兴安矿用电机车变频调速的研究

　　矿用电机车变频调速的研究马素平、沈旭明2（1.太原理工大学，山西太原030024；2.西山煤电集团公司，山西太原030024）矿用电机车所采用的牵引电动机大多是直流串激电动机。因为直流串激电动机具有良好的牵引特性，其转速随负载转矩的加相应降低，几乎是在恒功率下运行。但是直流电机车的起动和变速运行都需要在回路中串接电阻，制动减速工况也一样，这样有许多电能经过电阻发热都浪费掉了，另外直流电动机的电刷和滑环是容易出故障的部位，而且直流电动机的造价远高于同容量的交流电动机。过去有人曾研究采用脉冲调速的方法来解决直流电机车调速问题，但由于当时关键元件晶闸管技术性能差，导通容易、不能自行关断，因而产生失控现象，使得这项技术在电机车上没能推广应用。

　　近几年由于新型逆变器件如门极关断晶闸管（GTO）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现和自动控制技术的不断提高使得变频调速技术得到了广泛应用，本文论述变频调速技术用来解决电机车的调速问题。

　　1变频调速方案变频调速一般都是针对交流供电系统和交流用电设备来说的，通过改变交流电源频率来改变电动机转速从而达到调速目的。交流电动机同步转速按下式计算：交流电动机的转速正比于电源频率，其机械特性如所示，不同频率对应不同的转速。

　　变频调速方法有两种，一是交一交直接变频，二是交一直一交变频。交一交变频因变频范围窄，仅是工频的40%―般用在大功率低速设备中；交一直一父变频原理示意图如所示，它是先将父流整流成直流，然后再将直流逆变成交流，在逆变过程中控制逆变器件的导通频率可得到不同频率的交流电，其变频范围原理上没有限制，可以达到工频的200%电机车宜采用交一直一交变频方法，主要原因是现有的供电系统己有交一直整流部分，而且架空供电系统采用单项直流电比三相交流电要方便容易。在每台电机车上设置一套逆变装置，将从架空电网上获取的直流电逆变成频率可调的三相交流电，从而能采用简单的三相鼠笼型交流电动机取代直流电动机。电机车要以多大的速度行驶，都可以通过改变电源频率来实现。

　　2电机车的起动和制动电机车经常需要变速行驶、起动加速和制动减速。起动加速是控制逆变装置使电源频率由0到fe逐渐加，电机转速及电机车运行速度也逐渐加。由可知，电动机在非额定频率下工作时其带负载能力有所下降，可以采用电压补偿的方法使各频率下的临界转矩与额定频率下的临界转矩相等，以保证电机车起动时电机的起动力矩不会降低。

　　交一直一交变频原理示意图制动减速时仍可以由变频控制使电机产生制动力来实现。因为交流电机不仅工作于电动机状态（象限）而且还可能工作于再生制动状态（第二象限）如所示。若电机车正常运行时电动机工作在特性曲线①上，工况点为A，电动机转速为a，若这时需要制动减速，通过变频（降低频率）特性曲线变为曲线②，由于列车的惯性，电动机转速不可能突变，因而工况点将从曲线①上的A点按转速未变的原则“跳转”到曲线②上的B点，该点位于第二象限，于是得到反向制动转矩Tm，在Tm作用下列车减速运行，电动机转速将沿曲线②下降，将到时再降低频率，特性曲线变为③，对应的制动工况点为C，继续操作下去，电动机就能产生一个脉幅不大的制动力矩使列车减速停车，后仍用机械闸将机车闸住。

　　3变频控制三相逆变桥工作原理如所示，由6只逆变管组成三相逆变桥，电路结构如a所示，各管的通断安排如b所示。基极控制信号为高电平时逆变管导通，若为低电平时逆变管就自行关断。

　　的逆变管信号为高电平时才有输出，如在和t2时间段，逆变管Vi和V4同时导通，u和v两线间就有输出电压，其值为正，幅值等于直流电压Ud.其它各时间段的Uuv、Uvw、Uwu的波形如所示，由图中看到，三个输出线电压之间的相位互为2x/3，它们的振幅都与直流电压Ud相等。因而，只要按照一定的规律控制6只逆变管的导通与截止，就可以把直流电逆变成三相交流电，逆变后的电流频率按照上述规律改变控制信号的变化周期来进行调节。

