楊文龍， 劉柏祿， 張文忠， 趙志剛

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西鐵山垅鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341000）

地下鎢礦山直流牽引電機(jī)車交流變頻技術(shù)應(yīng)用研究

楊文龍1， 劉柏祿1， 張文忠2， 趙志剛1

（1.贛州有色冶金研究所，江西 贛州 341000；2.江西鐵山垅鎢業(yè)有限公司，江西 贛州 341000）

目前鎢礦山使用的架線電機(jī)車絕大部分是電阻調(diào)速電機(jī)車，普遍存在故障率高、維修量大、維修成本高、電能浪費(fèi)大等缺點(diǎn).針對(duì)這種情況進(jìn)行了直流牽引電機(jī)車交流變頻技術(shù)應(yīng)用研究，在地下礦山現(xiàn)有的架線條件下，對(duì)現(xiàn)有的電阻調(diào)速機(jī)車進(jìn)行改造，形成樣機(jī)，投入礦山進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)研究.

交流變頻技術(shù)；電機(jī)車；鎢礦山

近年來，交流變頻技術(shù)在國內(nèi)各個(gè)行業(yè)得到普及和使用[1]，獲得了巨大的市場(chǎng)效益和社會(huì)效益.國內(nèi)交流變頻技術(shù)專業(yè)人才大量增加，為交流變頻技術(shù)在架線式工礦電機(jī)車上的應(yīng)用提供了人才條件和技術(shù)支撐，同時(shí)隨著采掘機(jī)械化的發(fā)展和國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，小噸位電機(jī)車已滿足不了礦區(qū)運(yùn)輸任務(wù)，架線式工礦電機(jī)車必然朝重型化、高速化和自動(dòng)化、關(guān)鍵部件的免維護(hù)化、機(jī)車結(jié)構(gòu)模塊化、微機(jī)控制交流傳動(dòng)的方向發(fā)展[2].

1 鎢礦山電機(jī)車應(yīng)用現(xiàn)狀

從目前了解的情況看，贛南所有鎢礦山絕大部分還是采用直流架線式電阻調(diào)速電機(jī)車，該種機(jī)車在鎢礦山使用了十幾甚至幾十年.直流架線機(jī)車一般都采用2臺(tái)直流串激電動(dòng)機(jī)作為牽引動(dòng)力，為了減小起動(dòng)電流，在剛起動(dòng)時(shí)把2臺(tái)電機(jī)串聯(lián)，并在回路中串上最大的起動(dòng)限流電阻，隨著轉(zhuǎn)速的增大，司機(jī)逐步把電阻切除，然后再把2臺(tái)電機(jī)接成并聯(lián)，此時(shí)又必須把起動(dòng)電阻接入，再慢慢切除電阻，直至全部切除，電機(jī)車就以全速來運(yùn)行.而制動(dòng)采用能耗制動(dòng)，就是將電動(dòng)機(jī)從電源上斷開，把它接成串激發(fā)電機(jī)并串入一定的制動(dòng)電阻，此時(shí)電機(jī)車的慣性動(dòng)能經(jīng)電機(jī)轉(zhuǎn)換成電能消耗在電阻上，從而使電機(jī)車加速停車，并通過調(diào)節(jié)制動(dòng)電阻的大小來改變制動(dòng)力矩.這些復(fù)雜的線路切換都是通過控制器的觸點(diǎn)切換來完成的[3-5].電阻調(diào)速電機(jī)車普遍存在故障率高、維修量大、維修成本高、電能浪費(fèi)大、安全性不強(qiáng)等缺點(diǎn)[6-7].目前鎢礦山使用的架線電阻調(diào)速電機(jī)車普遍存在這種現(xiàn)象.[8]

2 變頻調(diào)速機(jī)車研究與改造

2.1 機(jī)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)車結(jié)構(gòu)部分采用了有限元分析方法對(duì)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)動(dòng)力進(jìn)行最優(yōu)匹配，使整機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁；為了保證整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，整車車架采用框式結(jié)構(gòu)，利用振動(dòng)時(shí)效原理、消除車架焊縫的殘余應(yīng)力；機(jī)車采用多向自由度V型橡膠彈簧緩沖元件減振，解決了多年來使用鋼板彈簧單向減振和剛性硬存在的減振效果不良的缺陷.圖1為電機(jī)車外形及結(jié)構(gòu)圖.

