礦用電機車變頻調速的研究馬素平、沈旭明2（1.太原理工大學，山西太原030024；2.西山煤電集團公司，山西太原030024）礦用電機車所采用的牽引電動機大多是直流串激電動機。因為直流串激電動機具有良好的牽引特性，其轉速隨負載轉矩的加相應降低，幾乎是在恒功率下運行。但是直流電機車的起動和變速運行都需要在回路中串接電阻，制動減速工況也一樣，這樣有許多電能經過電阻發(fā)熱都浪費掉了，另外直流電動機的電刷和滑環(huán)是容易出故障的部位，而且直流電動機的造價遠高于同容量的交流電動機。過去有人曾研究采用脈沖調速的方法來解決直流電機車調速問題，但由于當時關鍵元件晶閘管技術性能差，導通容易、不能自行關斷，因而產生失控現(xiàn)象，使得這項技術在電機車上沒能推廣應用。

　　近幾年由于新型逆變器件如門極關斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)和自動控制技術的不斷提高使得變頻調速技術得到了廣泛應用，本文論述變頻調速技術用來解決電機車的調速問題。

　　1變頻調速方案變頻調速一般都是針對交流供電系統(tǒng)和交流用電設備來說的，通過改變交流電源頻率來改變電動機轉速從而達到調速目的。交流電動機同步轉速按下式計算：交流電動機的轉速正比于電源頻率，其機械特性如所示，不同頻率對應不同的轉速。

　　變頻調速方法有兩種，一是交一交直接變頻，二是交一直一交變頻。交一交變頻因變頻范圍窄，僅是工頻的40%?般用在大功率低速設備中；交一直一父變頻原理示意圖如所示，它是先將父流整流成直流，然后再將直流逆變成交流，在逆變過程中控制逆變器件的導通頻率可得到不同頻率的交流電，其變頻范圍原理上沒有限制，可以達到工頻的200%電機車宜采用交一直一交變頻方法，主要原因是現(xiàn)有的供電系統(tǒng)己有交一直整流部分，而且架空供電系統(tǒng)采用單項直流電比三相交流電要方便容易。在每臺電機車上設置一套逆變裝置，將從架空電網(wǎng)上獲取的直流電逆變成頻率可調的三相交流電，從而能采用比較簡單的三相鼠籠型交流電動機取代直流電動機。電機車要以多大的速度行駛，都可以通過改變電源頻率來實現(xiàn)。

　　2電機車的起動和制動電機車經常需要變速行駛、起動加速和制動減速。起動加速是控制逆變裝置使電源頻率由0到fe逐漸加，電機轉速及電機車運行速度也逐漸加。由可知，電動機在非額定頻率下工作時其帶負載能力有所下降，可以采用電壓補償?shù)姆椒ㄊ垢黝l率下的臨界轉矩與額定頻率下的臨界轉矩相等，以保證電機車起動時電機的起動力矩不會降低。

　　交一直一交變頻原理示意圖制動減速時仍可以由變頻控制使電機產生制動力來實現(xiàn)。因為交流電機不僅工作于電動機狀態(tài)（第一象限）而且還可能工作于再生制動狀態(tài)（第二象限）如所示。若電機車正常運行時電動機工作在特性曲線①上，工況點為A，電動機轉速為a，若這時需要制動減速，通過變頻（降低頻率）特性曲線變?yōu)榍€②，由于列車的慣性，電動機轉速不可能突變，因而工況點將從曲線①上的A點按轉速未變的原則“跳轉”到曲線②上的B點，該點位于第二象限，于是得到反向制動轉矩Tm，在Tm作用下列車減速運行，電動機轉速將沿曲線②下降，將到時再降低頻率，特性曲線變?yōu)棰郏瑢闹苿庸r點為C，繼續(xù)操作下去，電動機就能產生一個脈幅不大的制動力矩使列車減速停車，比較后仍用機械閘將機車閘住。

　　3變頻控制三相逆變橋工作原理如所示，由6只逆變管組成三相逆變橋，電路結構如a所示，各管的通斷安排如b所示?；鶚O控制信號為高電平時逆變管導通，若為低電平時逆變管就自行關斷。

　　的逆變管信號為高電平時才有輸出，如在和t2時間段，逆變管Vi和V4同時導通，u和v兩線間就有輸出電壓，其值為正，幅值等于直流電壓Ud.其它各時間段的Uuv、Uvw、Uwu的波形如所示，由圖中看到，三個輸出線電壓之間的相位互為2x/3，它們的振幅都與直流電壓Ud相等。因而，只要按照一定的規(guī)律控制6只逆變管的導通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電，逆變后的電流頻率按照上述規(guī)律改變控制信號的變化周期來進行調節(jié)。

