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变频电机车的优势与应用

2011-06-07 10:11:45本站

  0 引言

  在隧道开挖施工中, 国内目前几乎都采用有轨运渣的形式, 其动力设备绝大多数都采用矿用蓄电池电机车。即用蓄电池作为机车运行的动力来源。在这种动力结构中, 直流电机一直都是电机车的动力核心, 特别是在防爆环境中更是如此。

  直流电机的工作性能很优秀, 从矿用电机车的发展历史来看, 直流电机一直在机车动力牵引上发挥着重要作用。

  防爆型矿用电机车也是如此。在防爆型电机车中, 直流电机被做成防爆形式。然而, 由于直流电机在运行时会产生强烈的换向火花, 所以, 防爆型直流电机的外壳必须被打造得十分坚固厚实, 电机外壳密封和防水部分的加工及制造工艺也相应复杂。尽管这些都能做到, 但直流防爆型电机在各类复杂工况下使用的适应性和耐久性问题仍然没有得到很好的解决, 即还是躲避不了其故障率高、维修困难、整机使用寿命短等缺点。其中碳刷及相关部件的使用耐久性一直是问题的要点所在。

  1 直流电机车及其局限性

  矿用蓄电池直流电机车在其启动和制动方面, 始终存在着一个电流过大而又不易控制的问题, 这一点也给电机的相关电气部件的防爆结构增加了复杂性。

  在正常启动和运行情况下, 调速手柄都是先挂 1 档, 这时电机获取的电压最低且电枢电流最小, 即:I D = U dc R 1 + R D( 1)式中 I D电机电流U dc蓄电池电压R 1启动和制动电阻R D两台直流电机的电枢直流电阻之和当电机启动之后, 可将调速手柄向高位档调节, 以使电机获取较高的电压并逐步加速。在第4 档时, U dc全部被施加到电机两端, 此时电机电流最大且速度最高。

  然而在实际运渣过程中, 由于载荷、坡道、机车轮脱轨等各种因素的影响, 机车往往不能由调速器的前三个档启动, 即启动力不够。在此情况下, 机车只能采取全压启动。但是当使用第 4 档直接启动电机时, 电机电流会很大。一但上述所提到的各种因素之一使电机遇阻被卡住时, 熔断器很快被烧断。大电流导致熔断器产生高温高热而熔断, 这在施工中十分频繁。这是直流牵引方式在其防爆环境中施工的另一个不利之处。

  在实际工况中, 电机启动所引起的过电流还经常损坏电机, 蓄电池也因经常过放电使其遭受损害并缩短其使用寿命。而调速器 Ts 在实施档位切换时也会产生火花等等。这些都引起机车多处防爆结构复杂, 整体防爆负担加重。长期以来,人们都在努力改变现状。

  2 交流矿用蓄电池电机车

  由于变频技术的迅速发展及成熟, 以交流电机为动力核心的防爆型矿用蓄电池电机车开始出现。

  T 1 T 6是 6 个快速关断的功率二极管,它们由微电脑程序集中协调控制, 可将直流电逆变成三相交流电, 并且输出的电压和频率可按规定曲线或方式改变、可调, 实现对交流电机的恒扭矩和恒功率调速。T 1 T 6也被称为无触点开关。

  交流电机在启动时, 变频器所输出的电压幅值和频率可按事先所设定的变化速率, 逐步地同时由小增大。因此, 给电机所施加的电压永远都是逐渐增加的, 没有突变性。由于这样, 当电机转子转动起来时, 加在电机上逐步增高的电压也因转子引起感应电势的作用, 使电机电流不会受到一定的抑制, 电路和电器都不会因持续过大电流而产生高温及高热, 这就是交流电机的软启动。

  从交流电机的软启动及其电路的结构来看,有如下几个优点:

  ( 1) 电路中无触点式开关元件;

  ( 2) 过高启动电流被消除。

  在实际工况中, 当由于某个原因使机车电机被卡住时, 电机的转子就会转不动。这时变频器会通过传感器将这种现象判断出来, 并会将施加到电机上的电压和频率立即自动地调节下来, 以防止过电流的产生而损坏电机。由于变频器的各种保护机构的完善和稳定, 所以交流电机从不遭受过电流的损伤, 电路中的熔断器也很少被烧断,因此延长了蓄电池的使用寿命。

  过电流的抑制和无触点开关的使用都给交流电机车的防爆结构减轻了负担, 也降低了其复杂性, 增加了可靠性, 并使制造成本相对偏低。

  除了在电路上有以上优点外, 还由于变频技术在控制理论上的突破, 使交流电机的调速及工作性能几乎与直流电机相同。

  3 结束语

  从总体来看, 交流电机的结构比直流电机简单得多。特别是交流电机为感应式电机, 无碳刷结构因而也无换向火花, 有工作寿命长和易于维护的突出优点。

  另外, 交流电机的速度调节和档位切换也都实现了用电子和光控的方式进行等等。这些都为设计和易于实现交流电机的防爆结构提供了便利。综上所述, 在爆炸环境中施工, 交流防爆结构也更具有安全性。

  从以上多方面的对比来看, 在爆炸环境施工中, 矿用蓄电池变频电机车比同类型直流电机车的各主要性能都优越得多。事实上, 人们已开始着手在各施工领域里, 全面地将交流电机车加以推广应用。而直流电机车也在逐步地被取代。如城市地铁中使用的各大吨位交流蓄电池电机车、在崇山峻岭中开挖公路和铁路隧道的各类型交流矿用蓄电池电机车等等。

  因此, 在爆炸环境施工中, 交流矿用蓄电池电机车是未来的发展方向。

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