材料費(fèi)及工時(shí)費(fèi)1.5 萬(wàn)元。變頻調(diào)速器無(wú)觸點(diǎn)，維修量小，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、短路、缺相、溫度等多重保護(hù)功能，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)車頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速的要求，節(jié)約人工、材料費(fèi)的同時(shí)，與傳統(tǒng)直流電阻調(diào)速電機(jī)車相比節(jié)約電能30%以上。曾使用過(guò)4 個(gè)廠家的產(chǎn)品，其中湘潭新昕公司和巨大礦業(yè)有限公司的變頻調(diào)速裝置使用效果較好。

3 IGBT 直流斬波調(diào)速器及DTC 變頻調(diào)速器改造方案比較

經(jīng)過(guò)對(duì)我國(guó)架線電機(jī)車技術(shù)改造歷程分析研究，架線電機(jī)車的調(diào)速方式經(jīng)歷了電阻調(diào)速、可控硅斬波調(diào)速、IGBT 斬波調(diào)速、變頻調(diào)速4 個(gè)階段。目前按國(guó)家要求，推薦采用IGBT直流斬波調(diào)速器或DTC 變頻調(diào)速器，兩種技術(shù)改造方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。

（1）采用IGBT 直流斬波調(diào)速器。無(wú)需更換牽引電機(jī)，但是要更換司機(jī)控制器及增加直流斬波調(diào)速器、平波電抗器，每臺(tái)10 t 電機(jī)車改造成本約4.8 萬(wàn)元左右。

優(yōu)點(diǎn)：具有無(wú)級(jí)調(diào)速、機(jī)車啟動(dòng)及運(yùn)行平穩(wěn)，具有延時(shí)軟起動(dòng)保護(hù)、欠壓保護(hù)、兩級(jí)溫度保護(hù)，與電阻調(diào)速器相比可節(jié)能20%以上；斬波調(diào)速改造比變頻調(diào)速改造費(fèi)用低；維修相對(duì)簡(jiǎn)單，更換模塊即可。

缺點(diǎn)：直流電機(jī)啟動(dòng)力矩小，與交流電機(jī)相比維修量較大，節(jié)能效果比變頻調(diào)速器差。

（2）采用DTC 交流變頻調(diào)速器。將2 臺(tái)直流串勵(lì)電機(jī)換成2 臺(tái)變頻調(diào)速牽引電機(jī)，啟動(dòng)電阻更換為制動(dòng)電阻，增加交流牽引逆變器等，每臺(tái)10 t 電機(jī)車改造成本約5.91 萬(wàn)元左右。

優(yōu)點(diǎn)：具有無(wú)極平滑調(diào)速，調(diào)速范圍寬廣，有欠壓、過(guò)壓、過(guò)載、防飛車等多重保護(hù)功能，安全性能更佳；電機(jī)啟動(dòng)力矩大；高效節(jié)能，與電阻調(diào)速器相比可節(jié)電30%以上。

缺點(diǎn)：技術(shù)改造的費(fèi)用大，改造時(shí)間長(zhǎng)，投入成本高；對(duì)維修人員有一定技術(shù)要求，特別是初始程序調(diào)試較難，但后期維護(hù)較簡(jiǎn)單。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)我國(guó)架線電機(jī)車技術(shù)改造的情況分析，以及采用IGBT 直流斬波調(diào)速器及交流變頻調(diào)速器對(duì)架線電機(jī)車進(jìn)行技術(shù)改造的應(yīng)用說(shuō)明，IGBT 直流斬波調(diào)速器初期投入成本低，但是后期使用過(guò)程中節(jié)電效果不及變頻調(diào)速裝置，維修費(fèi)用較變頻調(diào)速裝置高，變頻調(diào)速器雖然前期投入成本高，不過(guò)在使用過(guò)程中，節(jié)能效果顯著、故障率低、維修量小、壽命長(zhǎng)、安全性能更好。因此，對(duì)架線電機(jī)車實(shí)施變頻調(diào)速改造長(zhǎng)期效益更明顯，目前生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的變頻調(diào)速電機(jī)車應(yīng)用前景良好，對(duì)架線電機(jī)車實(shí)施技術(shù)改造技術(shù)成熟，切實(shí)可行。改造后的電機(jī)車技術(shù)條件滿足《礦用窄軌架線電機(jī)車技術(shù)要求》（MT/T 1064—2008）和《窄軌架線式礦用電機(jī)車通用技術(shù)條件》（JB/T 10772—2007），經(jīng)過(guò)制動(dòng)距離測(cè)試，符合《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)要求。