基于交流變頻調(diào)速技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車中的應(yīng)用

　　筆者分析、概括并描述了窄軌架線式工礦電機車以及其配套電機電控的技術(shù)水平和發(fā)展動向。并且，在本文中還著重根據(jù)窄軌架線式工礦電機車工礦所具有的特殊條件，總結(jié)了交流變頻技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車上的實際應(yīng)用的經(jīng)驗。工作人員不斷地克服各種特殊條件，終于使得變頻技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車上得到了成功的應(yīng)用。同時，這也體現(xiàn)了窄軌架線式工礦電機車未來的發(fā)展方向。在大家的共同努力下，窄軌架線式工礦電機車逐漸地向著微機控制交流傳動的方向發(fā)展著?；谝陨闲畔?，本文將談?wù)劵诮涣髯冾l調(diào)速技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車中的應(yīng)用。

　　窄軌工礦電機車和它相應(yīng)的配套電機電控是在牽引電氣設(shè)備行業(yè)中最重要的主導(dǎo)產(chǎn)品。礦用架線式電機車自制成以來到現(xiàn)在為止已經(jīng)有了上百年的歷史了，在中國生產(chǎn)發(fā)展史也有半個世紀(jì)了。

　　在這半個世紀(jì)中，我國相繼開發(fā)和大范圍制成了多個品種和規(guī)格的架線式電機車和蓄電池機車。其中，二大系列的產(chǎn)品有50多個品種和規(guī)格。開發(fā)制成的產(chǎn)品差不多都分布在全國煤礦業(yè)、冶金礦業(yè)、鐵路和公路隧道建設(shè)以及市政工程建設(shè)工地等等。

　　1 淺談交流變頻技術(shù)在軌架線式工礦電機車上應(yīng)用的必要性

　　長期以來，在窄軌架線式工礦電機車內(nèi)存在著許多問題。例如：網(wǎng)壓波動的范圍一直持續(xù)比較大、直流電源的質(zhì)量不斷下降、不斷自動啟動制停、頻繁掉電以及交流變頻技術(shù)專業(yè)人才的缺失等等。這直接導(dǎo)致了牽引電氣設(shè)備分會所屬的企業(yè)減少了對產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)的投入，從而使得十分適應(yīng)窄軌架線式工礦電機車工礦的條件的專用變頻器一直處于不斷摸索的階段，而并沒有實質(zhì)性的發(fā)展。

　　窄軌架線式工礦電機車采用的調(diào)速方式主要有電阻和斬波這兩種。電阻和斬波這兩種調(diào)速手段采用的是直流牽引，但是直流牽引必須要使用直流牽引電機。對于直流牽引電機的來說，它有一個致命弱點那就是必須要設(shè)置換向器。然而換向器的存在會給窄軌架線式工礦電機車的調(diào)速工作造成一定的困難。在高壓大功率條件下，換向器會使得牽引電機很難換向，并且會惡化電位條件，使得工作的可行性變差以及維修變難。

　　經(jīng)過實踐檢驗發(fā)現(xiàn)，只有使用交流牽引電機才能解決窄軌電機車遇到的問題。這是因為相比于直流牽引，三相異步交流牽引電機具有這四個特點。第一，在重量和外型尺寸基本一致的情況下，直流牽引的電機功率比交流牽引的電機功率小百分之二十（直流牽引電機功率是0.33kw/kg，交流異步牽引的電機功率是0.68kw/kg）。第二，在額定功率一致的情況下，交流三相異步電動機的單位重量功率比直流牽引電機的大0.404kw/kg。第三，交流異步牽引電機定子的形式一般是無扣殼全疊片的。鐵心的兩端是裝有厚壓板的，然而在壓板的中間又有鋼板的固定?？梢詫㈦姾赴褖喊?、鐵心和連接鋼板熔合為一個整體。定子壓板是轉(zhuǎn)子軸承的支架，然而端蓋和定子壓板可以讓定子和轉(zhuǎn)子連為整體。轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)非常簡單、并且堅固，可以免維護。第四，高轉(zhuǎn)速和高傳動比可以解決無換向器時工作面圓周速度的問題，以此可以獲得相對比較大的單位重量功率和轉(zhuǎn)柜。它可以最大限度地利用好原來換向器占據(jù)的空間，并以此來加大容量。熱量可以沿定子圓周均勻發(fā)散并且達到用增人通風(fēng)量來改善散熱效果這個目的。

　　2 淺談交流變頻技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車上的應(yīng)用

　　近些年來，交流變頻技術(shù)在國內(nèi)各個行業(yè)中都得到了極大地普及和充分地使用。并且獲得了不容小覷的市場效益和社會效益。在交流變頻技術(shù)方面，國內(nèi)技術(shù)專業(yè)人才的不斷增加，給交流變頻技術(shù)在窄軌架線式工礦電機車上的應(yīng)用提供了充足的人才資源。人才資源得到了滿足，技術(shù)支撐同時可以得以鞏固。