　　三相逆變橋的輸出電壓由于架空電網(wǎng)的供電電壓基本上是恒定不變的，變頻后的電壓幅值也是不變的，當加在交流電機上電流頻率減少時，電機定子電流會大，若轉子側負載并未加時，電機的勵磁電流也會相應大，因而使得磁通Y加導致鐵心飽和，進而引起勵磁電流波形的畸變，這是不希望出現(xiàn)的。

　　由式可知，在變頻過程中同時也變壓，使U/fi =const，能保持磁通Y基本不變。因此在調頻的同時必須也調壓。由于架空電網(wǎng)的直流電壓不能改變，只能對逆變后的輸出電壓進行調制，采用的方法為脈寬調制（PWM），它是將每半個周期內輸出的電壓波形分割成若干個脈沖波，每個脈沖的寬度為ti，每兩個脈沖的間隔寬度為脈沖的占空+t2），電壓的平均值和占空比成正比，因而，可以調節(jié)輸出電壓如所示。雖然電壓可以調節(jié)了，但是輸出的電壓和電流波形都是非正弦波，具有許多高次諧波成分，故在脈寬調制時讓脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來安排，如所示。將脈沖的寬度對應正弦值的變化，這樣可得到近似正弦波形的輸出電壓和電流。借助計算機技術和大規(guī)模集成電路實現(xiàn)這些控制是可以的。

　　表1二半式封油環(huán)實驗記錄試驗次數(shù)試件運行系統(tǒng)泄漏量（mL/min）編號時間壓力左泄右泄備注編號油口油口環(huán)封而=1UP油第一次實驗環(huán)封而封油環(huán)平均開有六個Ymm的軸向通孔。運轉40min密封效果很好。實驗前后環(huán)的軸向厚度：T前左=4. T后左=4 T后右=3.環(huán)封而油第二次實驗環(huán)封而1270封油環(huán)有六個Ylmm的軸向通孔L.外密封帶上開有二個1X1mm的徑向通槽。連續(xù)運轉185min.密封效果較好，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。實驗前后環(huán)的軸向厚說明：在實驗的全過程中，二半式封油環(huán)密封效果很好，但未開徑向槽的封油環(huán)摩擦發(fā)熱較大。

　　通過實驗可知，軸向有6個1mm通孔，無徑向槽的封油環(huán)，密封效果相當好，甚至可以作到零泄漏，但由于密封端面存在摩擦，無泄漏油冷卻，必然導致摩擦界面溫度升高，磨損量大，因而不能保證長期穩(wěn)定運行。加徑向槽后，對界面發(fā)熱進行必要的冷卻，保證端面密封界面的液膜正常建立和存留，在保證界面比壓的條件下，又能滿足界面熱平衡條件，即有較小的泄漏量，又能長期穩(wěn)定運行，保證了液粘離合器的工作壓力。

　?。?）二半式封油環(huán)密封機理：軸肩推壓形成軸向密封；封油環(huán)外漲買現(xiàn)徑向密封；軸向推移補償磨損。

　?。?）二半式封油環(huán)的尺寸設計應滿足動力學條件式、熱平衡條件式和比壓條件式句。

　?。?）若單道封油環(huán)比壓條件不能滿足時，可通過設置多道密封，即保證滿足比壓條件，又能滿足密封要求。另外，當封油環(huán)兩端的壓差AP很大時，為避免環(huán)的摩擦面很快磨損，可在環(huán)的兩側端面上各加工一環(huán)槽（見），低壓側的環(huán)槽寬度較小，故環(huán)槽不露出于軸與座之間的徑向間隙中；高壓側的環(huán)槽寬度較大，故露出于徑向間隙中。兩環(huán)槽之間有若干個直徑等于1mm的小孔相通，故高壓腔的油可以通過小孔而到達低壓腔的環(huán)槽內。設油作用于低壓腔環(huán)槽的力為P.，那么，由于P.與AP方向相反，故P.即為其卸荷力。同時，由于低壓腔的環(huán)槽內充滿油，對摩擦面的潤滑非常有利。

　?。ㄉ辖拥?0頁）PWM輸出電壓隨著計算機技術和自動控制技術的發(fā)展，變頻裝置中的逆變控制變得越來越容易，新型逆變器件IGBT的出現(xiàn)不僅提高了逆變裝置的可靠性、還使其容量也得到很大提高，它們的結合可組成性能優(yōu)良、可靠性高、數(shù)字化的模塊控制裝置，使架線式電機車上采用普通三相交流電動機驅動成為可能。