關于工礦電力機車全數(shù)字化斬波調(diào)速系統(tǒng)的研究與應用

張春雷

摘 要：隨著現(xiàn)代電力電子器件、智能功率集成模塊問世，控制理論及微電子技術的發(fā)展，使直流電動機的斬波調(diào)速得以順利實現(xiàn)，同時隨著大功率自關斷器件的日趨完善和以微處理器件為核心的數(shù)字控制技術的發(fā)展，更促進了斬波調(diào)速技術在工礦電力機車上的應用。

關鍵詞：斬波 節(jié)能 調(diào)速

1概述

斬波調(diào)速是通過現(xiàn)代控制技術調(diào)整交流電的物理量，從而調(diào)整電機上的電壓達到改變電機轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代電力電子器件、控制理論及微電子技術的發(fā)展，促進了斬波調(diào)速技術在工礦電力機車上的應用。

1.1 節(jié)電

構(gòu)建節(jié)約型社會是當今社會一項重要任務，也是我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。因此大力推廣和應用節(jié)能產(chǎn)品勢在必行?，F(xiàn)有電力機車是靠增減與電動機串聯(lián)的起動、制動電阻來調(diào)速的，大量的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費。改用斬波調(diào)速后，取消了電阻器，靠改變加于電機上的脈沖寬度調(diào)整電壓從而調(diào)整速度，節(jié)約電能在25%以上。

1.2 技術先進

電力機車斬波調(diào)速技術即無級調(diào)速，是利用單片計算機控制電力電子器件達到調(diào)壓目的。該系統(tǒng)采用單片計算機進行全數(shù)字化控制，控制精度高，操作容易，抗干擾能力強，智能化程度高。

1.3 提高單機效率，節(jié)約維護檢修費用

斬波調(diào)速設備為半導體無觸點設備，運行效率極高，無故障時間長，無須經(jīng)常性維修和更換備件，因而大大提高單機作業(yè)效率，節(jié)約大量維修費用。

2工礦電力機車斬波調(diào)速系統(tǒng)組成及特點

2.1 系統(tǒng)組成

直流斬波調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)主要由IGBT功率組件、微機控制單元、PLC控制裝置及開關組件構(gòu)成。

IGBT功率組件采用IGBT模塊作為主功率元件，主元件散熱器采用新型風冷熱管散熱器，一個IGBT功率組件單獨控制一臺牽引電機。IGBT驅(qū)動采用光纖傳輸，在高電壓裝置中光纖信號傳輸幾乎沒有干擾，具有抗干擾能力強的特點。

微機控制單元是裝置的核心，采用集成PSD的 ST系列單片機構(gòu)成三片機系統(tǒng)。控制方式為電流、電壓雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)牽引、制動工況下的電流力矩調(diào)節(jié)和電氣制動控制。

整個起動加速過程電流變化平穩(wěn)，無加速度沖擊感，電機車牽引起動運行穩(wěn)定。制動工況為電阻能耗-交叉制動。在調(diào)節(jié)過程中可實現(xiàn)過流、短路、過壓、欠壓、防空轉(zhuǎn)、溫度等保護功能。

控制單元采用OMRON系列PLC，PLC控制主要取代控制繼電器及輔助觸點，以實現(xiàn)無觸點的軟件控制模式。以往的電氣控制采用有觸點繼電器控制，由于繼電器為機械接觸，故障率高，維修不便。改進后提高了系統(tǒng)的可靠性，減少了設備維修工作量，同時可實現(xiàn)顯示屏在線顯示電機車運行狀態(tài)及故障自診斷。

2.2 主要技術特點

2.2.1結(jié)構(gòu)模塊化。采用的模塊為自關斷全控型電力電子器件，僅一個功率模塊加上驅(qū)動模塊及風冷熱管散熱器就構(gòu)成斬波器功率單元，無需吸收緩沖電路或其它任何輔助器件，并且驅(qū)動電路簡單，簡化了裝置的結(jié)構(gòu)，縮小了體積，可靠性提高，用戶維護方便。