　　近年來，國內(nèi)經(jīng)濟迅猛發(fā)展，采掘機械化也在不斷的進步優(yōu)化。現(xiàn)在，小噸位的電機車已不能單獨礦區(qū)運輸任務(wù)。因此，窄軌架線式工礦電機車的發(fā)展，必然要朝著重型、大型、高速和全自動化、免關(guān)鍵部件維護化、機車結(jié)構(gòu)模塊化以及微機控制交流傳動這些方面不斷前進。

　　正是如此，現(xiàn)在國內(nèi)多數(shù)企業(yè)都決定加大交流變頻技術(shù)在窄軌工礦架線式電機車的應(yīng)用研究，并且已經(jīng)有了一部分已經(jīng)獲得成功。到目前為止，窄軌電機車應(yīng)用在交流異步電機作牽引動力方面，一般都較采用三種策略控制交流牽引電機。第一，VVVF控制；第二，矢量控制；第三，DTC （直接轉(zhuǎn)矩控制）。

　　相對于其它控制來說，VVVF變頻器的控制比較簡單。其特點是，機械特性硬度很好，并且能夠達到正常傳動平滑的調(diào)速要求。不過，這種控制方式正在低頻時，就會引起一些問題。這是因為輸出的電壓相對較小，并且受到定子電阻壓降的影響非常明顯，所以導(dǎo)致成最大輸出轉(zhuǎn)矩的減小。除此之外，相比于直流電動機，其機械特性相對較差。動態(tài)轉(zhuǎn)矩能力和靜態(tài)調(diào)速性能也令人堪憂?；谝陨涎芯浚嚓P(guān)工作人員又提出了矢量控制變頻調(diào)速。

　　矢量控制變頻調(diào)速方法的提出對于窄軌架線式工礦電機車具有里程碑的意義。但是在實際的應(yīng)用中，它的控制效果難以達到理想的分析效果。這是因為轉(zhuǎn)子磁鏈很難準(zhǔn)確觀測，而且電動機參數(shù)對其系統(tǒng)特性影響也很大。因此，在等效直流電動機控制過程中，所用的矢量旋轉(zhuǎn)變換就比較復(fù)雜，多以，實際的控制效果就沒有預(yù)期中那么好。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)，是在1985年，由德國教授DePenbroc首次提出來的。直接轉(zhuǎn)矩控制變頻技術(shù)在很多方面解決了矢量控制存在的問題。并且它憑借極其新穎的控制思想和方便簡潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及良好的動靜態(tài)性能得到了飛速地發(fā)展。到目前為止，此項技術(shù)已經(jīng)非常成功地運用在電力機車牽引大功率的交流傳動上面了。

　　直接轉(zhuǎn)矩控制是指直接在定子坐標(biāo)系下，對交流電動機的數(shù)學(xué)模型進行分析，以此控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩。它既不需要把交流電動機變成等效直流電動機，也不需要去模仿直流電動機的控制。因此，它可以省去矢量旋轉(zhuǎn)變換中很多復(fù)雜計算，并且也不需要為簡化交流電動機的數(shù)學(xué)模型。

　　國內(nèi)某些企業(yè)近期在ABB主控板基礎(chǔ)上，它結(jié)合了特定工礦條件開展了二次開發(fā)。雖然，在十噸以下的窄軌工礦架線式電機車的應(yīng)用上取得了一些成功，但是它依然存在著很多不足乃至缺失的地方。例如：二零零七年，某電機車廠有限公司與某大學(xué)進行了合作。他們針對窄軌工礦架線式電機車的極差的工礦條件，把DSP控制技術(shù)和反電勢定向矢量控制技術(shù)結(jié)合在一起了，解決了上面所提到的問題。他們首次成功研發(fā)出了國內(nèi)第一臺針對我國30噸及其以下噸位架線式工礦電機車的專用變頻器。并且，在某礦山試用行中，，經(jīng)過了一年多嚴(yán)格的工業(yè)試驗，終于取得了成功。

　　用這種控制策略可以有效解決矢量控制方法在實際應(yīng)用中碰到的問題。但是由于轉(zhuǎn)子磁鏈觀測難度很高，且電動機參數(shù)對它的系統(tǒng)特性受的影響相對比較大以及現(xiàn)實達到的效果很難與理想的分析效果相同等等問題，都會促進在窄軌架線式工礦電機車方面交流電機控制系統(tǒng)的實用化。

　　3 結(jié)語

　　交流變頻技術(shù)在三十噸窄軌架線式工礦電機車上應(yīng)用的成功，讓電機車有了零速平滑起動，調(diào)速均勻，無沖擊等特點。隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展以及采掘機械化的飛速發(fā)展，在當(dāng)今能源極其緊張的社會中，交流變頻技術(shù)在30噸及以下噸位窄軌架線式工礦電機車上的成功應(yīng)用意義深遠。