新型斩波调速装置在工矿电机车的应用

使用与维护　・使用与维护・　第３１卷２０１３年第１期（总第１６３期）　

新型斩波调速装置在工矿电机车的应用　谭宇海曹明娟　申庆海冯福庆　（鞍钢集团铁路运输设备制造公司　鞍山　１１４０４８）　

【摘要】介绍了新型ＩＧＣＴ直流斩波调速装置电气传动工作原理和控制系统功能及其在工矿电机车上的　应用。达到了节能、降低维护成本和延长电机车使用寿命的良好效果。　【关键词】斩波调速工矿电机车　应用　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｅｗ－ｔｙｐｅ　Ｃｈｏｐｐｅｒ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ｏｎ　Ｆａｃｔｏｒｙ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ　

ＴＡＮ　Ｙｕ－ｈａｉ，ＣＡＯ　Ｍｉｎｇ－ｊｕａｎ，ＳＨＥＮ　Ｑｉｎｇ－ｈａｉ，ＦＥＮＧ　Ｆｕ－ｑｉｎｇ　（Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆＡｎｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ，Ａｎｓｈａｎ　１　１４０４８）　

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｒｉｖｅｓ　ｆｏｒ　ｎｅｗ—ｔｙｐｅ　ＩＧＣＴ　ＤＣ　ｃｈｏｐｐｅｒ　ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｙ　ａｎｄ　ｍｉｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ．Ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｇｏｏｄ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ，ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｃｏｓｔ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｎｇｅｒ　ｓｅｒｖｉｃｅ　ｌｉｆｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］Ｃｈｏｐｐｅｒ，ｓｐｅｅｄ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｆａｃｔｏｒｙ　ａｎｄ　ｍｉｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

１前言　目前工矿电机车在全国各类矿山中拥有量达　五万台以上，大多数电机车还是沿用出厂时的有　级变阻进行调速控制，该技术落后，运行成本　高，　在经济运行方面受到了限制ｎ　。如果对老车　进行直流斩波调速技术更新改造，将使更新后的　产品获得新的电气性能。　斩波调速技术是通过一个感性负载与快速的　电子开关（即斩波器）串联实现的，斩波器实质上　就是无功耗的直流转换器。在直流电动机斩波调　速电路中，取消了电动机串联的启动电阻，能实现　节能，提高电机车牵引力，给牵引领域带来一场技　术革命。　自从大功率晶闸管问世以来，电机车斩波技　术得到了飞速的发展。随着科学技术的飞跃发　展，新型电力电子器件陆续出现，晶闸管、ＧＴ０、　ＩＧＢＴ和ＩＧＣＴ等高压大电流电力器件逐步进入实　用阶段。鞍钢铁运设备制造公司经过论证和调研　决定使用ＩＧＣＴ为作为直流斩波调速装置的主器　件，并开始研制新型工矿电机车斩波调速装置。　

２斩波调速的工作原理　直流斩波器是一种把直流高电压变换成负载　所需的、从零开始的、可变直流电压的电源变换装　置，它通过周期性地快速导通和关断，把恒定的直　流电压斩成一系列的脉冲电压，改变这一脉冲的宽　度或频率就可以实现输出电压平均值的调节忙　。　直流斩波器最初应用在弱电技术领域，随着大功　率电子技术的发展，现已广泛地应用于直流传动　电机车　；从６Ｏ年代的ＳＣＲ半控器件强迫换流斩波　器、到８Ｏ年代的ＧＴＯ全控器件斩波器哪、到现已发　展为ＩＧＣＴ复合器件斩波器。　ＩＧＣＴ具有电流大、阻断电压高、开关频率高、　可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且制　造成本低、成品率高，有很好的应用前景。由于　ＩＧＣＴ像ＩＧＢＴ那样具有快速开关功能，又像Ｇ１’Ｏ那　样导电损耗低，在高压大电流各种应用领域中可　靠性更高。ＩＧＣＴ装置中所有元件装在紧凑的单元　中，降低了成本。ＩＧＣＴ采用电压源型逆变器，与其　他类型变频器的拓扑结构相比，结构更简单，效率　

