简述变频器在牵引电机车中的应用探讨

目录
引言 (1)
一、系统设计 (1)
1、系统的硬件组成 (2)
2、系统的控制方式 (3)
二、变频调速系统工作方式 (3)
三、变频调速器的电气保护措 (4)
四、变频调速器的技术指标 (4)
1、变频调速器的使用 (4)
2、变频调速器改造所需配套电器 (5)
五、变频调速电机车与直流电阻调速电机车比较 (5)
六、改造费用 (7)
七、改造后的经济效益核算 (8)
八、可行性 (10)
参考文献 (10)
关于变频调速牵引电机车替代
直流电阻调速电机车的应用探讨
摘要：介绍井下直流牵引电机车的应用，实施交流变频改造的原理、特点及对比效果。

关键词：直流牵引电机车、直流电阻调速、变频调速技术
引言：
张家洼铁矿运搬工区共有36台14T和7台10T电机车，主要承担井下张矿全部的矿量、材料的运输，任务相当繁重，仅-350水平一天三个班矿岩运输量就是9500吨左右，现在所用的运输电机车一直是沿用直流电阻调速方式控制，经过几十年的使用说明，这种控制方式主要存在较多问题：由于电机车运行时，启动转矩小，启动不平稳，对齿轮箱的机械冲击较大，电器元件损坏多，电气故障率高，耗电量大，维修量及维修费用高，维护与检修复杂；控制系统无欠压、过压、过流等保护功能，使电机车在过载等故障情况下运行时容易损坏电机车的主要机械部件，也易烧毁电机：驾驶员操作困难，控制部分裸露触点多，容易造成人身触电事故，换挡、换向时司控器内产生火花较大，易烧伤驾驶员，存在诸多的安全隐患。

随着现代电力电子技术的飞速发展，变频调速技术已被广泛应用于各行各业，取得了显著的经济效益，迄今也在许多矿山企业中得到应用。

通过对变频技术的应用了解，同时为了响应公司技术革新和节能减排号召，特提出对直流架线式电机车进行变频调速的探讨性改进。

变频调速器是把工频电源变换成各种频率的交流电源，以实现电机
的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。

一、系统设计：
1、系统的硬件组成：
将变频调速（DTC）直接转矩控制技术、进口智能型IGBT(IPM)模块组件应用到14T电机车电气控制系统中，取代原有14T电机车司控器（QKTZ8-4）和电阻(QZX1-5系列)，两台52KW直流电动机拆除，更换两台45KW的三相变频调速电机。

改造后电机车额定转矩可为300%，实现无级变速，可以设定最高车速限制，避免了超速飞车事故的发生。

变频调速器换向调速由长寿命的电位器组成，无触点，没有什么维修量。

变频调速器有欠压、过压、过载等多重保护功能，可实现电机车频繁启动、制动和调速的要求，节约人工、材料费的同时，与传统直流电阻调速电机车相比节约电能35%以上。

改造前系统框图
改造后系统框图
2、系统的控制方式：
电机车改进后为变频调速方式，电流经过集电弓架自动开关而引至变频调速器上，变频器风扇工作。

调速器有换向手柄可以改变机车运行方向，调速手柄向顺时针方向转动为增速，向逆时针方向转动为减速，调到哪个位置，电机就按调定的频率运转，电机运转几乎不存在惯性，还可设定最高车速限制，避免司机开飞车发生事故。

（例如：当车速设定为4米/秒时，即使该车在下坡道运行，其车速也不会超过4米/秒）
二、变频调速系统工作方式：
1、电流经过集电弓架自动开关而引至变频调速器上，调速器有换向手柄可以改变机车运行方向，当换向手柄转至前进或后退位置时，转动调速手柄可以改变机车的运行速度。

