浅论煤矿井下蓄电池电机车运用变频调速技术进行的改造(吴信敏)

浅论煤矿井下蓄电池电机车运用变频调速技术进行的改造

吴信敏黄儒林

(淮北矿业集团桃园煤矿，安徽宿州 234116)

摘要：本文从变频与逆变电路工作原理、蓄电池电机车变频司控器功能与辅件配置、蓄电池电机车变频改造后应用效果等方面，分析介绍蓄电池电机车运用变频技术改造的情况。

关键词：蓄电池电机车；变频技术；改造

引言:在煤矿井下平巷运输中，主要巷道一般都采用架线电机车运输，而在采掘工作面附近的平巷运输则采用蓄电池电机车运输。后者肩负一线附近的短途材料运输等任务，这也是基于距离迎头近，主架线未敷设到位或防爆问题所考虑的。再者，直流电机比交流电机易于调速，蓄电池电机车一旦改造后也便于控制，并能节省电能与使用成本。伴随着变频技术的发展和日益成熟，直流斩波调速技术的优势不再突出了，而交流电机本身的高效率，以及易于维护等方面的优势又高，且宽调速范围和高调速精度都让专业人员与使用者获得了非常满意的效果。因此，如今蓄电池电机车变频调速技术改造也普遍开展起来了。在此，就蓄电池电机车变频调速技术改造所涉及到的一些技术问题进行探讨。

1 变频与逆变电路工作原理

1）电机变频基本原理。大家知道，交流电动机产生磁路的主要机械部分也就是转子线圈和定子线圈。这两者也是相互独立的。当将三相交流电送入电机的定子线圈，那么就会在电机的定子线圈中产生旋转的磁场，其磁场的旋转速度也就是电机的同步速度(N

1

)，转子线圈相对独立于定子线圈，转子线圈也是闭合的(可视为短路)。开始，转子线圈因没有任何外界能量的作用下则保持静止状态。一旦旋转磁场产生后会使得闭合的转子线圈做切割磁力线的运动，于是便会在转子线圈中产生感应电动势，并形成电流。而转子线圈中一旦有了电流，那么电磁

力便会形成磁矩，从而驱动转子转起来。这就是说，转子的速度(N

2

)是滞后于同

步速度的，而且还不可能达到同步速度，它总是略低于同步速度。就是说N

1与N

2

总是存在着差异的，因而这就是异步电机得名。如果调速，那么自然就是转子的

转速N 2了。假如把1

21N N N S -=叫电机的转差率，则它就属于电机的一个特性参数，其S 一般在2％～6％之间；若电机的输入电压频率用f 表示，而磁极对数用P 表示，则转子的旋转速度便为：)1(602s p

f N -=。显然，只要改变磁极对数P 或输入电压的频率f ，就可以改变电机的旋转速度。当电机在输出转矩并拖动机车时，那么转子的转速是不可能高于定子线圈中磁场的转速的，所以在制动时，转子的转速会比磁场转速要高，此时的电机就成了一个发电机，这样转子不但不能被定子线圈产生的磁砀所带动，反而会产生一个与磁场转动方向相反的磁矩来阻碍转子的转动，如此机车也会在不用刹车的情况下会自动将速度降下来。这其实就是电力制动。

2）三相逆变电路工作基本原理。由于蓄电池电机车所用的电源是蓄电池直流供电的，所以需要将直流电逆变成三相交流电供给电机车使用。而实质上，逆变就是一种将直流电变为交流电的技术。在此，以用六个IGBT 开关管(三个IGBT 模块)作为三相逆变电路的主回路（见如图1所示）加以说明。其中的sl ～s6为6路脉冲驱动信号，而U 、V 、W 为三相交流电输出，V DC +和V DC -为蓄电池的正负极，

其一个IGBT 模块对应一相输出。这里的驱动信号则控制着IGBT 管子的开通和关断。正常三相交流电的每一相之间相位差为120º的相位角差，其具体的工作波形图（见如图2所示）。从波形图上可知，其三相相间电压输出成T/3的相位差关系，三相的线电压这就很接近于了交流电。实际上，从逆变电路输出的电压而不是正弦波，是一种在经过电机定子线圈后形成近似于正弦波的电流，以驱动交流电机。在通常情况下，开关管的开关情况是每个管子导通角都为180º，彼此相隔60º角，所以在任何时刻都会有三个开关管导通，其所导通的顺序为：1-6-3，6-3-2，3-2-5，2-5-4，5-4-1，4-1-6。而在任何时刻还都不会有IGBT1-IGBT2或IGBT3-IGBT4或IGBT5-IGBT6中的任何一组同时导通，不然就会造成电源的短路，这也是设计绝对不允许的现象。显然，在设计IGBT 驱动时，这也是要非常严格考虑的问题之一。

2 蓄电池电机车变频司控器功能与辅件配置

蓄电池电机车的蓄电池，它负责供电给逆变电路、直变器和主板。对于12t 的蓄电池电机车，供电电压为192V；配置滤波电路为1个33000μF/250V或4个3300μF/450V的电解电容，主要用于平缓电源的波动；而逆变电路则由3个IGBT模块和6个2uF/1200V的无感电容所构成。配置的司控器基本参数，见表1所列。正常条件下，司控器在工作时的各项数据为：输入直流电压过压为额定输入电压的l.2

倍，欠压为额定输入电压的0.8倍；输出电压V

O ≈V

I

/1.414；输出电流则与负载有

关，一般在190A～250A之间。负载越大，输出电流也越大。当电流大于280A时，此时电路就会出现过流保护，致使电机车停机，再按下复位按钮即可重启电机车运行。

表1 司控器工作基本参数情况

型号额定输入

直流电压

（V

I

）

额定输出

功率（kw）

输出电压

单位（V）

输出电流范

围（A）

工作频率

（Hz）

KXBP-30/140 140 30 0-100 2×(0-121) 1-54 KXBP-44/192 192 44 0-136 2×(0-126) 1-54

3 蓄电池电机车变频改造后应用效果

1）蓄电池电机车变频改造后操作使用更加方便。其主、副司控之间也没有任何操作上的冲突，即使出现故障时，只需按下复位按钮即可，此时电机车便能重新启动运行。

2）蓄电池电机车变频改造后启动、停止动作过程平稳，安全性能好。变频机车在换向过程中也不会像以前的斩波调速类机车那样，换向后即刻就有动作，一般要在3～5s内将车停稳后然后再反向运行。假如电机车没有停稳，也是不会反向运行的。

3）变频改造后安装调试简单。蓄电池电机车变频系统安装过程中，只需特别注意电源正负极不能接反即可，假如接反了将会导致其内部的电解电容炸毁，并会在一定程度上毁坏系统电路元器件。

4）变频改造后节电效果显著。在未改造前，一组电瓶只能使用一个原班就要进行充电，过速的充放电，这也大大降低了电池的使用寿命。如今改造后，充一次电可以使用3个原班了。若每个原班电机车工作16h，则一年按300d计算，电机功率因数取0.85，需用系数取0.8时。其每年的节约电量为：P=30kw×2台×16h