礦用電機(jī)車變頻調(diào)速的研究馬素平、沈旭明2（1.太原理工大學(xué)，山西太原030024；2.西山煤電集團(tuán)公司，山西太原030024）礦用電機(jī)車所采用的牽引電動(dòng)機(jī)大多是直流串激電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷鞔る妱?dòng)機(jī)具有良好的牽引特性，其轉(zhuǎn)速隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的加相應(yīng)降低，幾乎是在恒功率下運(yùn)行。但是直流電機(jī)車的起動(dòng)和變速運(yùn)行都需要在回路中串接電阻，制動(dòng)減速工況也一樣，這樣有許多電能經(jīng)過(guò)電阻發(fā)熱都浪費(fèi)掉了，另外直流電動(dòng)機(jī)的電刷和滑環(huán)是容易出故障的部位，而且直流電動(dòng)機(jī)的造價(jià)遠(yuǎn)高于同容量的交流電動(dòng)機(jī)。過(guò)去有人曾研究采用脈沖調(diào)速的方法來(lái)解決直流電機(jī)車調(diào)速問(wèn)題，但由于當(dāng)時(shí)關(guān)鍵元件晶閘管技術(shù)性能差，導(dǎo)通容易、不能自行關(guān)斷，因而產(chǎn)生失控現(xiàn)象，使得這項(xiàng)技術(shù)在電機(jī)車上沒(méi)能推廣應(yīng)用。

　　近幾年由于新型逆變器件如門極關(guān)斷晶閘管（GTO）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）的出現(xiàn)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷提高使得變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，本文論述變頻調(diào)速技術(shù)用來(lái)解決電機(jī)車的調(diào)速問(wèn)題。

　　1變頻調(diào)速方案變頻調(diào)速一般都是針對(duì)交流供電系統(tǒng)和交流用電設(shè)備來(lái)說(shuō)的，通過(guò)改變交流電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到調(diào)速目的。交流電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電源頻率，其機(jī)械特性如所示，不同頻率對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速。

　　變頻調(diào)速方法有兩種，一是交一交直接變頻，二是交一直一交變頻。交一交變頻因變頻范圍窄，僅是工頻的40%?般用在大功率低速設(shè)備中；交一直一父變頻原理示意圖如所示，它是先將父流整流成直流，然后再將直流逆變成交流，在逆變過(guò)程中控制逆變器件的導(dǎo)通頻率可得到不同頻率的交流電，其變頻范圍原理上沒(méi)有限制，可以達(dá)到工頻的200%電機(jī)車宜采用交一直一交變頻方法，主要原因是現(xiàn)有的供電系統(tǒng)己有交一直整流部分，而且架空供電系統(tǒng)采用單項(xiàng)直流電比三相交流電要方便容易。在每臺(tái)電機(jī)車上設(shè)置一套逆變裝置，將從架空電網(wǎng)上獲取的直流電逆變成頻率可調(diào)的三相交流電，從而能采用比較簡(jiǎn)單的三相鼠籠型交流電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)。電機(jī)車要以多大的速度行駛，都可以通過(guò)改變電源頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2電機(jī)車的起動(dòng)和制動(dòng)電機(jī)車經(jīng)常需要變速行駛、起動(dòng)加速和制動(dòng)減速。起動(dòng)加速是控制逆變裝置使電源頻率由0到fe逐漸加，電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)車運(yùn)行速度也逐漸加。由可知，電動(dòng)機(jī)在非額定頻率下工作時(shí)其帶負(fù)載能力有所下降，可以采用電壓補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ垢黝l率下的臨界轉(zhuǎn)矩與額定頻率下的臨界轉(zhuǎn)矩相等，以保證電機(jī)車起動(dòng)時(shí)電機(jī)的起動(dòng)力矩不會(huì)降低。

　　交一直一交變頻原理示意圖制動(dòng)減速時(shí)仍可以由變頻控制使電機(jī)產(chǎn)生制動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻涣麟姍C(jī)不僅工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)（第一象限）而且還可能工作于再生制動(dòng)狀態(tài)（第二象限）如所示。若電機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)工作在特性曲線①上，工況點(diǎn)為A，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為a，若這時(shí)需要制動(dòng)減速，通過(guò)變頻（降低頻率）特性曲線變?yōu)榍€②，由于列車的慣性，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不可能突變，因而工況點(diǎn)將從曲線①上的A點(diǎn)按轉(zhuǎn)速未變的原則“跳轉(zhuǎn)”到曲線②上的B點(diǎn)，該點(diǎn)位于第二象限，于是得到反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm，在Tm作用下列車減速運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將沿曲線②下降，將到時(shí)再降低頻率，特性曲線變?yōu)棰郏瑢?duì)應(yīng)的制動(dòng)工況點(diǎn)為C，繼續(xù)操作下去，電動(dòng)機(jī)就能產(chǎn)生一個(gè)脈幅不大的制動(dòng)力矩使列車減速停車，比較后仍用機(jī)械閘將機(jī)車閘住。

　　3變頻控制三相逆變橋工作原理如所示，由6只逆變管組成三相逆變橋，電路結(jié)構(gòu)如a所示，各管的通斷安排如b所示。基極控制信號(hào)為高電平時(shí)逆變管導(dǎo)通，若為低電平時(shí)逆變管就自行關(guān)斷。