2.2.2抗干擾能力強。采用最新微電子數(shù)字控制技術和電氣隔離技術，輸入和輸出信號隔離，驅(qū)動信號及過流保護采用專用光纖接頭，可實現(xiàn)遠距離信號傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，簡化了現(xiàn)場維護要求。

2.2.3無級調(diào)速。系統(tǒng)實現(xiàn)了電機車無級連續(xù)調(diào)節(jié)速度，平滑性好，使牽引起動平穩(wěn)，提高電機車牽引力。

3 電力機車斬波調(diào)速系統(tǒng)技術改造方案

3.1 主電路結(jié)構(gòu)簡單，牽引、制動轉(zhuǎn)換容易，牽引為兩相不重合電路，電制動為交叉勵磁電路。

3.1.1取消高壓室電阻切換及電機串并聯(lián)電空接觸器等電氣元件。

3.1.2取消原駕駛臺方向盤式司機控制器，由新型司機控制器取代。新型司機控制器優(yōu)勢在于體積小，重量輕，操作靈活，且操控噪音小。

3.1.3正司機控制操作臺經(jīng)重新布局，增加彩色液晶顯示器及控制開關、指示燈、按鈕等元件。

3.1.4增加斬波調(diào)速系統(tǒng)控制柜、斬波器裝置、增加氣流循環(huán)系統(tǒng)

3.1.5增加其它部件，濾波電抗器、平波電抗器、充電電阻、濾波電容器、電流、電壓傳感器

3.2 斬波調(diào)速系統(tǒng)控制柜（DSZ-1500-150）

3.2.1構(gòu)成

斬波調(diào)速系統(tǒng)控制柜是由主控板、PLC、控制電源、風機控制、固態(tài)繼電器、電源開關、電機選擇開關、速度信號檢測、電壓檢測等環(huán)節(jié)組成。

其中主控板、PLC控制器及固態(tài)繼電器為整個核心部分，一套PLC控制器用于對主傳動電氣系統(tǒng)三套斬波器進行統(tǒng)一控制及通訊。在出現(xiàn)故障時可以單轉(zhuǎn)向架切除，僅損失三分之一的動力。

3.2.2采用OMRON可編程控制器CPM2A系列PLC

（1）可靠性高，抗干擾能力強，減少了設備維修工作量。

（2）配套齊全，功能完善，適用性強。

（3）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造。

（4）體積小，重量輕，能耗低

3.3增加氣流循環(huán)系統(tǒng)

考慮到設備運行地區(qū)的氣候條件，夏季高壓室內(nèi)環(huán)境溫度較高，機車原有結(jié)構(gòu)不能滿足所需散熱條件，因此，在不影響機車運行的前提下，分別在高壓室的側(cè)面加裝百葉窗、頂棚加裝通風孔、端部加裝通風罩。

3.4 其它設備

（1）安裝濾波電感，減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，改善電力機車起動特性，提高了牽引力。

（2）安裝平波電感，為防止諧波的干擾，改善電網(wǎng)質(zhì)量。

（3）安裝電壓傳感器和電流傳感器，用于測量電壓、電流。

4結(jié)束語

工礦電力機車進行了斬波調(diào)速改造之后，從理論電量的消耗情況來看，節(jié)能達到35%以上；從備件消耗情況來看，因數(shù)字化斬波調(diào)速系統(tǒng)屬于新興技術，市場競爭力較弱，備件費用相對偏高，相比電阻調(diào)速機車而言綜合高于5%左右，但隨著市場的不斷壯大，此項費用后期會逐漸減少，現(xiàn)平均節(jié)約水平保守在25%左右；當前面臨最大的問題是，因斬波技術在直流工礦電力機車的應用還未全面普及，檢修人員的技術水平未能及時跟進，因此斬波技術的推廣還需各方加大人力投入。

參考文獻

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[3] 王兆安.劉進軍《電力電子技術》，機械工業(yè)出版社，1994；

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