简介概要

基于DTC的井下架线式电机车变频调速装置设计与应用

来源期刊：稀有金属2006年增刊第1期

论文作者：曹卫华汪曙东

关键词：变频器; 直接转矩控制; 架线式电机车;

摘要：分析了井下架线式电机车运行现状及存在的维护量大、维护成本高、故障率高等问题.设计了一种基于DTC的电机车电机变频调速装置,现场应用情况表明其具有起动力矩大、维护量小、故障率低、节约成本的优点.指出了应用DTC变频调速技术改造传统的矿用架线式电机车直流传动系统的必要性及应用前景.

稀有金属 2006,(S2),154-157 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.s2.039

基于DTC的井下架线式电机车变频调速装置设计与应用

曹卫华

中南大学信息科学与工程学院,中南大学信息科学与工程学院湖南长沙410083,中国铝业股份有限公司大冶铜板带有限公司,湖北黄石435005,湖南长沙410083

摘要：

分析了井下架线式电机车运行现状及存在的维护量大、维护成本高、故障率高等问题。设计了一种基于DTC的电机车电机变频调速装置, 现场应用情况表明其具有起动力矩大、维护量小、故障率低、节约成本的优点。指出了应用DTC变频调速技术改造传统的矿用架线式电机车直流传动系统的必要性及应用前景。

关键词：

变频器;直接转矩控制;架线式电机车;

中图分类号： TM921.51

收稿日期：2006-08-20

Design of DTC Variable Frequency Speed-Regulating Device in Underground Trolley Locomotive and Application

Abstract：

The operating situation and the exiting problems in the underground trolley locomotive, such as the large quantity of maintenance, the high cost of maintenance, the high percent of malfunction were analysed.A DTC variable frequency speed-regulating device is put forward which has advantages of high starting torque, small quantity of maintenance, low percent of malfunction and saving cost when it is put into practice.At last, the necessity and foreground of application of DTC variable frequency speed-regulating technique to alter the direct current driving system of traditional trolley locomotive were presented.

Keyword：

transducer;direct torque control;trolley locomotive;

Received： 2006-08-20

直流架线式电机车是矿井主要的运输设备, 它的牵引电机一般都采用两台直流串激电动机作为牵引动力。为了减小起动电流, 在刚起动时把两台电机串联, 并在回路中串上最大的起动限流电阻。随着转速的增大, 司机逐步把电阻切除, 然后再把两台电机接成并联。这时候又必须把起动电阻接入, 再慢慢切除电阻, 最后电阻全部切除, 电机车就以全速来运行。而制动采用能耗制动, 就是将电动机从电源上断开, 把它接成串激发电机并串入一定的制动电阻。这时候电机车的惯性动能经电机转换成电能消耗在电阻上, 从而使电机车加速停车。通过调节制动电阻的大小来改变制动力矩。这些复杂的线路切换都是通过控制器来完成的。所谓控制器实际上就是一个多组触点的手动转换开关, 它包括主控制器鼓和换向鼓二部分。换向鼓是控制电机车前进或后退的, 主控制器鼓则是接入和切换电阻, 把两台电动机接成串联或并联, 以及把电动机接成能耗制动而用的 ^[1,2,3] 。

1 原装置存在的问题

目前矿井有7台型号为ZK10-7/250-3C直流架线式电机车, 全部都是使用直流串激电动机, 调速方式是最原始的电阻降压调速, 控制方式是依靠司车头控制器的触点切换来控制。经过多年的使用和维护保养, 总结出这种直流架线式电机车存在的问题主要表现在: (1) 直流电动机结构复杂、造价昂贵、耐潮性差, 再加上转子上因为有线圈和易磨损的炭刷, 故障率高, 维修费用大; (2) 依靠司车头控制器的切换来控制加速, 平滑性差; 在需要低速运行时, 只有依靠在零档和1档的切换来实现, 经常烧蚀触头; (3) 由于控制器接触不良或接地, 经常造成单机运行以及电气制动失灵, 安全性能差; (4) 炭刷的磨损, 以及触头的烧蚀都造成设备的故障率高, 维修量大, 影响正常的生产; (5) 直流电动机造价昂贵, 炭刷和触头的更换频繁, 使备件的成本较大; (6) 在节能方面, 因电阻降压调速带电阻运行, 所以电能浪费严重。

因而寻求一种性能可靠、故障率低、维修方便, 又不浪费大量电能的电机车来取代落后的直流电阻调速电机车是矿井管理和技术员的期盼。

2 改造装置的性能要求

由于矿山的特殊环境, 尤其是井下, 运行环境比较恶劣, 电网电压波动大, 架线线路高低不平, 致使受电弓子跳动频繁。铁轨铺设不是很平整, 铁轨连接处的连接块也没有接好, 使得回馈线电阻增大, 远离变电站的地方电压偏低。而且井下漏斗和弯道多, 无电区多, 加上车斗的连接简单, 碰撞冲击大。这些都对作为井下主要的运输设备的直流架线式电机车提出了特殊的要求: (1) 为了降低改造费用, 缩短施工时间, 改造后的电机车还是在275 V的直流架线下工作, 因而采用的三相交流异步电动机必须工作在由直流275 V逆变成的三相变频交流电下。同时三相交流电动机的机座必须符合原来的安装尺寸, 对轮的尺寸和原来的一样, 可以直接互换安装 ^[6] ; (2) 改造后的电机车的牵引力最低要达到20 kN, 以适应井下弯道多; (3) 在架线弓子瞬时断电时, 恢复后能够迅速起动; (4) 改造后的电气故障率低, 维修量少, 可靠性高; (5) 备件消耗少, 节约成本; (6) 节约电能。