圖1 電機(jī)車外形及結(jié)構(gòu)圖

車架由兩側(cè)板組成，兩端用彈性緩沖器連接，輪軸軸承為圓錐滾柱軸承，兩輪軸各裝置單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)，由齒輪直接帶動(dòng).控制器裝在駕駛室內(nèi)，用以操作機(jī)車制動(dòng)可用控制器或轉(zhuǎn)動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)的手輪來進(jìn)行，加砂器可加砂在路軌上，增大路軌與車輪間的粘著系數(shù)，以防止起動(dòng)或加速度時(shí)車輪滑動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)也可以用加砂器加砂來增加制動(dòng)效果.制動(dòng)系統(tǒng)和加砂的操縱機(jī)構(gòu)也都裝在駕駛室內(nèi)，司機(jī)操作方便[9].

2.2 機(jī)車變頻技術(shù)原理

作為電機(jī)車應(yīng)用交流異步電機(jī)作牽引動(dòng)力，較普遍地采用過以下3種策略控制交流牽引電機(jī)：①VVVF控制；②矢量控制；③直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC，Direct Torque Control).

直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC），直接在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩.它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算；它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型[10].

機(jī)車調(diào)速采用了直接速度控制（DSC，Direct Speed Control）加直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）變頻調(diào)速技術(shù)，結(jié)合工礦電機(jī)車運(yùn)行的實(shí)際工況，進(jìn)行工礦電機(jī)車變頻調(diào)速技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)了工礦電機(jī)車無級(jí)調(diào)速.

如圖2所示變頻調(diào)速的結(jié)構(gòu)由濾波電路、三相全橋逆變電路、變頻控制電路、三相交流電動(dòng)機(jī)和手動(dòng)控制器5大部分組成.

圖2 變頻器結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 變頻調(diào)速機(jī)車工作原理

針對(duì)電機(jī)車要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用直接速度控制（DSC）加直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式，來自受電弓的直流電進(jìn)入變頻器后，經(jīng)過電感和電容濾波，在單片機(jī)的控制下經(jīng)過逆變?yōu)殡妷?、頻率可調(diào)的三相交流電，再通過輸出端濾波器濾波，變頻器輸出三相正弦交流電壓給牽引電機(jī)，拖動(dòng)電機(jī)車運(yùn)行.系統(tǒng)采用1臺(tái)變頻器拖動(dòng)2臺(tái)電機(jī)的方式，2臺(tái)電機(jī)在變頻器輸出端并聯(lián)運(yùn)行[11].

2.4 機(jī)車系統(tǒng)保護(hù)功能

電機(jī)車變頻設(shè)備具有完善的保護(hù)功能，在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)進(jìn)行故障定位和顯示，主要保護(hù)功能有：過壓、過流、過負(fù)荷、過熱、欠壓、短路、接地、外部報(bào)警、電容保護(hù)、主器件自保護(hù)等.

3 變頻調(diào)速機(jī)車礦山適應(yīng)性試驗(yàn)

通過研究并在電阻調(diào)速機(jī)車基礎(chǔ)上改造的交流變頻調(diào)速機(jī)車（10 T）放在江西贛州某鎢礦山進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn).

（1）濕度適應(yīng)性試驗(yàn).在試驗(yàn)機(jī)車上懸掛有1個(gè)干濕球濕度計(jì)，機(jī)車濕度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)機(jī)車所處環(huán)境濕度在80%R.H.～95%R.H.之間.經(jīng)過1年多較惡劣的濕度適應(yīng)性試驗(yàn)表明，試驗(yàn)機(jī)車濕度適應(yīng)性較好，能適應(yīng)井下惡劣的濕度環(huán)境.

