简述变频器在牵引电机车中的应用探讨.pdf

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1、 1 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）6 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

2、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

3、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 2 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

4、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。DC 电源 改造前系统框图 DC 电源 改造后系统框图 自动开

5、关 调速电阻 司控器 2#电机 1#电机 自动开关 变频调速器 1#电机 2#电机 3 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

6、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 1

7、0V，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。4 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 86Kpa110

8、Kpa；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：型号 BPT-245/550Z 额定输入电压 550V（电压波动：450690V）额定输入电流 193 输出电压范围 0380 输出电流范围 0286 输出频率范围 1050 5 2、变频调速器改造所需配套电器：序号 名称 型号 数量 备注 1 直流架线电机车 用变频调速器 BPT 2x45/550Z 1 台 193A 550V 2 矿用一般型自动开关 QSD1-6-200/550S 1 件 200A 550V 3 矿用一般型变频调速 牵引电动机 YV

9、F-45Q 2 台 84A 380V 4 矿用隔爆型 LED 机车灯 DGY9/70(A)2 件 9W 24V（含信号灯）5 矿用一般型机车逆变器 NKJ-150/550 1 台 0.375A 550V 6 矿用一般型工矿电机车用起动电阻 QZX1-40/550 1 台 40A 550V 7 矿用一般型直流 牵引辅助电动机 ZQD-2(550)1 台 4.45A 550V 8 矿用隔爆型主令开关 KBM-3/110 1 台 3A 110V 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：6 序号 项目比较 架线变频调速牵引电机车 直流牵引电机车 1

10、牵引电机 的性能 架线变频调速牵引电机车所用电机的可靠性高，转子没有换向器和线圈，封闭性好，不易受环境潮湿等因素的影响而降低绝缘，没有碳刷，故障率低，维修费用少，几乎没有。直流牵引电机转子线圈绝缘易因绝缘下降、过流等因素烧坏，转子换向铜头易磨损，碳刷易损坏和碳粉清理不及时等原因，故障率高维修费用大。2 控制器 性能与特点 架线牵引变频调速电机车使用的是变频调速器。变频调速器换向调速由干簧管、长寿命电位器等组成，无触点，没有什么维修量。交流牵引变频调速为无级调速，调速均匀，最低可以给定 0.1HZ 频率下的速度，牵引电机在 0.1HZ-50HZ 频率范围内按调速手柄给定频率大小来增减速度，同时可

11、以设定最高车速限制。即使机车在下坡或轻载情况下也不会造成飞车失控现象。此变频调速器在某种情况下允许误操作，如司机在零速启动后突然加大到最高速时，变频调速器频率上升的时间被设定为 5 秒，机车仍然在 5 秒钟后才能达到最高速度。这样能有效地避免突然加速对变速箱齿轮的冲击，最大的延长了齿轮的使用寿命。直流牵引机车采用凸轮控制器，实现机车的起动、调速、停车。控制器的触头、截片在通、断操作过程中拉弧烧损，要经常打磨甚至更换，维修量很大。控制器有级分档调速，司机操作突然加速可能造成调速器和牵引电机的损坏。3 能耗与安全 变频调速电机车具有下坡与制动过程中将动能转换为电能回馈充电功能。架线式交流牵引变频调

12、速电机车如果在同一牵引电网上全部采用，则可以将机车设置为可以向牵引电网馈电功能来补偿上坡运行列车的电能消耗。变频调速器的交流牵引电机为全程转速控制即使机车在下坡运行状态下，牵引电机转速仍受变频调速器控制，同时可以设定最高车速限制，从而避免了超速飞车与溜车等事故的发生。直流牵引斩波调速及电阻调速机车，无自动充电功能，机车在重载下坡运行或制动过程中将电能白白消耗在电阻上，无法将惯性动能通过电机与调速器转化成电能回馈到电源装置上充电，斩波调速器不能进行全程转速控制，机车下坡时直流牵引电机随惯性自由运转，极易造成车出轨事故。并在大坡度轨道上停车时手轮机械制动来不及，可能造成溜车。7 序号 项目比较 架

13、线变频调速牵引电机车 直流牵引电机车 4 牵引力与 爬坡能力 架线变频牵引电机车所用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%，使机车在相同的粘着条件下具有较强的牵引力，在恶劣环境下适应性强。由于直流电机的软特性，是定额转速的150%，转速随负载变化，过载能力小，相同粘着条件牵引力小，只适用于11以下坡度线路上运行，仅能满足使用高标准环境。5 维修量 架线牵引变频调速电机车，频率变换速度改变，约在 5 秒内缓慢上升，对传动系统的冲击至最低。交流异步电机密封性好，没有换向铜头，碳刷，不易损坏、维修量小。变频调速无触点控制，板维修维护量小，全速度控制有零速电制动功能，所

14、以手制动在正常运行，减速制动停车的过程中不用，几乎不大磨损，所以运行维修量小。直流斩波调速电机车有级调速对机械传动系统有冲击力，极易造成齿轮的损坏。手制动使用频繁，闸瓦磨损快，经常需要更换。电阻调速电机车牵引电机故障率高，维修量大，换向铜头磨损要光修，碳粉要经常清除，同时碳刷作为消耗件，要适时更换。凸轮控制器的触头，铜截片消弧罩易损坏要经常维修更换。启动电阻在热态冲击作用下极易损坏，配件消耗量大。6 经济效益 架线牵引变频调速电机车最突出的优点就是节约电能，节电率有 35%以上。以架线式 14T 电机车为例，需要 45KW*2，按每天 18 小时计算，每天节约电能 248.9KWh，电费按 0

15、.5 元/KWh 计算，日节约电费 124.5 元，一年下来节约电费 44820 元。若整个电网供电系统有 5 辆机车，全部采用交流变频调速机车，年节约电费至少 22万元。机车的维修费用由于采用交流电动机，电机调速器及闸瓦的维修材料费及工时费可到 1.5 万元/台年(大修一台直流电机约在 6000 元以上)。斩波调速机车仅比电阻调速电机车取消了起动电阻，经济性与维修量提高不明显。8 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

16、-150/550)等，运搬工区共有 36台 14T 电机车。总改造费用：367.5=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 8总阻值，使用 2 台 52kW 电机，电流为 105A2 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 8）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=68.7568.758=37.82kW P启

17、/（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 52243%=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 4）时，9 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=137.5137.54=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 52243%=44.72 度。3

18、、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 0.308），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=1052=210A 根据公式：P=UI 启动电阻功率即：P=I2RT=2102100.308=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 52213%=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

19、时损耗的电量为 52233%=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，52kW2-45kW2=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 1 0 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：30012（34.32+14）=173952 度电。按我们运搬工区 36 台电机车，每度电

20、按 0.6 元计算，我们工区就可节省：173952360.6=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 1 1 附页：电气系统原理图 电 气 原 理 图1、矿用一般型变频调速牵引电动机2、直流架线电机车用变频调速器3、矿用一般型机车逆变器4、矿用隔爆型LED机车灯5、矿用一般型自动开关6、矿用一般型直流牵引电动机7、矿用一般型工矿电机车用起动电阻8、矿用隔爆型主令开关