孙涛　凌信东

摘 要：该文重点介绍了交流变频调速技术的优良性能以及交流变频调速技术在煤矿窄轨机车运输中的应用。同时对煤矿窄轨机车运输中应用交流变频调速装置的基本结构、工作原理做了简要说明。由于变频调速技术具有启动电压低、调速平滑、输出转矩大、效率高、节约电能等优点，同时，鼠笼式交流感应电机结构简单、坚固耐用、成本低廉、运行可靠，易于进行变频控制，与直流电机相比优势很明显。因此，大力推广交流变频调速技术在煤矿运输中的应用，对于推动我国煤矿电机车运输科技进步具有十分积极的意义。

关键词：煤矿运输 窄轨机车 变频调速 节能

中图分类号：F290 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（a）-0090-02

1 概述

目前，煤矿窄轨机车应用最广泛的牵引动力源依然是直流电动机，由于直流电动机由恒定的直流电源供电，所以机车为了保证操作平稳，在进行起动、调速和制动等活动时，需使用串接电阻进行控制。这种调速方式存在很大弊端，不仅浪费电能，而且很容易对设备造成损害。而使用交流变频调速技术则效果正好相反，机车不仅能够轻松实现平稳起动、无级调速和再生制动，而且大大降低能耗。此外，与直流电动机相比，同功率的交流电动机制造成本要低得多，且变频器的调速性能很好，调速范围大，静态稳定性很好，通过它对交流电动机主电路实现调速控制，使控制器件的操作得到大大简化，使用寿命长，可靠性高，经济效益显著。

对于异步电机来讲，交流变频调速技术发展前景十分广阔，随着电力电子技术的不断发展，会涌现大量性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器，它的应用将会变得更加广泛。

变频调速在交流调速技术中的优势十分明显，它目前已经受到煤矿运输行业的青睐，随着制造成本的不断下降、调速效果的进一步提升以及性能与可靠性的日益完善，它必然会更加受到世人的推崇。

2 窄轨机车变频器结构及工作原理

该局推广应用的窄轨电机车变频调速器分为司控箱和主体箱两大部分。主体箱内装有直流输入及滤波电路、IGBT三相全桥逆变电路、DTC控制电路三部分。司控箱配有调速和换向操纵机构，操作主令手轮使主轴变换为无级调速；操作方向手柄可实现前进、零位、后退三档转换。调速主令手轮及方向手柄上固定有指针，指针分别指向各自当前所在档位。在控制器底板上安装有互锁装置、磁敏传感器。

前进、后退、牵引和复位等的信号给定通过感应接近开关靠近凸轮并输出开关信号来完成。工作开关打开后，逆变器会获得电源电压，并给滤波电容充电，充电完毕逆变器控制主接触器吸合。经过主接触器的高压进入逆变器后，微机控制器会依据司机操作输出的信号，控制IGBT逆变成变频变压三相交流电，最终输出给三相异步电动机。

3 窄轨机车变频调速器优异特性

交流电动机主要通过三种方式来完成调速：变极调速、变频调速和改变转差率调速。其中，第二种技术较其他两种具有明显优势，交流变频调速窄轨电机车，抛弃了陈旧过时的直流电动机和电阻调速器，代之以性能可靠的三相鼠笼异步交流电机和节电显著的BPT系列变频调速器。DTC变频调速技术具有国际领先地位，能使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩，满足电机车在低速时的最大起动牵引力，而BPT系列直流架线电机车的变频调速技术正是采用了这种技术，因而其性能十分优越。变频调速技术与传统直流电阻调速技术相比，具有以下特点。

（1）调速性能更佳。变频调速机车调速范围为无极调速，最低频率可调至0.1 Hz，最低车轮转速可达到0.5 r/min。可设定机车最高车速，即使是在下坡道行驶，机车不会超过设定车速，从而避免超速事故的发生。