（2）巷道適應(yīng)性試驗(yàn).由于機(jī)車力量大，機(jī)車大小規(guī)格和改造前的電阻調(diào)速機(jī)車大小一致，爬坡力量更勝電阻調(diào)速機(jī)車，鎢礦山井下巷道坡度均很小，所以機(jī)車在巷道坡度等無任何問題.通過試驗(yàn)表明，變頻調(diào)速機(jī)車完全能適應(yīng)鎢礦山井下巷道，且能跑的更快，速度也更勻速.

（3）供電線路適應(yīng)性試驗(yàn).供電線路還是用原來的直流250 V架線線路，沒做任何改造.盡管試驗(yàn)巷道的架線不是很規(guī)范，但通過一年多的試用，在電壓條件滿足時(shí)，變頻調(diào)速機(jī)車對(duì)井下供電線路環(huán)境適應(yīng)性還是較好的.

（4）架線電壓適應(yīng)性試驗(yàn).專業(yè)人員采用專業(yè)測(cè)試儀跟車對(duì)機(jī)車進(jìn)行電壓在線檢測(cè)，并觀察運(yùn)行狀態(tài).變頻調(diào)速機(jī)車從選廠附近出發(fā)，隨著越接近末端，電壓值從250 V不斷下降，當(dāng)電壓在120～130 V之間波動(dòng)時(shí)，機(jī)車欠壓保護(hù)，機(jī)車停止運(yùn)行.

當(dāng)初設(shè)定的電壓范圍是直流130～360 V，能正常工作的電壓范圍比較寬.但礦山架線不規(guī)范，線路遠(yuǎn)，地線（路軌）連接不好，導(dǎo)致較遠(yuǎn)的巷道末端電壓出現(xiàn)低于130 V從而導(dǎo)致機(jī)車因欠壓保護(hù)而停車情況.

（5）牽引力適應(yīng)性試驗(yàn).找一臺(tái)同規(guī)格電阻調(diào)速機(jī)車（10 T）和該變頻調(diào)速機(jī)車進(jìn)行牽引力試驗(yàn)對(duì)比，看變頻調(diào)速機(jī)車是否能滿足生產(chǎn)要求.

電阻調(diào)速機(jī)車一般工作時(shí)拉10個(gè)斗 （滿載），變頻調(diào)速機(jī)車?yán)剀?3個(gè)斗（滿載）運(yùn)行時(shí)一切正常，在此后一年多的試用過程中，一直是拉13個(gè)斗運(yùn)行.這表明變頻調(diào)速機(jī)車牽引力完全能滿足生產(chǎn)要求.

（6）頻率調(diào)節(jié)范圍試驗(yàn).變頻調(diào)速機(jī)車頻率調(diào)節(jié)范圍經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試儀上顯示頻率可以從靜止時(shí)的對(duì)應(yīng)的0 Hz調(diào)節(jié)至最高速時(shí)的100 Hz.

（7）動(dòng)力制動(dòng)試驗(yàn).變頻調(diào)速機(jī)車有電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)2種方式，工作時(shí)一般均采用電制動(dòng)，駐車時(shí)（含斷電）需采用機(jī)械制動(dòng).電阻調(diào)試機(jī)車只有機(jī)械制動(dòng)[12].但需要說明的是，目前許多操作工違規(guī)采用反向動(dòng)力進(jìn)行制動(dòng)，這對(duì)機(jī)車損害很大，容易燒毀控制器和直流電動(dòng)機(jī).

