矿山直流电机车应用交流变频技术改造的探析
摘要:介绍煤矿直流电机车的应用情况，实施交流变频改造的原理、特点及效果。
关键词:直流电机车;变频技术;改造;效果
煤矿架线电机车随着电子技术的迅速发展和制造工艺水平的不断进步，变频调速技术也得到了广泛的应用，从而使矿井运输成本逐步下降。变频技术由于具有显著的节电效果，在大功率电机中应用越来越多。重要的节电和改变机械性能作用，给企业带来了较好的经济效益与社会效益，因此倍受欢迎。
一、煤矿直流电机车在用状况
煤矿架线电机车一般在矿井生产运输中至少几台甚至十几台以上。有些矿井运送煤炭、矸石等矿物原料、废料，都使用架线电机车。较大的运输工作量与电耗，给运输生产成本带来很大压力。现广泛应用的ZK系列直流电机车，为上世纪50年代老产品，长期以来没有过较大的技术改造，存在机车牵引力小、电阻调速方式落后等缺陷。直流调速器带有电阻器运行，消耗在电阻上的电能非常可观。电阻发热，还会导致瓷架和电阻片烧坏;直流牵引电动机转子上因为有线圈和易磨损的换向铜头、碳刷等，其故障率和维护费用高;机械制动系统空行程长，有级分档调速，不能均匀调速，在低速行驶时司机需不停地在1档和零档转换达到慢速运行。另外，调速器只能加速，不能减速。减速靠电制动或手制动实现。转速随负载变化，尤其在下坡道运行时，不允许司机突然加速，否则损坏电机和调速器。总之，操作不方便，制动效果差;齿轮箱润滑和密封效果差，电机调速没有缓冲时间，尤其是突然加速时很容易造成齿轮的冲击损坏(减速靠闸瓦片抱车轮实现，需要经常更换)，齿轮、闸瓦片使用寿命短等，成突出性的问题。所以对此类电机车很有必要实施技术改造。淮北矿业集团多数矿井使用的直流电机车，每辆车每年维护费用平均都在5万元以上。由于运输量大，运行时间长，电费和原材料等因素不断上涨的因素，更使得矿井运输费用成本不断攀升。一般情况下，直流电动机每辆车每年要平均烧毁3-4台，全部外委修理时，平均每台车需要3000元的修理费用。可见直流电动机每年的修理费用之多，若再加上材料、配件费等费用，其电机车的修理费用更高。
二、电机车实施交流变频改造原理与特性
1、交流传动电机车工作原理
交流传动电机车是采用国际最先进的DTC低速高转矩变频调速技术，将电网的直流电通过大功率IGBT元件逆变为频率可调的三相交流电，驱动三相异步电动机。电网供应的直流电，通过\"直一交\"牵引逆变器转换成电压与频率皆可调的三相交流电，然后供给2台交流鼠笼式感应电动机工作，从而牵引电机车运行。其中的DTC正弦波脉宽调制信号，它是变频调速装置的关键，能将架线直流电压变成不同的交流电，并使电动机获得无级调速所需的电压、电流和频率。
2、改造的特点
交流变频电机车在煤矿使用，能取得较好的节电经济效益。其交流传动电机车采用的是感应式异步电动机，结构简单、运行可靠，克服了直流电机滑环产生火花、易磨损等不利因素，并有故障率低、使用寿命长、维修工作量小、使用方便等诸多优点。交流传动与直流传动的最大区别，就是在于采用了感应式异步电动机，优点具体表现在以下几点：①异步牵引电动机陡峭的\"转矩一转速\"特性M=f(n)，配合先进的控制技术，可使轮轨间粘着系数的利用显著提高，从而使牵引吨位提高。因异步牵引电动机没有换相器和电刷，转速大大提高，在相同的安装空间条件下比直流牵引电动机具有更大的功率和牵引力。②异步牵引电动机重量轻，机车曲线通过时具有较好的动力学性能。其直流电阻调速电机车只能在≤11‰的坡道上运行。由于没有零速制动功能，所以在上坡停车时机车会向下坡方向溜车，此时想用手制动是来不及的。而变频调速电机车可在60‰的大坡道上运行，并可在上坡时仅用零速制动功能就能将列车制动在此大坡道上，并且还可以再启动把重载拉上来。③异步牵引电动机可在较大的速度范围内实施动力制动，其制动功率大，性能也好。它为无级均匀调速，最低可调至0.1Hz，全速度段控制方式。速度不仅可以调高，而且还可以调低。车速的快慢与停车完全由调速手把控制，可设定电机车速限制。一旦车速设定好，即使是在下坡道行驶机车也不会超过所设定的车速，这就有效避免了司机开飞车及其所造成的事故。因变频调速器的频率上升时间为5s，允许司机在零速度起动时突然加速到最大值，即使司机违反操作规程突然加速，机车仍按此时间达到最大值。④制动性能好。机车常规减速、制动均采用电制动，大大减少了闸瓦、轮箍磨损，使运行成本大幅降低。⑤由于异步牵引电动机结构简单，克服了直流电机存在环火、易损等不利因素，其故障率大大降低，使用寿命延长，并减少了维修量。⑥交流传动的可靠性高，环保性能也好。⑦用牵引逆变器取代鼓形司控器串阻调速装置，对电机车进行启动、调速、换向等控制，机车能耗大大降低，节电效果显著。⑧机车控制先进、自动化水平高、操作简单。电机主控器采用目前国内铁路干线最先进的司控器系列产品。控制回路电压24V、电流0.5A，极具安全性。司控器具有换向互锁装置，可避免司机采用反车制动对电机车造成的损坏。电机车的常用操作都集中在司控器的手柄上，且操作简单、运行安全。
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