栏目编辑：陈振华　一１一　第３１卷２０１３年第１期（总第１６３期）　使用与维护　更高。　工矿电机车电传动主电路为直流串激牵引电　动机驱动，它可工作在牵引和电制动两种状态。　大功率直流电机车为了增大牵引力采用多台主电　动机同时工作，一般为２个、４个或６个电动机，进　行斩波调速改造时，每个主电机和一个斩波器组　成一相斩波电路，这样每台斩波电机车由力相斩波　电路组成（胆２，４，６）。这ｎ相斩波电路工作频率相　同，但每相之间具有固定的相位差（３６０。／ｎ），这种　控制方式称之为Ｎ相Ｎ不重，这样做的主要目的是　为了减轻机车在牵引启动时对电源的冲击，或减　少对主电路滤波电容的容量要求。　新型ＩＧＣＴ斩波调速电机车主电路原理（一相）　如图１所示，当斩波器工作时，ＩＧＣＴ按照一定的频　率和脉冲宽度导通和关断，导通时电流由　ＤＣ１５００Ｖ电源经直流电动机、电抗器、ＩＧＣＴ到地；　ＩＧＣＴ关断时电流由续流二极管回到１５００Ｖ电源，　等待下一次导通，这样虽然ＩＧＣＴ工作在开关状态，　但电动机中的电流却是连续的，通过调整ＩＧＣＴ的　导通比还可以调整电动机电压，达到调速的目的。　图１主电路原理　直流电动机　电抗器　３控制系统功能　ＩＧＣＴ斩波控制电路系统框图如图２所示，作　为工矿电机车的控制核心，主要完成以下功能：　（１）产生刀相ｎ不重的ＩＧＣＴ控制脉冲，通过光　纤控制和检测ＩＧＣＴ可靠工作。　（２）检测架线电压、电动机电压、电动机电流、　ＩＧＣＴ散热器温度等信号，并进行限制保护。　（３）根据司机控制器的控制信号，完成档位控　制，进行脉宽调制。　（４）通过ＲＳ４８５总线，输出显示数据，并于显示　器上显示运行数据，作为司机操作的人机界面。　（５）控制开闭器和接触器，进行主电路和辅助　一２一　电路的开关切换。　（６）完成运行和电制的信号转换，输出相应的　控制信号。　

操作开关　ｌ　１　ｌ　状悉显不　

司机控制卜＿——一　

电压信号卜　斩波　—　开闭器　

控制器　———　接触器　￣ａ￣ＮＳ－【——一　

…．　．一１　．　———一　斩波器　璇厦佰亏　ｌ　

图２　ＩＧＣＴ斩波控制电路系统　４效益分析　对鞍钢集团铁运公司机车厂１３０号电机车进　行斩波调速系统改造，其运用情况总结如下：　（１）节省电能，在改造的过程中将原电阻车的　６０箱启动制动电阻全部切除，减为２４箱作为电能　制动。　（２）增加启动牵引力，其控制方式采用４相４　不重，导通ＬＥｆｔ＇于０．２５时，启动电流从一个电动机　到其他电动机逐个启动，相当于架线电流承担一　个电动机的负载，启动电流低，而且启动时不易空　转，粘着性能好，比同吨位机车能拉更多的货物。　（３）减少检修费用，日常维护费用降低。电空　接触器由原来３３台减为１２台，作为电源开关，不　带负荷作业，基本上不烧损接触器，主回路故障　低，从而相应延长了大中修时间。　（４）机车使用周期延长，由于斩波调速机车主　回路和控制线路故障降低，基本上没有回修的发　生，机车在外作业时间相应延长，提高了作业效率。　（５）延长电动机寿命，由于不需要大电流关断　主电路，没有过电压的产生，减少了高电压和大电　流对电动机的冲击，使牵引电动机的寿命延长。　（６）司机室内进行了人性化设计改造，并装有　彩色液晶显示屏，实现数字化控制。司机可在驾　驶室内就一目了然地观察电动机的运行状态，轻　松舒适地掌控设备。　经过近一年时间的运行，确认本装置与原来　电阻车相比节省电能１５％以上，启动牵引力比原　设计约提高１０％，减少维护检修费用３０％，解决了　电阻调速机车启动时，因电网电流过大而烧毁接　［下转第４页］　第３１卷２０１３年第１期（总第１６３期）　使用与维护　点，每层２Ｏ个测点，各层间采用交错排列，确保对　炉缸温度进行全面监测。测点分布如图２所示。　

