550 V 架線式電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)的改造與驗(yàn)證

郭江瑜

（西山煤電西銘礦運(yùn)輸科運(yùn)輸二隊(duì)， 山西 太原 030053）

引言

綜采工作面運(yùn)輸設(shè)備的牽引性能直接決定著煤炭的運(yùn)輸效率，間接決定著井下煤炭的開采效率。電機(jī)車分為架線式電機(jī)車和蓄電池電機(jī)車，架線式電車主要以直流傳動(dòng)為主，其調(diào)速方式以電阻和斬波調(diào)速為主。實(shí)踐表明，電阻調(diào)速系統(tǒng)在啟動(dòng)階段的能耗較大，容易對(duì)工作面電網(wǎng)設(shè)備造成沖擊；而斬波調(diào)速系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用存在失控的現(xiàn)象[1]。因此，綜合當(dāng)前交流電機(jī)相對(duì)于直流電機(jī)的優(yōu)勢(shì)且交流調(diào)速技術(shù)不斷成熟的現(xiàn)狀，將交流調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用于架線式電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)其調(diào)速系統(tǒng)的改造。

1 架線式電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)存在問題

目前，550 V 架線式電機(jī)車是基于機(jī)械構(gòu)件接觸與否進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)在串聯(lián)與并聯(lián)之間的切換，實(shí)現(xiàn)調(diào)速電阻的串聯(lián)或者并聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車端電機(jī)的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)車速度的控制?；谏鲜鲭娮枵{(diào)速技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)車8-13 級(jí)速度的控制。由于電阻調(diào)速技術(shù)所能控制速度的跨度較大，會(huì)對(duì)設(shè)備造成較大的沖擊，加劇設(shè)備機(jī)械構(gòu)件的磨損[2]。加之，在實(shí)際生產(chǎn)中由于作業(yè)人員操作不當(dāng)，電阻調(diào)速技術(shù)往往會(huì)影響電機(jī)車的工作性能，具體總結(jié)如下：

1）基于電阻調(diào)速技術(shù)僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備的有級(jí)調(diào)速，從而造成設(shè)備在啟動(dòng)階段力矩較大，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)，制約著煤炭工作面的運(yùn)輸效率；

2）鑒于其調(diào)速為有級(jí)調(diào)速，導(dǎo)致設(shè)備在不同速度切換時(shí)電流較大，使得設(shè)備零部件構(gòu)件的磨損嚴(yán)重，無形中增加了設(shè)備的維修費(fèi)用；

3）電阻調(diào)速技術(shù)對(duì)電機(jī)電路中電壓、電流異常保護(hù)功能不全，導(dǎo)致電機(jī)車電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，無法實(shí)現(xiàn)自我保護(hù)，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故發(fā)生。

4）為了滿足電機(jī)車在啟動(dòng)階段低速、大轉(zhuǎn)矩的要求，此時(shí)串入電阻的電流值過大，從而消耗大量的電能。盡管電機(jī)車速度穩(wěn)定后設(shè)備電阻全部切除，但在實(shí)際運(yùn)行中依然為帶電阻運(yùn)行，從而造成電能的極大浪費(fèi)。

2 變頻調(diào)速控制原理

本文以550 V 架線式電機(jī)車為研究對(duì)象，該電機(jī)車由550 V 電網(wǎng)為其提供直流電源，基于該電機(jī)車變頻器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電，為設(shè)備電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)聯(lián)軸器和減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，最終將動(dòng)力傳送至電機(jī)車車軸上。

交流變頻調(diào)速的控制原理如式（1）所示：

式中，n為架線式電機(jī)車交流電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為交流電機(jī)供電頻率；p為架線式電機(jī)車電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；s為架線式電機(jī)車電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

如式（1）所示，所謂變頻調(diào)速為在電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率一定的前提下，通過改變架線式電機(jī)車的供電頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)其轉(zhuǎn)速的調(diào)整。而且，在其他領(lǐng)域已證實(shí)變頻調(diào)速技術(shù)具備如下優(yōu)勢(shì)：調(diào)速平滑性好、調(diào)速范圍大、節(jié)能效果好以及維修簡(jiǎn)單等，更重要的是基于變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠更容易提升架線式電機(jī)車的自動(dòng)化水平[3]。因此，針對(duì)當(dāng)前架線式電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)狀，基于變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改造。

3 架線式電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)

電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)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(shè)備性能和軟件程序共同決定。綜合分析550 V 架線式電機(jī)車的應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)、牽引特性以及交流變頻調(diào)速原理，本文基于DSP 控制的異步電機(jī)VVVF 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電阻調(diào)速系統(tǒng)的改造。

目前，應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)的主要控制器類型包括有微控制器和DSP 數(shù)字控制器。鑒于綜采工作面的環(huán)境相對(duì)惡劣，且干擾因素眾多。因此，選用基于DSP 的數(shù)字控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于DSP 數(shù)字控制器結(jié)構(gòu)示意圖

以如圖1 所示的DSP 數(shù)字控制器為基礎(chǔ)，以TMS320F2812 的數(shù)字處理器為核心，同時(shí)采用三菱公司的智能功率模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)架線式電機(jī)車過壓、欠壓（電壓檢測(cè)電路）、過電流（電流檢測(cè)電路）以及過溫等保護(hù)功能?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)電機(jī)車的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)和理想運(yùn)行狀態(tài)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[4]。此外，DSP 控制器還能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，具備上位機(jī)與下位機(jī)的通信功能。

變頻器作為該調(diào)速系統(tǒng)的核心硬件，本系統(tǒng)所選用的變頻器為基于PWM 控制技術(shù)的牽引變頻器，與其相匹配的硬件設(shè)施參數(shù)如表1 所示。

表1 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件設(shè)施參數(shù)

4 架線式電機(jī)車變頻調(diào)速系統(tǒng)的效果

為對(duì)本文基于DSP 數(shù)字控制器設(shè)計(jì)所得變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，特設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)示意圖如圖2 所示。

基于如圖2 所示硬件平臺(tái)的試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)變頻調(diào)速系統(tǒng)的電氣性能和熱性能進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果如下：

1）該變頻調(diào)速系統(tǒng)由于采用了相應(yīng)的死區(qū)補(bǔ)償措施，確保在啟動(dòng)和制動(dòng)工況時(shí)電機(jī)相電流不存在振蕩現(xiàn)象[5]，從而保證電機(jī)在啟動(dòng)階段不會(huì)出現(xiàn)過電流保護(hù)的情況，即能夠穩(wěn)定啟動(dòng)且啟動(dòng)電流為正弦波。說明，該變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較為理想的啟動(dòng)和制動(dòng)性能。

2）變頻調(diào)速設(shè)備尤其是變頻器的散熱尤為重要，通過對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)的溫升試驗(yàn)可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行2 h 后設(shè)備的發(fā)熱情況處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，且變頻器散熱器表面的溫度為26℃，滿足《煤炭安全規(guī)程》中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)硬件平臺(tái)示意圖