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蓄电池电机车分析与其中交流传动系统的使用

2011-06-03 11:54:46本站

  0 引 言

  对于高瓦斯矿井, 普遍采用防爆型蓄电池电机车作为运输材料和矸石的工具。多年来, 蓄电池电机车一直采用直流电动机串电阻调速方式, 这种调速方式存在着高能耗、低效率、维修工作量大以及备品备件消耗高等问题

  。特别是由于电能消耗过快, 使蓄电池的充电间隔缩短, 蓄电池寿命减少。随着电力电子技术的飞速发展及交流调速技术日趋完善, 用交流电动机取代直流电动机进行调速势在必行。

  本文介绍了一种矿用蓄电池电机车 CDXT- 12 直流传动电机车改造为交流传动电机车的控制方案。通过交流传动改造后其主要性能和特点为:使三相异步电动机达到或超过直流电动机起动转速和牵引特性;具有软起动和无级均匀调速功能, 车速的快慢完全由调速手把控制;与传统的直流电机车比较, 有交流电机不易损坏, 司控器无触头无磨损, 不用高耗能调速电阻的特点。

  1 蓄电池电机车交流调速系统

  1 1 蓄电池主容量

  CDXT- 12 电机车的电源部分由两个蓄电池箱组成,每个蓄电池箱内装有 48 只铅酸蓄电池串联组成, 蓄电池标称电压 2V, 容量 280VA, 则两个箱体总串联电压为 192V.

  为了使逆变器输出电压能驱动 220V 电压等级的交流防爆电动机, 将蓄电池的标称电压更换为 4V 标称电压, 则电源装置总输出电压为 384V.

  1 2 交流变频调速系统

  矿用电机车在运行过程中, 必须具有速度范围宽、效率高、动态响应快的特点, 特别是在高速时具有较高的功率输出, 在低速时具有较大的输出力矩。根据电动机的不同速度范围和电机车的牵引特点, 速度工作范围可以划分为 3 个不同的区域: 低速区、高速区和弱磁区。低速区为 0% 30% 额定速度范围, 高速区为 30% 100% 额定转速范围, 基速到最大速度之间为弱磁区。从零速到基速之间是恒转矩区, 包括起动过程、低速运行过程、高速运行过程, 从基速到最大速度之间是恒功率区。根据电机车的工作特点, 交流变频调速驱动系统以高性能的电动机控制芯片 N87C196MC 为核心, 通过采集异步电动机的工作电流大小, 计算出电动机的实际磁链和电磁转矩, 采用直接转矩控制策略, 根据磁链和转矩的偏差来确定逆变器的开关状态, 从而控制逆变器的输出电压。

  由于矿用电机车工作于井下恶劣的环境中, 调速系统处于频繁的起动、制动、加减速等状态, 还要适应负载上下坡和颠簸路况等情况, 因此要求电动机起动转矩大, 过载能力强。采用直接转矩控制的交流调速系统, 可以使三相异步电动机达到和超过直流电动机的起动转矩和牵引特性( 如 1Hz 时最大转矩可达额定值的 300% , 是直流电动机的 1 66 倍), 使电机车的带载起动能力增强。在煤矿井下高粉尘、潮湿的恶劣环境下, 速度传感器的安装既破坏电动机的整体性, 又容易失效, 检测器的引线过多也降低了系统的可靠性; 另一方面, 矿用电机车主要控制的是转矩而不是速度。因此, 将无速度传感器的直接转矩控制方案应用于矿用电机车交流传动系统是合适的。

  1 3 三相逆变器的设计

  三相逆变器由主电路、控制单片机( N87C196MC) 、电流电压检测电路、起动限流、故障检测与保护电路等部分组成。

  两组蓄电池箱串联给逆变器提供直流电源, 通过大电容滤波储能等效为恒定的电压源, 逆变器将直流电变换成交流电, 向异步电动机供电。电机车的两台驱动电机由一台逆变器供电, 电动机绕组采用三角形接法。逆变器采用智能功率模块( IPM) , 其栅极的驱动信号由 N87C196MC 构成的控制电路提供。在电容与直流电源的充电回路中串入适当的电阻来限制开始时的充电电流, 当电容上的电压达到一定值时把电阻切除, 以防止工作时限流电阻上的功率损失, 同时避免长期串入限流电阻增加不必要的损耗。

  电路中 C 1为储能电容, 用来吸收逆变器的反馈能量。

  电容 C 2、二极管 VD 和电阻 R 4构成一个典型的吸收缓冲电路。主回路工作时, 因为功率器件开关频率很高, 开关动作时会在直流环节中产生电流突变, 若直流环节存在电感, 则可能在功率器件两端产生很大的尖峰电压, 吸收缓冲电路的作用就是吸收消除此尖峰电压。电容电压的检测用 R 2和 R 3分压进行, 分别控制继电器 K 和过压保护电路。电动机在发电制动时, 由电容 C 1储存电能, 并向蓄电池充电。当 C 1两端的电压过高时, 开通串联的 IGBT, 多余电能由制动电阻消耗。

  2 实验结果与分析对上述交流传动控制系统, 采用 N87C196MC 单片机为控制核心, 以及相关的外围电路组建了实验系统。通过系统实验记录了逆变器输出的电压波形、起动时的速度、电机电流波形。可以看出, 逆变器输出的相电压接近于六拍阶梯形 PWM 波, 可见电机负载起动时的电流冲击并不大, 只有稳态电流的 2 5 倍,起动时的实际速度平稳上升且无超调, 稳态时虽有波动,但波动在允许范围之内。

  f = 25Hz( 1- 电机转速; 2- 定子相电流, 30A/ div)

  将交流传动实验系统加装到 CDXT - 12 矿用电机车上,与 CDXT- 12 直流传动电机车进行了对比, 两种机车各挂接 3t 矸石车 8 辆, 测得在额定牵引速度时, 交流传动电机车的牵引力可达 17 5kN, 而直流传动电机车只有 14 8kN.

  交流传动电机车起动性能优良, 低速大转矩起动时, 起动电流只有 185A, 而直流传动电机车的起动电流接近 360A.

  为获得额定牵引力 18kN, 交流传动电机车所需电流为150A, 而直流传动电机车需要的电流接近 270A.两种电机车各牵引 5 辆 3t 矸石车, 在相同负载条件下行程 1km, 测得交流传动电机车耗电量为 32000kWh, 直流传动电机车耗电量为 49000kWh, 交流传动节约电能为 17000kWh, 可计算出节电率为 34% .

  3 结 语

  通过与直流传动的实验对比可看出, 交流传动电机车的调速性能, 节能效果都明显优于直流传动电机车, 实属高可靠、高能、高节电的产品, 在煤矿运输设备中具有广阔的应用前景。

  1. 两台电机如何公用一台变压器...
  2. 电机重绕的研究与改进

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