張春雷

摘 要：隨著現(xiàn)代電力電子器件、智能功率集成模塊問世，控制理論及微電子技術的發(fā)展，使直流電動機的斬波調(diào)速得以順利實現(xiàn)，同時隨著大功率自關斷器件的日趨完善和以微處理器件為核心的數(shù)字控制技術的發(fā)展，更促進了斬波調(diào)速技術在工礦電力機車上的應用。

關鍵詞：斬波 節(jié)能 調(diào)速

1概述

斬波調(diào)速是通過現(xiàn)代控制技術調(diào)整交流電的物理量，從而調(diào)整電機上的電壓達到改變電機轉速?，F(xiàn)代電力電子器件、控制理論及微電子技術的發(fā)展，促進了斬波調(diào)速技術在工礦電力機車上的應用。

1.1 節(jié)電

構建節(jié)約型社會是當今社會一項重要任務，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。因此大力推廣和應用節(jié)能產(chǎn)品勢在必行?，F(xiàn)有電力機車是靠增減與電動機串聯(lián)的起動、制動電阻來調(diào)速的，大量的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費。改用斬波調(diào)速后，取消了電阻器，靠改變加于電機上的脈沖寬度調(diào)整電壓從而調(diào)整速度，節(jié)約電能在25%以上。

1.2 技術先進

電力機車斬波調(diào)速技術即無級調(diào)速，是利用單片計算機控制電力電子器件達到調(diào)壓目的。該系統(tǒng)采用單片計算機進行全數(shù)字化控制，控制精度高，操作容易，抗干擾能力強，智能化程度高。

1.3 提高單機效率，節(jié)約維護檢修費用

斬波調(diào)速設備為半導體無觸點設備，運行效率極高，無故障時間長，無須經(jīng)常性維修和更換備件，因而大大提高單機作業(yè)效率，節(jié)約大量維修費用。

2工礦電力機車斬波調(diào)速系統(tǒng)組成及特點

2.1 系統(tǒng)組成

直流斬波調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)主要由IGBT功率組件、微機控制單元、PLC控制裝置及開關組件構成。

IGBT功率組件采用IGBT模塊作為主功率元件，主元件散熱器采用新型風冷熱管散熱器，一個IGBT功率組件單獨控制一臺牽引電機。IGBT驅動采用光纖傳輸，在高電壓裝置中光纖信號傳輸幾乎沒有干擾，具有抗干擾能力強的特點。

微機控制單元是裝置的核心，采用集成PSD的 ST系列單片機構成三片機系統(tǒng)。控制方式為電流、電壓雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)牽引、制動工況下的電流力矩調(diào)節(jié)和電氣制動控制。

整個起動加速過程電流變化平穩(wěn)，無加速度沖擊感，電機車牽引起動運行穩(wěn)定。制動工況為電阻能耗-交叉制動。在調(diào)節(jié)過程中可實現(xiàn)過流、短路、過壓、欠壓、防空轉、溫度等保護功能。

控制單元采用OMRON系列PLC，PLC控制主要取代控制繼電器及輔助觸點，以實現(xiàn)無觸點的軟件控制模式。以往的電氣控制采用有觸點繼電器控制，由于繼電器為機械接觸，故障率高，維修不便。改進后提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了設備維修工作量，同時可實現(xiàn)顯示屏在線顯示電機車運行狀態(tài)及故障自診斷。

2.2 主要技術特點

2.2.1結構模塊化。采用的模塊為自關斷全控型電力電子器件，僅一個功率模塊加上驅動模塊及風冷熱管散熱器就構成斬波器功率單元，無需吸收緩沖電路或其它任何輔助器件，并且驅動電路簡單，簡化了裝置的結構，縮小了體積，可靠性提高，用戶維護方便。

2.2.2抗干擾能力強。采用最新微電子數(shù)字控制技術和電氣隔離技術，輸入和輸出信號隔離，驅動信號及過流保護采用專用光纖接頭，可實現(xiàn)遠距離信號傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，簡化了現(xiàn)場維護要求。

