基于交流变频调速技术在窄轨架线式工矿电机车中的应用

　　笔者分析、概括并描述了窄轨架线式工矿电机车以及其配套电机电控的技术水平和发展动向。并且，在本文中还着重根据窄轨架线式工矿电机车工矿所具有的特殊条件，总结了交流变频技术在窄轨架线式工矿电机车上的实际应用的经验。工作人员不断地克服各种特殊条件，终于使得变频技术在窄轨架线式工矿电机车上得到了成功的应用。同时，这也体现了窄轨架线式工矿电机车未来的发展方向。在大家的共同努力下，窄轨架线式工矿电机车逐渐地向着微机控制交流传动的方向发展着。基于以上信息，本文将谈谈基于交流变频调速技术在窄轨架线式工矿电机车中的应用。

　　窄轨工矿电机车和它相应的配套电机电控是在牵引电气设备行业中最重要的主导产品。矿用架线式电机车自制成以来到现在为止已经有了上百年的历史了，在中国生产发展史也有半个世纪了。

　　在这半个世纪中，我国相继开发和大范围制成了多个品种和规格的架线式电机车和蓄电池机车。其中，二大系列的产品有50多个品种和规格。开发制成的产品差不多都分布在全国煤矿业、冶金矿业、铁路和公路隧道建设以及市政工程建设工地等等。

　　1 浅谈交流变频技术在轨架线式工矿电机车上应用的必要性

　　长期以来，在窄轨架线式工矿电机车内存在着许多问题。例如：网压波动的范围一直持续比较大、直流电源的质量不断下降、不断自动启动制停、频繁掉电以及交流变频技术专业人才的缺失等等。这直接导致了牵引电气设备分会所属的企业减少了对产品技术开发的投入，从而使得十分适应窄轨架线式工矿电机车工矿的条件的专用变频器一直处于不断摸索的阶段，而并没有实质性的发展。

　　窄轨架线式工矿电机车采用的调速方式主要有电阻和斩波这两种。电阻和斩波这两种调速手段采用的是直流牵引，但是直流牵引必须要使用直流牵引电机。对于直流牵引电机的来说，它有一个致命弱点那就是必须要设置换向器。然而换向器的存在会给窄轨架线式工矿电机车的调速工作造成一定的困难。在高压大功率条件下，换向器会使得牵引电机很难换向，并且会恶化电位条件，使得工作的可行性变差以及维修变难。

　　经过实践检验发现，只有使用交流牵引电机才能解决窄轨电机车遇到的问题。这是因为相比于直流牵引，三相异步交流牵引电机具有这四个特点。第一，在重量和外型尺寸基本一致的情况下，直流牵引的电机功率比交流牵引的电机功率小百分之二十（直流牵引电机功率是0.33kw/kg，交流异步牵引的电机功率是0.68kw/kg）。第二，在额定功率一致的情况下，交流三相异步电动机的单位重量功率比直流牵引电机的大0.404kw/kg。第三，交流异步牵引电机定子的形式一般是无扣壳全叠片的。铁心的两端是装有厚压板的，然而在压板的中间又有钢板的固定。可以将电焊把压板、铁心和连接钢板熔合为一个整体。定子压板是转子轴承的支架，然而端盖和定子压板可以让定子和转子连为整体。转子的结构非常简单、并且坚固，可以免维护。第四，高转速和高传动比可以解决无换向器时工作面圆周速度的问题，以此可以获得相对比较大的单位重量功率和转柜。它可以最大限度地利用好原来换向器占据的空间，并以此来加大容量。热量可以沿定子圆周均匀发散并且达到用增人通风量来改善散热效果这个目的。

　　2 浅谈交流变频技术在窄轨架线式工矿电机车上的应用

　　近些年来，交流变频技术在国内各个行业中都得到了极大地普及和充分地使用。并且获得了不容小觑的市场效益和社会效益。在交流变频技术方面，国内技术专业人才的不断增加，给交流变频技术在窄轨架线式工矿电机车上的应用提供了充足的人才资源。人才资源得到了满足，技术支撑同时可以得以巩固。