图２炉缸２～４段测点分布　３接线方式选择及测温系统组成　目前热电阻接线方式主要有两线制、三线制　和四线制三种。两线制引线方法简单，但连接导　线存在引线电阻，测量精度较低；四线制是在热电　阻的根部两端各连接两根导线，其中两根引线专　为热电阻提供恒定电流，这种引线方式可完全消　除引线的电阻影响，但投资较大；三线制是在热电　阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根　引线，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的　消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常　用的接线方式，因此选择三线制接法ｎ　。采用三线　制接法与西门子ＳＭ３３１　ＡＩ８＊ＲＴＤ模块的接线图如　图３所示［２１：　该测温系统以端面热电阻为检测元件，经屏　蔽电缆接人西门子ＳＭ３３１　ＡＩ８＊ＲＴＤ模块，该模块　

通过背板总线与Ｓ７—３００　ＣＰＵ连接。再经过ＰＬＣ内　部程序处理，将测点温度值输出到上位机Ｗｉｎｃｃ系　统画面，从而实现炉缸外皮温度的实时监控。同　时，为每个测温点建立历史曲线ｐＩ，便于对各点温　度变化趋势进行分析对比。　

．　……………………………．　图３西门子ＳＭ３３１　ＡＩ８　ＲＴＤ模块接线　

板　线　

４效果与结论　采用端面热电阻组成的炉皮测温系统，安装　方便，能准确快速地反映炉皮的实际温度，在原测　温点损坏的情况下，可以通过检测外皮的温度，间　接反映炉内砖衬的温度变化，从而有效监测高炉　炉缸的状态，避免铁水穿炉事故的发生，在实际应　用中取得了很好的效果。　

参考文献　【１】苏昆哲．深入浅出西门子ＷｉｎｃｃＶ６：２版【Ｍ】．北京：北　京航空航天大学出版社．２００５．　［２】刘铠．深入浅出西门子ｓ７—３ＯＯ　ＰＬＣ［Ｍ】．北京：北京航　空航天大学出版社。２００５．　【３】王永华．现代电气及可编程技术［Ｍ】．北京：北京航空　航天大学出版社。２００４．　（２０１１－１２－２３收稿）　

［上接第２页］　触网及受电弓滑板的问题。　

５结束语　用于工矿电机车的这种新型ＩＧＣＴ斩波调速　装置既节能又降低了维护成本，并且可以用最少　的费用对现有车辆进行改造。使直流传动系统以　很低的费用实现电机车控制系统现代化，从而延　长该类车辆的使用寿命，为工矿直流电机车的发　展提供了广阔的空间。　

一４一　

参考文献　【１】韩德久，武志和，金增武．全数字斩波调速系统在矿　用电机车的应用Ⅱ１．现代矿业，２０１０，（４）：１２０－１２１．　［２】刘柏．ＩＧＢＴ直流斩波器在工矿电机车的应用ＩＪ］．电　器工业，２００９，（４）：６１—６４．　【３】钱明华．我国工矿电机车发展简况田．电器工业，　２００９，（１２）：２２—２６．　【４】刘柏，林镇鉴．１５０ｔ工矿电机车ＩＧＢＴ直流斩波电气　传动系统分析Ⅱ】．矿业快报，２００６，（３）：５５—５８．　（２０１２－１２－１８收稿）