電機(jī)車電控系統(tǒng)性能提升優(yōu)化方案

張薇

（江蘇睿龍電氣設(shè)備有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213000）

隨著時(shí)代的進(jìn)步、技術(shù)的發(fā)展，工礦機(jī)車也發(fā)生了翻天覆地的變化。電力機(jī)車已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的柴油機(jī)機(jī)車。但是，電力機(jī)車的電控系統(tǒng)卻發(fā)展緩慢，多數(shù)沿用傳統(tǒng)的電控方案，也就是蓄電池提供540V的直流電源給變頻驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而將其轉(zhuǎn)換為0～380V的三相交流電源，以此來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)牽引。主控制器利用開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)對(duì)變頻驅(qū)動(dòng)和多檔調(diào)速進(jìn)行啟動(dòng)和停止，車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)可以通過(guò)控制臺(tái)上面的指示燈和儀表來(lái)進(jìn)行顯示。

1 工礦電機(jī)車的組成結(jié)構(gòu)

某工礦機(jī)車主要由電氣和機(jī)械兩部分構(gòu)成，其中，機(jī)械單元主要有車架、軸箱、制動(dòng)設(shè)備、緩沖連接設(shè)備和制動(dòng)手輪等。電氣單元?jiǎng)t主要包括控制裝置、受電弓和照明等，見(jiàn)圖1。

圖1 架線式電機(jī)車的供電原理圖

礦用電力機(jī)車的任何一個(gè)部件均有相應(yīng)的作用，在軸承箱蓋上安裝的有所有的部件，該軸承箱蓋是由彈簧支架支撐起來(lái)的。在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中，極有可能和其他設(shè)備之間發(fā)生碰撞。為盡可能降低碰撞帶來(lái)的損失，也就是將變形降至最低，可以將設(shè)備鋼板的厚度適當(dāng)?shù)奶岣摺４送?，在彈簧托架的作用下，各個(gè)輪胎內(nèi)部能夠均勻的承受機(jī)車的質(zhì)量。這樣一來(lái)，機(jī)車就能夠平穩(wěn)地運(yùn)行，有效降低運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的振動(dòng)現(xiàn)象，防止機(jī)車脫軌。

2 礦用電機(jī)車的工作原理

電池型和架空線路型電力機(jī)車為最主要的兩種機(jī)車類型：（1）架空線路型機(jī)車：這種類型的電力機(jī)車，其主要原理在于轉(zhuǎn)換電流、整流和降壓操作。具體來(lái)說(shuō)，處于架空線路末端的高壓經(jīng)過(guò)一系列的操作，完成上述任務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)降壓的目標(biāo)，以此確保電源能夠經(jīng)過(guò)一系列轉(zhuǎn)換后適合機(jī)車的電壓值。架空線路作為正極，軌道屬于負(fù)極。在受電弓裝置的作用下，引入電流進(jìn)入機(jī)車內(nèi)部，因此，實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車的啟動(dòng)運(yùn)行。（2）電流型電力機(jī)車。由于電力機(jī)車內(nèi)部安裝的有電池，其無(wú)須對(duì)電流和電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只需要借助電池能量就可以驅(qū)動(dòng)電力機(jī)車。

3 傳統(tǒng)電機(jī)車電控系統(tǒng)的不足

45T和55T電力機(jī)車是現(xiàn)階段市場(chǎng)上最主要的機(jī)車類型。其驅(qū)動(dòng)方式為同一變頻驅(qū)動(dòng)，都由兩臺(tái)牽引電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。但是，這種傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，問(wèn)題重重，具體表現(xiàn)為：（1）由于其驅(qū)動(dòng)方式為變頻驅(qū)動(dòng)，也就是說(shuō)，需要逆變器輸出相同的電壓和頻率到牽引電機(jī)中，因而牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本趨同。但是，實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，根本無(wú)法確保電力機(jī)車的每個(gè)輪子都承受相同的力度，僅能對(duì)電機(jī)速度予以調(diào)整，來(lái)盡可能地平衡各個(gè)輪子之間承受的不斷的載荷力。若牽引電機(jī)未能調(diào)整到位，載荷不夠平衡，則會(huì)引發(fā)電機(jī)燒毀等安全事故。（2）V/F控制是傳統(tǒng)機(jī)車變頻控制辦法。在零速的時(shí)候，直流輸出給牽引電機(jī)，并向其提供阻力轉(zhuǎn)矩。若電力機(jī)車在斜坡位置進(jìn)行剎車的時(shí)候，滑倒風(fēng)險(xiǎn)極大。

4 電機(jī)車電控系統(tǒng)優(yōu)化方案

隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，電力機(jī)車也不斷在攻克難關(guān)，不斷完善更新。其中，65T大噸位的電力機(jī)車開(kāi)始誕生。該種電力機(jī)車的驅(qū)動(dòng)為4臺(tái)牽引電機(jī)，并將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)軸側(cè)，其功能在于為后續(xù)的機(jī)車運(yùn)行速度提供指導(dǎo)。所有的牽引電機(jī)均變頻驅(qū)動(dòng)，控制方式為閉環(huán)矢量。CAN總線作為數(shù)據(jù)傳輸方式，主要用于變頻器之間的信息傳遞，以此來(lái)及時(shí)跟蹤機(jī)車運(yùn)行速度，對(duì)負(fù)載及時(shí)予以平衡。信號(hào)傳遞通過(guò)主控制器傳遞給PLC，然后在利用CAN總線輸送給對(duì)應(yīng)的變頻器。在PLC作用下，變頻驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行速度、電流以及電壓等相關(guān)信息均能夠反饋給人機(jī)界面。這樣，我們就可以直觀地對(duì)電力機(jī)車的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行查看。

