550 V 架线式电机车调速系统的改造与验证

郭江瑜

（西山煤电西铭矿运输科运输二队， 山西 太原 030053）

引言

综采工作面运输设备的牵引性能直接决定着煤炭的运输效率，间接决定着井下煤炭的开采效率。电机车分为架线式电机车和蓄电池电机车，架线式电车主要以直流传动为主，其调速方式以电阻和斩波调速为主。实践表明，电阻调速系统在启动阶段的能耗较大，容易对工作面电网设备造成冲击；而斩波调速系统在实际应用存在失控的现象[1]。因此，综合当前交流电机相对于直流电机的优势且交流调速技术不断成熟的现状，将交流调速系统应用于架线式电机车调速系统中，实现对其调速系统的改造。

1 架线式电机车调速系统存在问题

目前，550 V 架线式电机车是基于机械构件接触与否进行切换，实现对电机在串联与并联之间的切换，实现调速电阻的串联或者并联，从而实现对电机车端电机的调节，以实现对电机车速度的控制。基于上述电阻调速技术能够实现对电机车8-13 级速度的控制。由于电阻调速技术所能控制速度的跨度较大，会对设备造成较大的冲击，加剧设备机械构件的磨损[2]。加之，在实际生产中由于作业人员操作不当，电阻调速技术往往会影响电机车的工作性能，具体总结如下：

1）基于电阻调速技术仅能够实现对设备的有级调速，从而造成设备在启动阶段力矩较大，导致设备运行不稳，制约着煤炭工作面的运输效率；

2）鉴于其调速为有级调速，导致设备在不同速度切换时电流较大，使得设备零部件构件的磨损严重，无形中增加了设备的维修费用；

3）电阻调速技术对电机电路中电压、电流异常保护功能不全，导致电机车电机出现故障时，无法实现自我保护，从而导致更严重的事故发生。

4）为了满足电机车在启动阶段低速、大转矩的要求，此时串入电阻的电流值过大，从而消耗大量的电能。尽管电机车速度稳定后设备电阻全部切除，但在实际运行中依然为带电阻运行，从而造成电能的极大浪费。

2 变频调速控制原理

本文以550 V 架线式电机车为研究对象，该电机车由550 V 电网为其提供直流电源，基于该电机车变频器将直流电转化为交流电，为设备电机提供动力，电机转动带动联轴器和减速器转动，最终将动力传送至电机车车轴上。

交流变频调速的控制原理如式（1）所示：

式中，n为架线式电机车交流电机转速；f为交流电机供电频率；p为架线式电机车电动机极对数；s为架线式电机车电动机的转差率。

如式（1）所示，所谓变频调速为在电动机极对数、转差率一定的前提下，通过改变架线式电机车的供电频率实现对其转速的调整。而且，在其他领域已证实变频调速技术具备如下优势：调速平滑性好、调速范围大、节能效果好以及维修简单等，更重要的是基于变频调速系统能够更容易提升架线式电机车的自动化水平[3]。因此，针对当前架线式电机车调速系统现状，基于变频调速技术对其进行改造。

3 架线式电机车变频调速系统的改造设计

电机车变频调速系统的实现在很大程度上是由其控制器决定，其控制器的性能主要由其硬件设备性能和软件程序共同决定。综合分析550 V 架线式电机车的应用环境的特点、牵引特性以及交流变频调速原理，本文基于DSP 控制的异步电机VVVF 交流变频调速系统实现对当前电阻调速系统的改造。

目前，应用于工业控制系统的主要控制器类型包括有微控制器和DSP 数字控制器。鉴于综采工作面的环境相对恶劣，且干扰因素众多。因此，选用基于DSP 的数字控制系统，该控制系统结构如图1 所示。

图1 基于DSP 数字控制器结构示意图

以如图1 所示的DSP 数字控制器为基础，以TMS320F2812 的数字处理器为核心，同时采用三菱公司的智能功率模块实现对架线式电机车过压、欠压（电压检测电路）、过电流（电流检测电路）以及过温等保护功能。现场检测设备对电机电流及转速（转速检测电路）进行实时监测，并根据电机车的实时运行状态和理想运行状态对电机转速进行实时控制[4]。此外，DSP 控制器还能够对现场设备运行参数实时显示，具备上位机与下位机的通信功能。

变频器作为该调速系统的核心硬件，本系统所选用的变频器为基于PWM 控制技术的牵引变频器，与其相匹配的硬件设施参数如表1 所示。

表1 变频调速系统硬件设施参数

4 架线式电机车变频调速系统的效果

为对本文基于DSP 数字控制器设计所得变频调速系统的性能进行测试和验证，特设计相应的试验系统，该试验系统硬件平台示意图如图2 所示。

基于如图2 所示硬件平台的试验系统，对变频调速系统的电气性能和热性能进行验证，结果如下：

1）该变频调速系统由于采用了相应的死区补偿措施，确保在启动和制动工况时电机相电流不存在振荡现象[5]，从而保证电机在启动阶段不会出现过电流保护的情况，即能够稳定启动且启动电流为正弦波。说明，该变频调速系统具有较为理想的启动和制动性能。

2）变频调速设备尤其是变频器的散热尤为重要，通过对该调速系统的温升试验可知，当系统运行2 h 后设备的发热情况处于相对稳定的状态，且变频器散热器表面的温度为26℃，满足《煤炭安全规程》中的相关标准要求。

图2 试验系统硬件平台示意图