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变频调速技术在直流架线式电机车的应用

发表时间：2021/3/26 来源：《电力设备》2020年第32期作者：杨世坤

[导读] 摘要：直流架线式电机车的使用在集团公司内部较为广泛，其采用的是直流电机驱动，直流电机结构复杂，价格昂贵，维修量大，主要调速方式还是使用较为原始的在电枢回路串联调节电阻的调压方式，这种调速方式因为调速平滑性差，电阻高温发热量大，电动机自然冷却受季节变化环境温度影响较大，本文主要对一种新型变频调速器在架线式电机车使用的原理及特点进行简要介绍。

        （山西中条山集团胡家峪矿业有限公司 043700）
        摘要：直流架线式电机车的使用在集团公司内部较为广泛，其采用的是直流电机驱动，直流电机结构复杂，价格昂贵，维修量大，主要调速方式还是使用较为原始的在电枢回路串联调节电阻的调压方式，这种调速方式因为调速平滑性差，电阻高温发热量大，电动机自然冷却受季节变化环境温度影响较大，本文主要对一种新型变频调速器在架线式电机车使用的原理及特点进行简要介绍。
        关键词：变频调速交（直）流电动机   架线式电机车调速平稳
        1 概述
        胡家峪矿业公司南和沟现用电机车全部为直流架线式电机车，其采用恒定的DC 250V牵引供电系统供电，直流牵引电机为了限流和达到起动和制动平稳的目的，起动、调速和制动都运用电阻直接控制，其调速性能差、控制设备极易损坏，维修量较大。自2020年5月对其中一台电机车进行变频调速系统改造，将原有控制器更换为变频调速器、直流牵引电机更换为交流调速电机等，通过变频调速器实现对主电路的调速控制，控制器件简单易操作，可靠性高，故障率低，使用寿命长，维修量小。因此变频调速技术在架线式电机车的应用前景广阔。
        2 变频调速的基本原理
        变频调速的基本控制方式为
        E1=4.44f1N1φ         （1）
        式中 E1—定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值V；
        f1—定子电流频率，Hz；
        N1—定子绕组的有效匝数；
        Φ—每级磁通量，Wb；
        异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为n0=60f1/P （2）
        异步电动机的转子转速为n=n0（1-s）=60f1（1-s）/P    （3）
        式中 n0—同步转速；
        f1—定子电流频率；
        P—磁极对数；
        S—异步电动机的转差率。
        由式（3）可知，改变异步电动机定子电流频率，可以调整其同步转速，实现调速运行。
        对异步电动机进行调速控制时，希望主磁通保持不变，磁通太弱，铁芯利用不充分，同样的转子电流，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。由式（1）可知，气隙磁通φ是由E1和f1共同决定的，对E1和f1进行适当的控制，就可以使气隙磁通φ保持不变。
        3 变频调速的方式
        3.1恒转矩调速
        当f＜fn时，即低于额定转速调速时，应保持U/f的比值近乎不变。由U≈4.44fNφ和T=KφIcosφ两式可知，此时磁通φ和转矩T也都近似不变，这就是恒转矩调速。
        如果把转速调低时，保持U=Un，在减小f时磁通φ将会增加，这就会使磁路饱和，从何增加励磁电流和铁损，导致电机过热，这是不允许的。
        3.2恒功率调速
        当f＞fn时，即高于额定转速调速时，应保持U≈Un。这时磁通φ和转矩T都将减小。转速增大，转矩减小，将使功率近乎不变，这就是恒功率调速。