4 運(yùn)行結(jié)果及分析

4.1 運(yùn)行結(jié)果

試驗(yàn)變頻調(diào)速機(jī)車一直在該礦選廠至礦石提升井段運(yùn)行，主要為拉原礦到選廠.機(jī)車從一開始使用效果就不錯(cuò)，受到操作工、維修工、電工的一致好評(píng)，操作比老式機(jī)車簡(jiǎn)單方便，機(jī)車牽引力也比以前大.機(jī)車為無級(jí)調(diào)速，最低可調(diào)頻率0.1 Hz，最低車輪轉(zhuǎn)速可調(diào)至0.5 r/min，并且該變頻調(diào)速器具有速度跟蹤功能，速度的高低全由調(diào)速手柄控制，可設(shè)定任何車速的限制，具有準(zhǔn)確的零速制動(dòng)功能.另外，機(jī)車變頻器保護(hù)功能齊全，具有對(duì)電機(jī)過流、過壓、過熱、過載、堵轉(zhuǎn)、欠壓、缺相和輸出短路的保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)和電池組的全方位保護(hù).

4.2 推廣需要解決的問題及解決方法

目前，在試驗(yàn)和一年多的試用過程中，出現(xiàn)如下問題還需要解決：

（1）末端架線130 V以下時(shí)停車.該問題可以通過規(guī)范井下架線，敷設(shè)副線至末端并增設(shè)整流柜兩端供電等方法解決.

（2）變頻部分維修難度高.變頻部分維修要求較高，因此需要培養(yǎng)專業(yè)維護(hù)人員.目前大部分鎢礦山都不具備這種能力，專業(yè)培養(yǎng)也會(huì)額外增加企業(yè)要求和負(fù)擔(dān)，也不太現(xiàn)實(shí).因此，最好的辦法是對(duì)現(xiàn)有的維護(hù)工人進(jìn)行適度專業(yè)培訓(xùn)，使維護(hù)人員具備在廠家專業(yè)人員指導(dǎo)下查找故障原因，更換備件的能力.

（3）操作不習(xí)慣或不熟悉.變頻調(diào)速機(jī)車和電阻調(diào)速機(jī)車相比，操作方式有不同的地方.比如剎車，電阻調(diào)速機(jī)車需要拉弓斷電，并機(jī)械制動(dòng).而變頻調(diào)速機(jī)車不需要拉弓，只需把調(diào)速手柄掉到零位即可.如果還按電阻調(diào)速機(jī)車的制動(dòng)方法操作來制動(dòng)變頻調(diào)速機(jī)車，會(huì)因變頻器反復(fù)斷電上電，出現(xiàn)啟動(dòng)慢的問題.

操作不習(xí)慣或不熟悉的問題，可通過對(duì)操作人員進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)的方法解決，讓操作工人掌握并習(xí)慣變頻機(jī)車的使用方法

5 結(jié)束語

通過對(duì)電機(jī)車變頻技術(shù)應(yīng)用研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明：交流變頻技術(shù)能提高電機(jī)車性能、降低電機(jī)車故障率、降低電機(jī)車維修成本、提高設(shè)備的作業(yè)率、節(jié)約電能，有很好的經(jīng)濟(jì)效益.

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AC variable frequency technology of DC traction motor vehicle in the underground tungsten mine

YANG Wen-long1,LIU Bo-lu1,ZHANG Wen-zhong2,ZHAO Zhi-gang1

(1.Ganzhou Nonferrous Metallurgy Research Institute,Ganzhou 341000,China;2.Jiangxi Tieshanglong Tungsten Co.Ltd.,Ganzhou 342300,China)

The electric locomotive of resistance speed is widespread used in Chin’s tungsten mine.Problems such as high failure rate,high maintenance cost and workload and great electrical energy waste are frequent in the electric locomotive.This paper studies AC frequency conversion technology application with DC traction electric locomotive.Under the existing lines condition of the underground mining,we transform the resistance speed locomotive and develop the locomotive sample.Adaptive testing are performed on these samples in the tungsten mine.

AC frequency conversion technology;electric locomotive;tungsten mine

TD679

A

1674-9669（2011）06-0097-04

2011-09-17

江西省科技廳指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目（2010ZDG00300）

楊文龍（1978－ ），男，工程師，主要從事工礦自動(dòng)化系統(tǒng)及設(shè)備的研制開發(fā)與應(yīng)用研究，E－mail:ywl6582@163.com.