　　近年来，国内经济迅猛发展，采掘机械化也在不断的进步优化。现在，小吨位的电机车已不能单独矿区运输任务。因此，窄轨架线式工矿电机车的发展，必然要朝着重型、大型、高速和全自动化、免关键部件维护化、机车结构模块化以及微机控制交流传动这些方面不断前进。

　　正是如此，现在国内多数企业都决定加大交流变频技术在窄轨工矿架线式电机车的应用研究，并且已经有了一部分已经获得成功。到目前为止，窄轨电机车应用在交流异步电机作牵引动力方面，一般都较采用三种策略控制交流牵引电机。第一，VVVF控制；第二，矢量控制；第三，DTC （直接转矩控制）。

　　相对于其它控制来说，VVVF变频器的控制比较简单。其特点是，机械特性硬度很好，并且能够达到正常传动平滑的调速要求。不过，这种控制方式正在低频时，就会引起一些问题。这是因为输出的电压相对较小，并且受到定子电阻压降的影响非常明显，所以导致成最大输出转矩的减小。除此之外，相比于直流电动机，其机械特性相对较差。动态转矩能力和静态调速性能也令人堪忧。基于以上研究，相关工作人员又提出了矢量控制变频调速。

　　矢量控制变频调速方法的提出对于窄轨架线式工矿电机车具有里程碑的意义。但是在实际的应用中，它的控制效果难以达到理想的分析效果。这是因为转子磁链很难准确观测，而且电动机参数对其系统特性影响也很大。因此，在等效直流电动机控制过程中，所用的矢量旋转变换就比较复杂，多以，实际的控制效果就没有预期中那么好。

　　直接转矩控制变频技术，是在1985年，由德国教授DePenbroc首次提出来的。直接转矩控制变频技术在很多方面解决了矢量控制存在的问题。并且它凭借极其新颖的控制思想和方便简洁的系统结构以及良好的动静态性能得到了飞速地发展。到目前为止，此项技术已经非常成功地运用在电力机车牵引大功率的交流传动上面了。

　　直接转矩控制是指直接在定子坐标系下，对交流电动机的数学模型进行分析，以此控制电动机的磁链和转矩。它既不需要把交流电动机变成等效直流电动机，也不需要去模仿直流电动机的控制。因此，它可以省去矢量旋转变换中很多复杂计算，并且也不需要为简化交流电动机的数学模型。

　　国内某些企业近期在ABB主控板基础上，它结合了特定工矿条件开展了二次开发。虽然，在十吨以下的窄轨工矿架线式电机车的应用上取得了一些成功，但是它依然存在着很多不足乃至缺失的地方。例如：二零零七年，某电机车厂有限公司与某大学进行了合作。他们针对窄轨工矿架线式电机车的极差的工矿条件，把DSP控制技术和反电势定向矢量控制技术结合在一起了，解决了上面所提到的问题。他们首次成功研发出了国内第一台针对我国30吨及其以下吨位架线式工矿电机车的专用变频器。并且，在某矿山试用行中，，经过了一年多严格的工业试验，终于取得了成功。

　　用这种控制策略可以有效解决矢量控制方法在实际应用中碰到的问题。但是由于转子磁链观测难度很高，且电动机参数对它的系统特性受的影响相对比较大以及现实达到的效果很难与理想的分析效果相同等等问题，都会促进在窄轨架线式工矿电机车方面交流电机控制系统的实用化。

　　3 结语

　　交流变频技术在三十吨窄轨架线式工矿电机车上应用的成功，让电机车有了零速平滑起动，调速均匀，无冲击等特点。随着国内经济的高速发展以及采掘机械化的飞速发展，在当今能源极其紧张的社会中，交流变频技术在30吨及以下吨位窄轨架线式工矿电机车上的成功应用意义深远。