（2）牵引力更大。DTC的控制技术能够使机车起动强劲有力，因为它完全能够使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩（最大可达额定值的300%），满足电机车在低速时的最大起动牵引力。不但可使机车在60‰的大坡道上上行，而且上行过程中仅用零速制动功能就能将列车制动，即使停止后重新启动也能将重载拉上去。

（3）适合更宽的直流电压波动范围。额定电压直流550 V级的架线变频调速电机车完全适应电压波动范围344～877 V，避免了因直流架线电压升高而损坏电机。

（4）变频调速电机车加速和减速全由调速手柄控制，调速器的零位即是制动位置，减速时，机车的高速惯性还在，但电机会发挥制动减速作用，电机和车轮按照调制的低速运行不需用通过闸瓦制动车轮减速，闸瓦基本不磨损。

（5）交流变频调速窄轨电机车装备三相鼠笼异步交流电机，电机转子无磨损。变频调速器控制通过集成电路实现，无触头、无接点，基本可以达到免维修。

（6）交流变频调速窄轨电机车具有低速超强的转矩性能，当机车脱轨时，可通过垫车轮直接拖拉复轨，避免复轨过程可能产生的次生伤害事故。

总之，由于调速性能良好，范围大，稳定性强，变频调速窄轨电机车，能够在大大降低电能损耗的同时，圆满完成平稳起动、无级调速以及再生制动的任务。

通过我局近几年使用该类型电机车运行情况看，故障率明显减少，运输效率显著提高，减少了煤仓压煤，由每天运煤2万吨提升到2.5万吨，节电效果明显。

4 变频调速器关键技术及创新点

（1）直流架线变频调速电机车装备性能可靠的三相鼠笼异步交流电机代替直流电动机。

（2）直流架线变频调速电机车装备节电显著的BPT系列直流架线电机车变频调速器，变频调速器采用国际最先进的DTC变频调速技术，采用进口原装全套控制电路和进口IGBT模块元件。

（3）DTC的控制技术能够使三相鼠笼交流电机达到和超过直流电机的起动转矩（最大可达额定值的300%），从而满足电机车低速时所需的最大起动牵引力。

5 试验运行情况

经过矿井运输系统实践运行，由于调速性能良好，范围大，稳定性强，变频调速窄轨电机车，能够在大大降低电能损耗的同时，圆满完成平稳起动、无级调速以及再生制动的任务。能加快车辆的周转，提高运输效率，降低运输成本，有效防止机车运输事故的发生，因而具有较大的推广应用价值，可为矿井带来显著的经济效益和社会效益。

（1）经济效益：变频调速器能节省35%的电能消耗，按10吨窄轨电机车每天运行18 h计算，每天可节省277.2 kWh电，如果电费按0.5/kWh计算，日节电费138.6元/kWh，一年节电费50589元；采用交流电机，其转子不损坏，调速器基本不需要维修，闸瓦基本无需更换，一年节约的材料费工时费可达10000元。

（2）社会效益：交流变频调速窄轨电机车，实现了平稳起动、无级调速以及再生制动，能加快矿井运输车辆的周转，提高运输效率，降低运输成本，有效防止机车运输事故的发生，保证机车运输安全。

6 结语

煤矿窄轨机车运输一直以来采用的直流电动机具有结构复杂、造价过高、耐潮性差、故障多发、维修频繁等不足，而且煤矿大量电机车调速系统还采用电阻降压调速方式，这种触头式电阻调速机车不仅维修量大，而且因带电阻运行电能浪费大。与直流电机相比，使用变频控制效率高、输出转矩大、调速平滑。因此，变频调速技术推广应用对于提高矿井运输效率，降低运输成本具有积极意义。对于异步电机来讲，交流变频调速技术发展前景十分广阔，随着电力电子技术的不断发展，会涌现大量性能可靠、匹配完善、价格便宜的变频器，它的应用将会变得更加广泛。

参考文献

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