　　三相逆变桥的输出电压由于架空电网的供电电压基本上是恒定不变的，变频后的电压幅值也是不变的，当加在交流电机上电流频率减少时，电机定子电流会大，若转子侧负载并未加时，电机的励磁电流也会相应大，因而使得磁通Y加导致铁心饱和，进而引起励磁电流波形的畸变，这是不希望出现的。

　　由式可知，在变频过程中同时也变压，使U/fi =const，能保持磁通Y基本不变。因此在调频的同时必须也调压。由于架空电网的直流电压不能改变，只能对逆变后的输出电压进行调制，采用的方法为脉宽调制（PWM），它是将每半个周期内输出的电压波形分割成若干个脉冲波，每个脉冲的宽度为ti，每两个脉冲的间隔宽度为脉冲的占空+t2），电压的平均值和占空比成正比，因而，可以调节输出电压如所示。虽然电压可以调节了，但是输出的电压和电流波形都是非正弦波，具有许多高次谐波成分，故在脉宽调制时让脉冲系列的占空比按正弦规律来安排，如所示。将脉冲的宽度对应正弦值的变化，这样可得到近似正弦波形的输出电压和电流。借助计算机技术和大规模集成电路实现这些控制是可以的。

　　表1二半式封油环实验记录试验次数试件运行系统泄漏量（mL/min）编号时间压力左泄右泄备注编号油口油口环封而=1UP油次实验环封而封油环平均开有六个Ymm的轴向通孔。运转40min密封效果很好。实验前后环的轴向厚度：T前左=4. T后左=4 T后右=3.环封而油第二次实验环封而1270封油环有六个Ylmm的轴向通孔L.外密封带上开有二个1X1mm的径向通槽。连续运转185min.密封效果较好，系统压力稳定。实验前后环的轴向厚说明：在实验的全过程中，二半式封油环密封效果很好，但未开径向槽的封油环摩擦发热较大。

　　通过实验可知，轴向有6个1mm通孔，无径向槽的封油环，密封效果相当好，甚至可以作到零泄漏，但由于密封端面存在摩擦，无泄漏油冷却，必然导致摩擦界面温度升高，磨损量大，因而不能保证长期稳定运行。加径向槽后，对界面发热进行必要的冷却，保证端面密封界面的液膜正常建立和存留，在保证界面比压的条件下，又能满足界面热平衡条件，即有较小的泄漏量，又能长期稳定运行，保证了液粘离合器的工作压力。

　　（1）二半式封油环密封机理：轴肩推压形成轴向密封；封油环外涨买现径向密封；轴向推移补偿磨损。

　　（2）二半式封油环的尺寸设计应满足动力学条件式、热平衡条件式和比压条件式句。

　　（3）若单道封油环比压条件不能满足时，可通过设置多道密封，即保证满足比压条件，又能满足密封要求。另外，当封油环两端的压差AP很大时，为避免环的摩擦面很快磨损，可在环的两侧端面上各加工一环槽（见），低压侧的环槽宽度较小，故环槽不露出于轴与座之间的径向间隙中；高压侧的环槽宽度较大，故露出于径向间隙中。两环槽之间有若干个直径等于1mm的小孔相通，故高压腔的油可以通过小孔而到达低压腔的环槽内。设油作用于低压腔环槽的力为P.，那么，由于P.与AP方向相反，故P.即为其卸荷力。同时，由于低压腔的环槽内充满油，对摩擦面的润滑非常有利。

　　（上接第10页）PWM输出电压随着计算机技术和自动控制技术的发展，变频装置中的逆变控制变得越来越容易，新型逆变器件IGBT的出现不仅提高了逆变装置的可靠性、还使其容量也得到很大提高，它们的结合可组成性能优良、可靠性高、数字化的模块控制装置，使架线式电机车上采用普通三相交流电动机驱动成为可能。