2.2.3無級調(diào)速。系統(tǒng)實現(xiàn)了電機車無級連續(xù)調(diào)節(jié)速度，平滑性好，使牽引起動平穩(wěn)，提高電機車牽引力。

3 電力機車斬波調(diào)速系統(tǒng)技術改造方案

3.1 主電路結構簡單，牽引、制動轉換容易，牽引為兩相不重合電路，電制動為交叉勵磁電路。

3.1.1取消高壓室電阻切換及電機串并聯(lián)電空接觸器等電氣元件。

3.1.2取消原駕駛臺方向盤式司機控制器，由新型司機控制器取代。新型司機控制器優(yōu)勢在于體積小，重量輕，操作靈活，且操控噪音小。

3.1.3正司機控制操作臺經(jīng)重新布局，增加彩色液晶顯示器及控制開關、指示燈、按鈕等元件。

3.1.4增加斬波調(diào)速系統(tǒng)控制柜、斬波器裝置、增加氣流循環(huán)系統(tǒng)

3.1.5增加其它部件，濾波電抗器、平波電抗器、充電電阻、濾波電容器、電流、電壓傳感器

3.2 斬波調(diào)速系統(tǒng)控制柜（DSZ-1500-150）

3.2.1構成

斬波調(diào)速系統(tǒng)控制柜是由主控板、PLC、控制電源、風機控制、固態(tài)繼電器、電源開關、電機選擇開關、速度信號檢測、電壓檢測等環(huán)節(jié)組成。

其中主控板、PLC控制器及固態(tài)繼電器為整個核心部分，一套PLC控制器用于對主傳動電氣系統(tǒng)三套斬波器進行統(tǒng)一控制及通訊。在出現(xiàn)故障時可以單轉向架切除，僅損失三分之一的動力。

3.2.2采用OMRON可編程控制器CPM2A系列PLC

（1）可靠性高，抗干擾能力強，減少了設備維修工作量。

（2）配套齊全，功能完善，適用性強。

（3）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。

（4）體積小，重量輕，能耗低

3.3增加氣流循環(huán)系統(tǒng)

考慮到設備運行地區(qū)的氣候條件，夏季高壓室內(nèi)環(huán)境溫度較高，機車原有結構不能滿足所需散熱條件，因此，在不影響機車運行的前提下，分別在高壓室的側面加裝百葉窗、頂棚加裝通風孔、端部加裝通風罩。

3.4 其它設備

（1）安裝濾波電感，減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，改善電力機車起動特性，提高了牽引力。

（2）安裝平波電感，為防止諧波的干擾，改善電網(wǎng)質量。

（3）安裝電壓傳感器和電流傳感器，用于測量電壓、電流。

4結束語

工礦電力機車進行了斬波調(diào)速改造之后，從理論電量的消耗情況來看，節(jié)能達到35%以上；從備件消耗情況來看，因數(shù)字化斬波調(diào)速系統(tǒng)屬于新興技術，市場競爭力較弱，備件費用相對偏高，相比電阻調(diào)速機車而言綜合高于5%左右，但隨著市場的不斷壯大，此項費用后期會逐漸減少，現(xiàn)平均節(jié)約水平保守在25%左右；當前面臨最大的問題是，因斬波技術在直流工礦電力機車的應用還未全面普及，檢修人員的技術水平未能及時跟進，因此斬波技術的推廣還需各方加大人力投入。

參考文獻

[1] 楊正華.《工業(yè)電力機車牽引電器及控制》，冶金工業(yè)出版社，1994；

[2] 賈大昌.《工業(yè)電力機車機械》，冶金工業(yè)出版社，1991；

[3] 王兆安.劉進軍《電力電子技術》，機械工業(yè)出版社，1994；

[4] 金楠.崔光照《交流斬波功率變換器及其控制技術研究》，河南科學技術出版社，2015。