张 凯

（山西华鑫电气有限公司，山西 阳泉 045000）

1 我国矿用电机车应用情况

矿用电机车是煤矿井下长距离运输的重要手段，在我国有些煤矿依旧采用矿用电机车作为井下煤炭运输的主要手段。随着产能的扩大，开采距离的增长，已有电机车单次运力的不足逐渐突显。在当前技术手段下，这些煤矿企业不论是转型使用胶带运输机来运输煤炭，还是购买规格更高的矿用电机车，都将产生极大的浪费与背负沉重的经济压力，而采用增加司机人数的方法，同样给企业会带来了严重的人员负担问题。

根据电机车牵引原理可知，机车所能提供的最大牵引力仅与自身重量有关，但受限于各种条件，电机车不可能通过无限增重来增大牵引力。如何能在较少的投入下解决上述问题，而又不会带来人员负担问题，即为本文的研究设计目标。

2 机车重联技术介绍

机车重联是铁路机车干线运输中的概念，是指一人操作由两列或两列以上采用硬连接的机车实现同步运行的技术。机车重联技术的产生解决了已有铁路轨道对重载列车的各种限制，极大地促进了重载列车的发展。

由于矿用电机车与铁路电力机车遵循相同的牵引原理，可为煤矿用电机车已有单次运力不足的问题的解决指出了一个方向，即矿用电机车无线重联同步控制系统。

3 重联同步控制系统关键设计

3.1 双机分布式重联编组

本文从矿用电机车自身的特点与煤矿井下环境的特殊情况出发，选择双机重联编组试，可分为首—中、首—尾、首—首（集中式）三种编组方式。如图1所示。

图1 双机重联编组示意图

与集中式重联编组相比，分布式重联编组具有以下优点：

1）降低“断链”几率，提高行车安全。

2）提高制动响应速度，减少列车制动距离与制动冲击。

3）更加优秀的弯道通行能力，不论是牵引还是制动。

4）灵活高效的编组与分组方式，大幅提高运输效率。

5）有效避免列车打滑，起步更顺畅，制动更安全。

矿用电机车井下运输具有机车轨距较窄、弯道半径较小等特点，在通过弯道时存在车轮与轨道磨损大、易脱轨等严重问题。尤其是用于煤炭等物料运输的矿车，由于没有制动系统，全车制动仅依靠电机车的制动力，在弯道时制动更易出现上述问题。因为首—中编组等同于原来的两列列车首尾相连，并没有改变原车运行方向及车皮直连长度，是三种方式中编组与分组效率最高的方式，也是通过弯道时控制力最好的方式，故而采用首—中编组方式的分布式重联控制系统更适合于矿用电机车的井下运输。

3.2 基于双极化定向天线技术、MIMO-OFDM 技术以及airMAX 技术的无线通信方案

因为在煤矿井下使用的矿用电机车，重联编组后的主控机车与从控机车之间的通信距离一般不会超过100 m，综合视频传输与网络实时特性等方面的需要，故而选择近距离无线通信方案中的WIFI。

众所周知，井下电机车行车巷道的物理环境与电磁环境相当复杂，虽然两车之间的距离较近，但随着机车的行进，通信的物理与电磁环境也会随之变化，传统的WIFI 通信设备是无法满足使用要求的。通过查阅关于煤矿井下WIFI 研究与应用的相关论文，结合在井下大量的实地测试，最终确定了基于双极化定向天线技术、MIMO-OFDM 技术以及airMAX技术的工业无线网桥将作为重联无线通信的关键设备。

1）双极化定向天线技术，可以优化通信天线的数量与体积，拥有良好的分集接收效果，可有效提高辐射功率利用率与信号强度、增强了抗干扰能力。

2）MIMO-OFDM 技术，实现了无线传输过程中抗多径衰落与频率选择性衰落的统一，提高了有效信道连接的稳定度，增加了弱信号下的频谱利用率，提高有效使用宽带。

3）airMAX 技术，UBNT 公司的专利技术，是对WIFI 通信协议的改进，以时分多址（TDMA）轮询技术为核心，能有效提高点对点工作模式和噪声环境下设备的整体性能，可有效减少延迟，增加吞吐量，防止干扰。

3.3 基于速度控制的转矩跟随功率平衡策略

基于转矩跟随的功率平衡控制策略的核心思想是：通过转矩给定控制的方式来直接控制每台电机的输出转矩，进而控制电机的输出功率，也就是电机运行电流，来达到多台电机输出功率的一致性。此策略主要通过负载耦合来实现多台电机之间的等速等功率，常用于钢性连接的受控模型。

对于正常行车的重联机车来讲，其4 台电机以等速同负荷的方式运行才是其最佳的工作状态。其中单台矿用电机车内部的2 台电机由于共同安装在一个车架中，故而可以近似看作是钢性连接；而重联主控机车与从控机车之间虽然采用的是半钢性连接，但由于半钢性的范围较小，在极限时可以转变为钢性连接，此时主从机可以通过负载耦合来同步车速，故可以以钢性连接的方式来进行相关数据分析。

基于转矩跟随的功率平衡控制理论，对于正常状态下的重联机车的功率平衡调节给定策略如下：

1）司机的给定操作直接给定到主控机车的主控电机；

2）从控电机以主控电机的输出（输出频率、输出转矩）作为给定值；

3）从控机车以主控机车的输出（输出转矩）作为给定值，即主控机车中主控电机的输出值是从控机车中主控电机的给定值。

由于重联机车之间的负载耦合是存在一个半钢性与钢性相互变化的过程，根据转矩控制的特性可知，当给定转矩大于负载转矩时电机将按加速曲线加速至给定频率，也就是说从控机车在给定转矩大于其负载后会呈现加速运行状态，故而在重联机车负载耦合时会产生较大的冲击。为了保证了负载耦合过程的快速性，同时减少在负载耦合过程中的冲击问题，可在从控机车的控制策略中加入速度限幅，即从控机车频率给定=主控机车输出频率×（1+设定值）。

4 重联同步控制系统整体设计方案

矿用电机车无线重联同步控制系统由PLC 控制系统、无线网络系统以及视频监视系统三部分组成。系统结构示意图如图2 所示：

图2 矿用电机车无线重联同步控制系统结构示意图

具体方案设计如下：

1）重联控制系统应用对象是支持转矩控制的变频调速型矿用电机车，包括蓄电池与架线车型。

2）重联控制系统采用分布式重联控制方案，选用首中的编组方式，同时兼容首首与首尾的编组方式。

3）重联控制系统由PLC 控制系统、无线网络系统以及视频监视系统组成。

4）重联控制系统基于数据分网传输的设计理念，重联机车之间、机车内部设备之间的数据传输均通过不同的网络进行交换。

5）重联主从机之间采用以工业级无线网桥为传输设备的无线网络方案。

6）重联控制系统采用基于速度控制的转矩跟随功率平衡策略。

7）重联控制系统共有单机模式、重联主控及重联从控三种控制模式。

8）为了保证重联列车制动的安全性，需要对矿用电机车原有的不可控气制动回路进行可控性改造，增加可控单元——矿用本安型电磁阀及其配套组件。

5 应用效果

经阳煤集团五矿进行测试与应用表明，12 t 重联机车与用户常用的15 t 机车相比，单次运力提升约62.5%，单次耗时多12.5%，综合效率提升约44.4%。且经过半年多的应用，矿用电机车无线重联同步控制系统得到了用户的一致好评，具备良好的社会经济效应，具有很高的推广价值。