3 改造方案的选择

近年来, 随着电力电子技术和PLC技术及IGBT功率期间的迅速发展, 作为交流电机主要调速方式的变频调速技术也获得了前所未有的发展。变频器主要用于交流电动机 (异步电机或同步电机) 转速的调节, 尤其是直接转矩控制 (DTC) 变频器, 在调速领域独树一帜, 是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案, 在港口机械、冶金、造纸、电梯等多个领域得到迅速推广 ^[5,8] 。除了具有卓越的调速性能之外, 变频器还有显著的节能作用, 和直流调阻电机车以及直流斩波电机车相比具有无可比拟的优越性, 如表1所示。

表1 各种控制方式电机车性能优越性对比表

Table 1 Performance of locomotives

比较内容	直流调阻电机车	直流斩波电机车	DTC变频电机车
电机的维修量	大	大	小
电机碳刷的消耗	多	多	无
过载、短路保护	差	一般	好
输出转矩	一般	一般	大
调速的平滑性	差	一般	好
对机械的冲击	大	好	好
控制方式	复杂	一般	简单
控制器的维修量	大	一般	小
制动安全性能	差	一般	好
故障率	高	高	小
备件消耗	大	大	小
节能效果	差	一般	好

可见, DTC变频调速系统的性能已经完全超过直流串电阻调速系统, 取代直流串电阻调速系统已经是必然。因而选择DTC变频调速装置来改造直流调阻电机车是最佳的方案 ^[4] 。

4 改造系统的原理

4.1 系统组成

改造后的系统由以ABB公司ACS600为核心的DTC变频调速器取代原有的直流调阻系统和将直流电动机更换为三相交流异步电动机组成。其电气系统框图如图1所示。

4.2 系统原理

DTC的控制技术是ABB公司的ACS600产品的核心技术, 它是利用空间电压矢量PWM通过磁链、转矩的直接控制、确定逆变器的开关状态来实现的。直接转矩控制变频调速系统图如图2。

异步电动机的转矩同逆变器输出电压矢量控制逆变器的开关策略由开关信号选择单元给出。电动机的定子电流、母线电压同检测单元测出后经坐标变换器变换到模型所用的d-p坐标系下, 再同转速信号一起作为电动机模型的输入, 计算出磁链和转矩; 模型磁链幅值、转速值、转矩值同给定的输入量比较后送入各自的调节器, 经过两点式调节输出相应的磁链和转矩开关量, 这个量做为开关信号选择单元的输入, 以选择适当开关状态来完成直接转矩控制 ^[7] 。它完全能够使三相鼠笼异步电动机达到和超过直流电动机的起动转矩 (零转速满转矩起动, 转矩可达到200%以上, 最大转矩为300%) , 可满足电机车在低速时的最大起动牵引力, 使机车强劲有力, 是目前最先进的交流异步电机的控制方式。这对井下环境恶劣、轨道转弯多、弧度小非常有利 ^[4,9] 。

4.3 技术参数

变频器: ABB公司ACS600; 电机车粘重: 10 t; 牵引力: 23 kN; 牵引电机型号: YQP, 30 kW, 180 V; 牵引电机功率: 30 kW (双电机) ; 变频范围: 0～100 Hz; 恒转矩范围: 0～50 Hz; 恒功率范围: 50～100 Hz; 防护等级: IP21; 架线电压: 275 V; 制动方式: 电制动; 调速方式: 变频变压调速。

5 使用效果

2004年底, 对我矿直流架线式电机车中的一台进行改造, 经改造后的电机车, 运行至今半年多的时间里, 该电机车起动平稳, 运行安全可靠, 起动力矩大。原有的司机控制装置、起动电阻全部取消, 节省材料、降低电耗明显。

5.1 能耗比

直流电机车采用电阻调速方式时, 为了满足电机车启动时低速、大转矩的要求, 在启动过程中, 串入电阻消耗大量电能。电机车达到一定速度后, 按照我国矿山的一般情况, 电机车处在经济运行级 (电阻全部切除) 运行, 但绝大多数情况下, 为了使电机车处于安全运行状态, 还应是带电阻运行, 因此有相当部分电能通过电阻而消耗。而交流变频调速电机车根据实际需要, 变化电机的电压频率值, 实现调速控制, 无外加电阻损耗, 其节能性与电阻调速相比, 将节能35%～50%以上。每天按运行15 h计算, 电阻调速电机车需耗电359度, 交流变频调速电机车只耗电192度, 因而交流变频调速电机车一年节电: (359-192) 度×300天=50100度, 每度电按0.5元计算, 节约电费: 50100度×0.5元=25050元。

图1 DTC变频调速器电气系统框图

Fig.1 Electric system block diagram of DTC frequency-variable speed-adjustable machine

图2 直接转矩控制变频调速系统图

Fig.2 System diagram of DTC frequency-variable speed-adjustable

5.2 备件消耗比

电阻调速电机车的调速是利用凸轮控制触点闭合来改变外加电阻的阻值而实现调压。因此触头经常处在带电分合的机械磨损状态, 依照经验, 平均3个月更换一次触头属于正常现象。而变频调速电机车没有此项消耗。每次更换需材料费按1000元计算, 因此交流变频调速电机车一年节约材料费: 4×1000元=4000元。这还不包括修理维护费用和耽误生产的损失。