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        如果把转速调高时，保持U/f的比值不变，在增加f时U将会增加，U超过额定电压也是不允许的。
        4 变频调速系统的优异特性
        （1）调速时自身损耗小，平滑性好，效率高；低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。
        （2）调速范围较大，精度高。
        （3）起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。
        （4）变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。
        （5）易于实现过程自动化。
        （6）可使电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。
        （7）可实现软启、制动功能，减小启动电流的冲击。
        5 矿用架线式电机车选用变频调速系统的优势
        由于交流电机效率高、功率大，所需的维护成本低，因此对于现阶段的矿用电机车来说，已经逐渐朝直流电机向交流电机方向发展。通过在矿用电机车上使用变频调速技术，能够大大提高电机车的调度性能，降低设备的磨损延长设备的使用寿命，同时还能够减少成本投入，提高电机车控制精度，满足当前矿井运输事业的需要。
        （1）矿用架线式电机车采用直流架线供电，若采用变频调速，变频器可减少整流部分和滤波部分，仅需逆变器便可完成变频调速功能，这样以来就降低了变频器的成本。对于直流电牵引的电机来说，由于绝缘过流、下降等因素的影响，会导致电机的转子线圈遭到不同程度的损害。这是由于转子的转向铜头碳刷容易遭到磨损，以至于无法对于转子碳粉进行及时清理，所以直流电牵引电机常常会出现故障，故障的发生频率较高。而在进行损坏零件的更换时，所花费的成本较高。相比之下，三相异步变频电机就具有更高的可靠性，在其内部的鼠笼转子，不具备线圈和转向铜头，也就使得其具有更好的密闭性，不会由于空气中湿度的上升，而导致绝缘性受到影响，从而使得设备损坏。所以这种电机很少需要进行维修，而且不容发生故障，大大降低了电机的运行成本。
        （2）矿用架线式电机车要求启动平稳，若采用直流电机驱动，在启动转矩一定的情况下，特别是在负载较小的情况下，要实现启动非常平稳难度较大。若采用变频调速系统，启动平稳，调速平滑，方便操作，安全可靠。架线直流牵引电阻调速电机车是依靠牵引电动机的并串联、并列电阻的增减，来进行电机车的调速，随着电机车负载的变化，直流牵引电机在转速上，也会发生相应的改变。而对于交流牵引变频调速来说，则是一种无级调速，对于牵引电机的增速和减速，依靠给定频率的大小来实现，而最低的给定速度小于0.1Hz，所以就能够设计车速的最高限制。这样即使在电机车负载较轻的下坡路行驶时，也会避免超速飞车等情况的发生。而且，使用变频调速器，要有5s的效率提升时间，因此，司机如果在以零速启动以后，马上就进行最高速度的增加，也只有在5s以后，才能够实现电机车的最高速度的运行。
        （3）降低成本，减少维修量。直流电机结构复杂，价格昂贵，维修困难，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须要对其进行定期检查和更换，给维修人员带来了较大的工作量。而对于采用变频调速系统来说，能够对于频率变换速度进行改变，而且这一速度的改变过程往往是缓慢进行的，持续在5s以内，因此也就会减少对于传动系统的冲击。另外，在电机车进行减速停车以及运转的过程中，也不需要以手动的方式进行制动，这也就使得闸瓦不会受到过多磨损。同时，交流异步电机发生故障的几率很低，不需要在使用启动电阻，因此也能够较少电机的维修频率和次数，从而有效节约成本。
        （4）使用安装环境恶劣，由于直流电机结构复杂，电机安装环境也受到限制。变频调速系统要求使用交流电动机，结构简单，价格便宜，维修方便，优势明显。
        （5）节能降耗。在进行电阻调速的电机车的牵引过程中，如果应用直流电机，那么在电机车下坡时，就无法实现对牵引电网的反馈。因此，依靠直流牵引的架线电机车，在进行减速制动以及启动的过程中，往往会造成大量的能源消耗，导致能源浪费现象。而变频调速电机车能够对于牵引电网馈电功能轻松设置，在列车上坡时，也能够有效补偿电能消耗，具有较明显的节能效果。矿用架线式电机车往返时负载相差较大，利用变频调速技术，轻载时，通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的，约可节电25%；并能够使电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子的损耗。
        6 结束语
        自上世纪80年代以来，变频器越来越广泛应用于各行各业。随着未来矿山向智能化、绿色化方向发展，采用变频调速方式的架线式电机车因其具有节能、高效、操作简单、维修量小、保护功能齐全等显著优势具有值得推广并广泛使用的意义，必将成为架线式电机车更新换代的一种较为理想的选择。