　　的逆變管信號(hào)為高電平時(shí)才有輸出，如在和t2時(shí)間段，逆變管Vi和V4同時(shí)導(dǎo)通，u和v兩線間就有輸出電壓，其值為正，幅值等于直流電壓Ud.其它各時(shí)間段的Uuv、Uvw、Uwu的波形如所示，由圖中看到，三個(gè)輸出線電壓之間的相位互為2x/3，它們的振幅都與直流電壓Ud相等。因而，只要按照一定的規(guī)律控制6只逆變管的導(dǎo)通與截止，就可以把直流電逆變成三相交流電，逆變后的電流頻率按照上述規(guī)律改變控制信號(hào)的變化周期來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　三相逆變橋的輸出電壓由于架空電網(wǎng)的供電電壓基本上是恒定不變的，變頻后的電壓幅值也是不變的，當(dāng)加在交流電機(jī)上電流頻率減少時(shí)，電機(jī)定子電流會(huì)大，若轉(zhuǎn)子側(cè)負(fù)載并未加時(shí)，電機(jī)的勵(lì)磁電流也會(huì)相應(yīng)大，因而使得磁通Y加導(dǎo)致鐵心飽和，進(jìn)而引起勵(lì)磁電流波形的畸變，這是不希望出現(xiàn)的。

　　由式可知，在變頻過(guò)程中同時(shí)也變壓，使U/fi =const，能保持磁通Y基本不變。因此在調(diào)頻的同時(shí)必須也調(diào)壓。由于架空電網(wǎng)的直流電壓不能改變，只能對(duì)逆變后的輸出電壓進(jìn)行調(diào)制，采用的方法為脈寬調(diào)制（PWM），它是將每半個(gè)周期內(nèi)輸出的電壓波形分割成若干個(gè)脈沖波，每個(gè)脈沖的寬度為ti，每?jī)蓚€(gè)脈沖的間隔寬度為脈沖的占空+t2），電壓的平均值和占空比成正比，因而，可以調(diào)節(jié)輸出電壓如所示。雖然電壓可以調(diào)節(jié)了，但是輸出的電壓和電流波形都是非正弦波，具有許多高次諧波成分，故在脈寬調(diào)制時(shí)讓脈沖系列的占空比按正弦規(guī)律來(lái)安排，如所示。將脈沖的寬度對(duì)應(yīng)正弦值的變化，這樣可得到近似正弦波形的輸出電壓和電流。借助計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)這些控制是可以的。

　　表1二半式封油環(huán)實(shí)驗(yàn)記錄試驗(yàn)次數(shù)試件運(yùn)行系統(tǒng)泄漏量（mL/min）編號(hào)時(shí)間壓力左泄右泄備注編號(hào)油口油口環(huán)封而=1UP油第一次實(shí)驗(yàn)環(huán)封而封油環(huán)平均開有六個(gè)Ymm的軸向通孔。運(yùn)轉(zhuǎn)40min密封效果很好。實(shí)驗(yàn)前后環(huán)的軸向厚度：T前左=4. T后左=4 T后右=3.環(huán)封而油第二次實(shí)驗(yàn)環(huán)封而1270封油環(huán)有六個(gè)Ylmm的軸向通孔L.外密封帶上開有二個(gè)1X1mm的徑向通槽。連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)185min.密封效果較好，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)前后環(huán)的軸向厚說(shuō)明：在實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程中，二半式封油環(huán)密封效果很好，但未開徑向槽的封油環(huán)摩擦發(fā)熱較大。

　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，軸向有6個(gè)1mm通孔，無(wú)徑向槽的封油環(huán)，密封效果相當(dāng)好，甚至可以作到零泄漏，但由于密封端面存在摩擦，無(wú)泄漏油冷卻，必然導(dǎo)致摩擦界面溫度升高，磨損量大，因而不能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。加徑向槽后，對(duì)界面發(fā)熱進(jìn)行必要的冷卻，保證端面密封界面的液膜正常建立和存留，在保證界面比壓的條件下，又能滿足界面熱平衡條件，即有較小的泄漏量，又能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，保證了液粘離合器的工作壓力。

　　（1）二半式封油環(huán)密封機(jī)理：軸肩推壓形成軸向密封；封油環(huán)外漲買現(xiàn)徑向密封；軸向推移補(bǔ)償磨損。

　　（2）二半式封油環(huán)的尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)滿足動(dòng)力學(xué)條件式、熱平衡條件式和比壓條件式句。

　　（3）若單道封油環(huán)比壓條件不能滿足時(shí)，可通過(guò)設(shè)置多道密封，即保證滿足比壓條件，又能滿足密封要求。另外，當(dāng)封油環(huán)兩端的壓差A(yù)P很大時(shí)，為避免環(huán)的摩擦面很快磨損，可在環(huán)的兩側(cè)端面上各加工一環(huán)槽（見），低壓側(cè)的環(huán)槽寬度較小，故環(huán)槽不露出于軸與座之間的徑向間隙中；高壓側(cè)的環(huán)槽寬度較大，故露出于徑向間隙中。兩環(huán)槽之間有若干個(gè)直徑等于1mm的小孔相通，故高壓腔的油可以通過(guò)小孔而到達(dá)低壓腔的環(huán)槽內(nèi)。設(shè)油作用于低壓腔環(huán)槽的力為P.，那么，由于P.與AP方向相反，故P.即為其卸荷力。同時(shí)，由于低壓腔的環(huán)槽內(nèi)充滿油，對(duì)摩擦面的潤(rùn)滑非常有利。

　　（上接第10頁(yè)）PWM輸出電壓隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，變頻裝置中的逆變控制變得越來(lái)越容易，新型逆變器件IGBT的出現(xiàn)不僅提高了逆變裝置的可靠性、還使其容量也得到很大提高，它們的結(jié)合可組成性能優(yōu)良、可靠性高、數(shù)字化的模塊控制裝置，使架線式電機(jī)車上采用普通三相交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)成為可能。