2、换向手柄前进或后退任意位置时，调速手柄放在零位，机车处在零制动状态。

3、顺时针转动调速手柄顺时针转动调速手柄时，司控器内部的电位器也随之转动，电位器是用来调整CPU板模拟量给定电压（0-10V）。

4、调速手柄顺时针旋转，模拟量电压在0-2V区域，模拟量电压0-2V 是零制动区域，机车不动，变频器这样设置是提高抗干扰能力，预防事故发生。

5、调速手柄继续顺时针旋转，模拟量电压达到6V，模拟量电压6V时，变频器输出25HZ交流电，电机以25HZ频率旋转，机车中速运行。

6、调速手柄继续顺时针旋转到终点，模拟量电压10V ，模拟量电压10V是全速行驶位置，此时变频器输出50HZ交流电，电机以30HZ频率旋转，机车全速运行。

7、调速手柄向顺时针方向转动为增速，向逆时针方向转动为减速，调到哪位置，电机就按调定的频率运转。

（系统原理图见附页）
三、变频调速器的电气保护措施：
此变频器为全速度段无级调速控制方式，使机车启动平稳、调速均匀、操作灵活。

具有过压、过流、过热、失压等齐全的保护功能和故障指示；具有前进、后退、电刹车之功能。

合理可靠的保护系统正是变频调速电机车系统能高效、安全运行的关键。

四、变频调速改进的各项技术指标：
1、变频调速器的使用
1）工作环境温度 0℃——+40℃；
2）环境气压在 86Kpa——110Kpa；
3）空气湿度相对不大于 98%（25℃时）；
4）无显著摇动和剧烈冲击震动的环境；
5）控制方式：频率控制
6）冷却方式：风冷
7）基本参数：
2、变频调速器改造所需配套电器：
五、变频调速电机车与直流电阻调速电机车各项比较变频调速电机车与直流电阻调速电机车各项比较：
六、改造费用：
14T电机车由电阻调速升级变频调速每台费用约7.5万，包括变频器主机（BPT 2x45/550Z）、两台变频调速牵引电动机（YVF-45Q）、起动电阻（QZX1-40/550）、机车逆变器（NKJ-150/550)等，运搬工区共有36
台14T电机车。

总改造费用：36×7.5=270万元。

七、改造后的经济效益核算：
变频调速电机车取代电阻调速电机车前后经济效益对比：
经测电阻调速电机车的启动电阻为8Ω总阻值，使用2台52kW电机，电流为105A×2台，架线电压550V，机车由起动到高速，工作在理想状态下：
1、在最低档时（此时电机电阻值很小，可以忽略不计），两台电机串联，串联后功率为52KW，与启动电阻（此时电阻值为8Ω）串联，启动电阻电流为：I=U/R=550/8=68.75A，
根据公式：P=UI 启动电阻功率即：P=I2RT=68.75×68.75×
8=37.82kW
P启/（P启+P电机）=37.82/（37.82+52）=43%
即有43%的功率损耗在电阻上，在额定功率下，启动电阻每小时损耗的电量为52×2×43%=44.72度。

2、在中档位时（此时电机电阻值很小，可以忽略不计），电机变为并联，与启动电阻串联（运行低位，此时电阻值为4Ω）时，
启动电阻的电流：I阻=U/R阻=550/4=137.5A
根据公式：P=UI 启动电阻功率即：
P=I2RT=137.5×137.5×4=75.6kW
P启/（P启+P电机）=75.6/（75.6+104）=43%
即有43%的功率损耗在电阻上，在额定功率下，启动电阻每小时损耗的电量为52×2×43%=44.72度。

3、当调速器由低档升至高档位时（即调速器未达到最后一档全速时），电机仍然并联，并与启动电阻串联（此时电阻值为0.308Ω），在这个状态下运行时，电阻的电流与电机电流接近，
启动电阻的电流：I阻=I电机×2=105×2=210A
根据公式：P=UI 启动电阻功率即：
P=I2RT=210×210×0.308=14kW
P启/（P启+P电机）=14/（14+104）=13%
即有13%的功率损耗在电阻上，在额定功率下，启动电阻每小时损耗的电量为52×2×13%=13.52度。

4、综上所述，在整个电阻调速电机车运行过程中，启动电阻损耗了（43%+43%+13%）/3=33%的功率。

即在额定功率下，启动电阻每小时损耗的电量为52×2×33%=34.32度；另外，变频调速机车选用了45kW的交流电机，电阻调速电机车使用的是两台52kW电机，52kW×2-45kW×
2=14kW，即在额定功率工作时每小时就会省下14度电。

交流牵引电机过
载能力比较大，由于采用DTC直接转矩控制是额定转矩的300%，使变频机车在相同的粘着条件下，具有更大的牵引力，对恶劣环境适应性强。

按一台电机车每天工作12小时（每天三班，每班工作四个小时）计算，一年按300天计算，变频调速电机车比电阻调速电机车省电量为：300×12×（34.32+14）=173952度电。

按我们运搬工区36台电机车，每度电按0.6元计算，我们工区就可节省：173952×36×0.6=375.7万元八、可行性：
技术发展突飞猛进的今天，革新是一种进步。

变频调速电机车的应用将在矿山行业是一种趋势，这项技术的有着很大的优越性。

节能、低故障、寿命长、安全，将从根本上解决了电阻调速电机车带来的耗电量大、机械磨损大、元器件损坏多、维修量大等一系列弊端问题。

电机车改造后为无弧通断，从而避免了驾驶员烧伤事故的发生，同时也几乎消除了触电事故的发生。

变频调速的发展迅速，已超越了直流斩波调速技术的节能水平，早已在各大工矿企业投入使用，技术成熟，切实可行。

根据公司生产现状，若14T电阻调速电机车全部改造为变频调速，将每年光节约电费一项就有400万元，效益相当可观！
参考文献：
1、《井下直流架线式电机车变频改造》，赵煜慧编著，科学出版社。

2、《变频器应用技术及电动机调速》，黄立培编著，人民邮电出版社。

3、《煤矿变频架线电机车的技改与推广》杨国东赵大友
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附页：电气系统原理图
电 气 原 理 图
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