5 電機(jī)車電控系統(tǒng)優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)

相比較于傳統(tǒng)的解決方案，65T電力機(jī)車的誕生極大地優(yōu)化了電氣控制系統(tǒng)。具體表現(xiàn)如下。

（1）閉環(huán)矢量控制。在該電機(jī)電氣系統(tǒng)中，閉環(huán)矢量控制的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)零速轉(zhuǎn)矩輸出。這樣一來(lái)，在電機(jī)停止運(yùn)行的時(shí)候，并不會(huì)發(fā)生滑倒等事故。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在電機(jī)軸側(cè)，對(duì)其運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤反饋。這樣改造思路，較好地避免了斜坡上電機(jī)滑落滾動(dòng)等危險(xiǎn)。

（2）一對(duì)一控制變頻驅(qū)動(dòng)。在65T電力機(jī)車中，牽引電機(jī)的控制方式為一對(duì)一。每臺(tái)牽引機(jī)均有一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。在速度模式下，一臺(tái)變頻器為主要工作；在扭矩模式下，其他變頻器全部作為輔助進(jìn)行工作。PLC發(fā)布命令給變頻器主機(jī)，在接收到命令后控制電機(jī)的運(yùn)行速度。接著，從動(dòng)器會(huì)接收來(lái)自CAN總線的運(yùn)行、速度以及轉(zhuǎn)矩等命令。然后從動(dòng)器會(huì)將上述命令傳輸給主變頻主機(jī)，通過(guò)主從配合的方式，實(shí)現(xiàn)了4臺(tái)電機(jī)的安全運(yùn)行。并能夠?qū)崟r(shí)跟蹤電機(jī)運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)載荷平衡，有效控制電機(jī)電流差在±5%以內(nèi)。

（3）故障跛行。由于傳統(tǒng)的電機(jī)控制方式為一對(duì)多，若其中一臺(tái)變頻器或者電機(jī)出現(xiàn)故障，整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)立即停機(jī)，無(wú)法啟動(dòng)。而65T電機(jī)系統(tǒng)的變頻控制為一對(duì)一，這樣一來(lái)，即便其中某一個(gè)或者某2個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也并不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。此時(shí)，只需要將故障部位繞開(kāi)，依然可以啟動(dòng)電力機(jī)車。

（4）開(kāi)環(huán)/閉環(huán)控制。由于電力機(jī)車處于高振動(dòng)、高沖擊和高濕度的工作環(huán)境之中，為了更好地適應(yīng)上述惡劣環(huán)境，多將旋轉(zhuǎn)變壓器安裝在軸機(jī)內(nèi)側(cè)，作為速度反饋裝置。然該裝置一旦出現(xiàn)故障，牽引電機(jī)立即停機(jī)，無(wú)法啟動(dòng)。在65T電力機(jī)車中，控制模式調(diào)整為閉環(huán)/開(kāi)環(huán)矢量控制模式。也就是說(shuō)，一旦其中任何一個(gè)部件出現(xiàn)故障，駕駛?cè)藛T也可以切換電力機(jī)車為開(kāi)環(huán)模式，此時(shí)無(wú)須停機(jī)，可以繼續(xù)運(yùn)行，提升了電力機(jī)車的運(yùn)行靈活性和可靠性。

（5）空載模式。65T電力機(jī)車設(shè)計(jì)的為空載模式，借助人機(jī)界面。可以設(shè)置4臺(tái)牽引機(jī)中的任意一臺(tái)為空載模式，此時(shí)，僅需要2～3臺(tái)牽引電機(jī)便可以啟動(dòng)。而滿載模式下，要想啟動(dòng)電力機(jī)車，則需要3～4臺(tái)牽引電機(jī)?？蛰d模式的設(shè)計(jì)，能夠極大地節(jié)約電力機(jī)車的能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)。

（6）保護(hù)方案完善。65T電力機(jī)車驅(qū)動(dòng)為一對(duì)一，能夠從全方位實(shí)現(xiàn)對(duì)電力機(jī)車的各種保護(hù)，防范電機(jī)出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。

綜上所述，電力機(jī)車在工礦企業(yè)中運(yùn)用的最廣泛，隨著工礦企業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電力機(jī)車的控制系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足實(shí)際需求。此時(shí)，就亟待對(duì)電力機(jī)車控制系統(tǒng)予以優(yōu)化。本文在分析了傳統(tǒng)電力機(jī)車控制系統(tǒng)不足的基礎(chǔ)上，提出了65T電力機(jī)車控制系統(tǒng)優(yōu)化方案。控制系統(tǒng)改為閉環(huán)/開(kāi)環(huán)矢量控制，主從負(fù)荷進(jìn)行合理分配。同時(shí)，載荷分擔(dān)，能夠避免大負(fù)荷和大斜坡條件下機(jī)車打滑現(xiàn)象。此外，通過(guò)速度反饋裝置的配置，能夠靈活保護(hù)電機(jī)系統(tǒng)，避免電機(jī)燒毀，確保了電力機(jī)車的安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。