电机车电控系统性能提升优化方案

张薇

（江苏睿龙电气设备有限责任公司，江苏 常州 213000）

随着时代的进步、技术的发展，工矿机车也发生了翻天覆地的变化。电力机车已经逐步取代了传统的柴油机机车。但是，电力机车的电控系统却发展缓慢，多数沿用传统的电控方案，也就是蓄电池提供540V的直流电源给变频驱动，进而将其转换为0～380V的三相交流电源，以此来对电机进行驱动牵引。主控制器利用开关信号来对变频驱动和多档调速进行启动和停止，车辆的实际运行状态可以通过控制台上面的指示灯和仪表来进行显示。

1 工矿电机车的组成结构

某工矿机车主要由电气和机械两部分构成，其中，机械单元主要有车架、轴箱、制动设备、缓冲连接设备和制动手轮等。电气单元则主要包括控制装置、受电弓和照明等，见图1。

图1 架线式电机车的供电原理图

矿用电力机车的任何一个部件均有相应的作用，在轴承箱盖上安装的有所有的部件，该轴承箱盖是由弹簧支架支撑起来的。在机车实际运行中，极有可能和其他设备之间发生碰撞。为尽可能降低碰撞带来的损失，也就是将变形降至最低，可以将设备钢板的厚度适当的提高。此外，在弹簧托架的作用下，各个轮胎内部能够均匀的承受机车的质量。这样一来，机车就能够平稳地运行，有效降低运行过程中出现的振动现象，防止机车脱轨。

2 矿用电机车的工作原理

电池型和架空线路型电力机车为最主要的两种机车类型：（1）架空线路型机车：这种类型的电力机车，其主要原理在于转换电流、整流和降压操作。具体来说，处于架空线路末端的高压经过一系列的操作，完成上述任务，最终实现降压的目标，以此确保电源能够经过一系列转换后适合机车的电压值。架空线路作为正极，轨道属于负极。在受电弓装置的作用下，引入电流进入机车内部，因此，实现电力机车的启动运行。（2）电流型电力机车。由于电力机车内部安装的有电池，其无须对电流和电压进行转换，只需要借助电池能量就可以驱动电力机车。

3 传统电机车电控系统的不足

45T和55T电力机车是现阶段市场上最主要的机车类型。其驱动方式为同一变频驱动，都由两台牵引电机进行驱动。但是，这种传统的电机驱动方式，问题重重，具体表现为：（1）由于其驱动方式为变频驱动，也就是说，需要逆变器输出相同的电压和频率到牵引电机中，因而牵引电机的转速基本趋同。但是，实际运用过程中，根本无法确保电力机车的每个轮子都承受相同的力度，仅能对电机速度予以调整，来尽可能地平衡各个轮子之间承受的不断的载荷力。若牵引电机未能调整到位，载荷不够平衡，则会引发电机烧毁等安全事故。（2）V/F控制是传统机车变频控制办法。在零速的时候，直流输出给牵引电机，并向其提供阻力转矩。若电力机车在斜坡位置进行刹车的时候，滑倒风险极大。

4 电机车电控系统优化方案

随着技术的发展进步，电力机车也不断在攻克难关，不断完善更新。其中，65T大吨位的电力机车开始诞生。该种电力机车的驱动为4台牵引电机，并将旋转变压器安装在电机轴侧，其功能在于为后续的机车运行速度提供指导。所有的牵引电机均变频驱动，控制方式为闭环矢量。CAN总线作为数据传输方式，主要用于变频器之间的信息传递，以此来及时跟踪机车运行速度，对负载及时予以平衡。信号传递通过主控制器传递给PLC，然后在利用CAN总线输送给对应的变频器。在PLC作用下，变频驱动器的运行速度、电流以及电压等相关信息均能够反馈给人机界面。这样，我们就可以直观地对电力机车的实际运行状况进行查看。

5 电机车电控系统优化方案的优势

相比较于传统的解决方案，65T电力机车的诞生极大地优化了电气控制系统。具体表现如下。

（1）闭环矢量控制。在该电机电气系统中，闭环矢量控制的设计，能够实现零速转矩输出。这样一来，在电机停止运行的时候，并不会发生滑倒等事故。同时，旋转变压器安装在电机轴侧，对其运行速度进行实时跟踪反馈。这样改造思路，较好地避免了斜坡上电机滑落滚动等危险。

（2）一对一控制变频驱动。在65T电力机车中，牵引电机的控制方式为一对一。每台牵引机均有一台变频器驱动。在速度模式下，一台变频器为主要工作；在扭矩模式下，其他变频器全部作为辅助进行工作。PLC发布命令给变频器主机，在接收到命令后控制电机的运行速度。接着，从动器会接收来自CAN总线的运行、速度以及转矩等命令。然后从动器会将上述命令传输给主变频主机，通过主从配合的方式，实现了4台电机的安全运行。并能够实时跟踪电机运行速度，实现载荷平衡，有效控制电机电流差在±5%以内。

（3）故障跛行。由于传统的电机控制方式为一对多，若其中一台变频器或者电机出现故障，整个电机系统立即停机，无法启动。而65T电机系统的变频控制为一对一，这样一来，即便其中某一个或者某2个系统出现故障，也并不会导致电机系统出现停机现象。此时，只需要将故障部位绕开，依然可以启动电力机车。

（4）开环/闭环控制。由于电力机车处于高振动、高冲击和高湿度的工作环境之中，为了更好地适应上述恶劣环境，多将旋转变压器安装在轴机内侧，作为速度反馈装置。然该装置一旦出现故障，牵引电机立即停机，无法启动。在65T电力机车中，控制模式调整为闭环/开环矢量控制模式。也就是说，一旦其中任何一个部件出现故障，驾驶人员也可以切换电力机车为开环模式，此时无须停机，可以继续运行，提升了电力机车的运行灵活性和可靠性。

（5）空载模式。65T电力机车设计的为空载模式，借助人机界面。可以设置4台牵引机中的任意一台为空载模式，此时，仅需要2～3台牵引电机便可以启动。而满载模式下，要想启动电力机车，则需要3～4台牵引电机。空载模式的设计，能够极大地节约电力机车的能耗，实现节能的目标。

（6）保护方案完善。65T电力机车驱动为一对一，能够从全方位实现对电力机车的各种保护，防范电机出现烧毁现象。

综上所述，电力机车在工矿企业中运用的最广泛，随着工矿企业的发展，传统的电力机车的控制系统已经无法满足实际需求。此时，就亟待对电力机车控制系统予以优化。本文在分析了传统电力机车控制系统不足的基础上，提出了65T电力机车控制系统优化方案。控制系统改为闭环/开环矢量控制，主从负荷进行合理分配。同时，载荷分担，能够避免大负荷和大斜坡条件下机车打滑现象。此外，通过速度反馈装置的配置，能够灵活保护电机系统，避免电机烧毁，确保了电力机车的安全可靠稳定运行。