浅谈斩波调速在电阻调速式电机车上的应用

尚现亮

【摘 要】如何安全使用电阻调速架线式电机车是当前一些企业迫切需要解决的难题，本文通过对15台ZK7-6/550型架线式电机车的技术改造总结，找到了一种经济实用的改造方法，对同类企业有一定的借鉴意义。

【关键词】斩波调速；电机车；技术改造

0.概况

我公司某矿井开拓方式为平峒—斜井开拓，主平峒承担运输、进风和排水，由15台ZK7-6/550型架线式电机车牵引矿车进行运输，运距达5400米。由于电机车使用频繁、启动冲击大、能耗高、故障率高，仅每年换修配件费用就达60余万元。2011年，国家安全监管总局国家煤矿安监局发布《禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第三批）》的通知，其中要求7吨以上（含7吨）电阻调速架线式工矿电机车在2013年起禁止使用。该矿15台电机车大多为2003年-2005年购置，库房贮存约200万元备件，若将现有电机车全部淘汰，新购机车，花费巨大，对矿井造成的经济冲击将是沉重的。因此，寻求新技术对现有电机车进行技术改造以满足安全生产需要，减轻经济损失，成为矿井的必然选择。

矿井随即派专业人员对目前国内电机车控制技术有关的厂家和科研院所进行了认真的调研和比对，最后选定湖南双马电气公司为技术合作伙伴，共同对15台架线式工矿电机车成功进行了技术改造。本次技术改造的成功，对同类企业有一定的借鉴意义。

1.技术改造方案的确定

2011年5月，合作双方对现用的电阻调速架线式工矿电机车进行了细致的技术分析和充分论证后，最终确定了技术改造方案。即：电机车的电阻调速器更换为双马电气公司的斩波式控制器；新控制器安装在原有控制器位置，新控制器安装尺寸由双马公司根据现有电机车自行设计制造；加装无线通讯系统、灯光信号等安全装置，以满足安全使用要求。

2.技术改造的分析

本次技术改造使用的斩波式控制器，是湖南双马电气公司自行研发的第二代IGBT斩波调速控制器，其内部关键技术获得国家发明专利，与国内同类型产品相比较最大的优势是性能稳定、节能显著、保护齐全、使用安全可靠、操作简单、故障率低等优点。斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电动机调速的目的。利用可控硅的开关特性，控制其通断时间从而实现斩波，以改变转子两端的电压来调节直流电机的转速。斩波调速系统采用了IGBT高压大功率开关器件，控制方法为定步调宽 （PWM方式），当驱动脉冲为高电平 （+15V）时器件导通，反之低电平 （0V或-15V）时关断。 由于开关频率高，实际电机的电流等效为直流电流，通过改变 IGBT 的导通与关断的比例 （即调压比α=tan/T或V出/ V入），即可改变电机两端的电压平均值，从而改变电机的转速，实现机车调速的目的。由于 IGBT工作在开关状态，导通关断时损耗很小，所以调速状态下节能效果显著。斩波器的各种保护功能（软起动、欠压、过压、过流）亦通过 IGBT导通与关断的比例来实现。

3.技术改造后的分析

（1）2011年7-8月，该矿按上述技术改造方案对全部15台电机车成功进行了改造。经过几个月的运行实践，电机车改造效果显著，一举解决了原架线式电机车能耗高、故障率高、维修费用大、运输能力偏弱、安全隐患多等问题。并具有以下技术优点：1）技术先进，IGBT斩波调速控制器是目前国内较先进的调速控制器，在功能设计上，对电气部分加装了逆变电源，照明电源模块、警音控制、前后灯控制全部集中在斩波调速控制器内部，操作十分方便。2）有过流保护，当机车超载时，电流保护电路动作，使电机电流恒定，确保了电机车安全运行。3）有过压欠压保护，当电网电压超过或低于斩波器整定的电压值时，控制盒的过压欠压保护电路动作，保护电机和斩波器。4）直流接触组件触点无弧通断，在正常操作下，所有直流开关触点均无弧通断，故障率低，大大延长了触头的使用寿命。5）调速控制器适用性广。IGBT斩波调速控制器不但适用于电阻调速机车技术改造，更是目前新型电机车的热门配套部件，由于厂家有核心专利技术，可设计增加功能，满足不同的用户需求。

（2）经济分析：购置15台新机车需花费380万元，15台机车和200万元备件全报废损失约420万元，共计约800万元；采用与厂家技术合作改造15台旧机车方案，共花费230万元，实际直接节约资金570万元。

（3）存在问题及建议：一是该斩波调速系统对井下架线电网的电压要求较高，斩波调速电机车因架线电网电压波动较大等问题，导致预充电阻、IGBT、储能电容等主要元件的损坏。建议矿井对井下电网供电电压实施监测，保持电压波动在允许范围内，有条件的企业可以加装先进的稳压装备，以满足电机车用电需求。二是调速控制器内部控制件集成较高，对故障维修人员要求较高。建议企业与厂家建立技术服务机制，派员接受厂家技术培训，以期在较短时间内服务企业。

4.结论

一是采用IGBT斩波调速控制器替换电阻调速，实现了电机车无级调速，机车起动平稳、起动力矩大，从起动到全速均能平稳过渡，能有效地保护电机车的机械系统，可根据实际需要任意控制机车速度，牵引力比电阻调速机车大，机车故障大幅下降，工作效率提高明显。二是花费资金少，效果良好，适用于中小型企业对老式电机车的技术改造。