IGBT直流斬波調速在礦山架線式電機車中的應用

郭 振

(西山煤電 西曲礦，山西 古交 030200)

0 引言

在煤礦、金屬及非金屬等礦山企業，架線式電機車是平巷運輸原料或設備的關鍵機械。美國等西方采煤大國已經研制出了無人駕駛電機車和雙駕駛室正向駕駛電機車。我國雖然也已經研制出了大噸位、免維護、節能型架線式電機車，但是在實際應用中，各種型號或技術方案的電機車性能參差不齊，而在一些小型礦產企業，仍使用電阻調速或可控硅調速的電機車，因此，分析傳統調速方案的原理與特點，并在此基礎上對原有技術方案進行升級改造，對提高礦產企業的經濟效益、提高相關工作人員作業環境的安全性具有十分重要的意義。

1 架線電機車傳統調速方案

1.1 凸輪控制器電阻調速

直流電動機調速有3種方法：①降低電樞電壓調速，采用這種調速方法的前提是電樞回路具備可調直流電源，且電樞回路和勵磁回路的電阻不能太大；②弱磁調速，屬于恒功率調速，為避免直流電機磁路過飽和，都采用弱磁升速，轉速升高后應當降低轉矩，否則電機的轉子繞組將在離心力的作用下產生損傷；③電樞電路串電阻調速，電機的機械特性較軟，在電機低速運行時，電阻上消耗的電能多，導致效率變低，調速范圍與負載大小正相關，即重載時調速范圍廣，輕載時調速范圍窄。

在20世紀80年代之前，架線式電機車的牽引直流電機普遍采用直流串勵機。受當時技術手段的限制，電樞回路串電阻調速得到了廣泛應用。圖1為某公司生產的KT14型凸輪控制器接線圖。通過凸輪控制器控制接入電樞電阻的大小來改變電機的轉速，進而控制架線式電機車的運動。

圖1 KT14型凸輪控制器接線圖

凸輪控制器電阻調速存在以下缺點：①電機啟動時，由于電樞回路中電阻較大，因此起動電阻損耗較大；②電機啟動力矩小，保護功能不夠完善，司控器內容易產生火花而引發事故；③電樞回路中串接電阻會造成電能損耗，不能滿足企業節能減排、綠色發展的要求?；谝陨显?，國務院、工業和信息化部、國家安全監管總局、國家煤礦安監局先后發布了相關公告與規定，淘汰采用電阻調速方案的架線式電機車，采用改進技術方案的直流斬波調速機車或使用變頻調速的交流電機車。

1.2 可控硅調頻脈沖調速

20世紀80年代以后，隨著可控硅器件技術的逐步成熟，我國高校和企業通過研發生產合作，研制出了數款可控硅脈沖調速裝置。調頻脈沖調速的原理是：通過可控硅的開通和關斷，將電機的端電壓進行“斬波”，得到方波脈沖電壓，方波脈沖電壓的平均值大小與可控硅的工作頻率有關，因此通過控制可控硅的工作頻率，就可以在電機的兩端得到大小不同的平均電壓，進而控制電機的轉速。圖2為可控硅調頻脈沖調速主電路圖。圖2中，L0為濾波限流電感，防止電源對儲能電容C0的充電電流過大；D1為隔離二極管，防止電源因某種原因低電壓時使得充電電容C0放電；L1和C1組成振蕩電路，當換流電容C1因振蕩過充時，可控硅SCR反偏關斷，然后C1向電機放電；D2為續流二極管，其作用是保證電流連續。

圖2 可控硅調頻脈沖調速主電路圖

可控硅調頻脈沖調速不但在調速性能上優于凸輪控制器的電阻調速，更能改善直流電機的能耗，企業生產數據顯示，可控硅調頻脈沖調速比電阻式調速節約電費約四分之一。盡管如此，由于井下環境惡劣，導致可控硅調頻脈沖調速整機可靠性不高，煤礦企業并沒有長期使用。

2 IGBT直流斬波調速方案

20世紀90年代初，煤礦企業開始使用IGBT直流斬波調速技術對架線式電機車進行改造，經過十幾年的發展，很多企業已經推廣使用了這種調速技術。

以某煤礦為例，技術改造決定采用IGBT直流斬波調速方案拖動型號為TCKY-250的架線式電機車，替代原有電阻調速方案，其原理圖如圖3所示。

圖3 IGBT直流斬波調速方案原理示意圖

除被牽引電機以外，該調速系統分為直流濾波電路、IGBT主控斬波電路、保護電路、PWM脈寬調制電路和手動控制電路5個部分。改造工作分為裝置安裝、接線、調試、試運行4個步驟。IGBT直流斬波調速系統各主要部件安裝位置如圖4所示，改造時，用IGBT主控斬波器主機箱和制動電阻箱替代原控制室內的凸輪控制器電阻箱，直流濾波器和司控器安裝于駕駛室內。安裝完畢后，按照改造電路接線圖進行接線，接線時應特別注意直流正負極是否正確，接地線是否可靠牢固。待以上工作完成后進入整機調試，調試前應注意將車輪處于懸空位置，以免前后車輪轉向不同而損壞設備。調試時通過調整給定器的輸出電壓，進而控制IGBT的導通角和機車的速度。懸空調試完畢后，可逐步進行落地空載調試、帶載調試和雙機位調試。

圖4 IGBT直流斬波調速系統各主要部件安裝位置圖

IGBT具有能夠承受高電壓、開通關斷速度快、損耗低的特點。集成的IGBT模塊具備強大的保護功能，一般包括柵極驅動、過流過壓保護、短路保護和溫度保護等，當負載電機出現故障，器件的外部電路能夠檢測出異常電信號(例如短路信號)，在緊急情況下，保護電路能夠在很短時間內使觸發信號閉鎖，使得IGBT處于關閉狀態，同時發出警告，因此IGBT的可靠性較可控硅高很多。

IGBT斬波調速裝置具有以下特點：①對電源的要求較低，調速設備允許機車的直流輸入電壓有±25%左右的波動；②具有電制動功能，當指控手輪在“制動位”時，牽引電機轉換為發電機運行，原有儲存在電機轉子的動能轉化為電能后經制動電阻消耗，電制動設計能夠有效地減少工作人員的手動制動操作，減少閘瓦片的磨損與維修；③操作簡單，相比于電阻調速司機需要不停地調節檔位控制車速，IGBT斬波調速裝置能夠實現無級調速；④電機能夠大力矩平穩啟動；⑤各項保護功能完善。

3 IGBT直流斬波調速改造經濟與社會效益分析

將原有凸輪控制器電阻調速方案改造為IGBT直流斬波調速方案后，煤礦的經濟效益得到了很大的提高：一方面節省了原調速電阻的備件消耗，每臺架線式電機車每年的備件消耗約為數千元，全煤礦所有電機車的備件消耗為數十萬元；另一方面節省了架線式電機車的電能消耗，根據實際生產數據，IGBT直流斬波調速方案的電費約為原凸輪控制器電阻調速方案的72%。

4 結論與展望

與凸輪控制器電阻調速和可控硅脈沖調速相比，IGBT直流斬波調速具有較高的經濟效益與社會效益。經過技術改造，降低了企業電費成本，提高了架線式電機車司控人員作業環境的安全性。

近十幾年來，隨著電力電子技術的發展，變頻調速(尤其是直接轉矩控制)已經在礦山領域迅速推廣，未來礦山架線式電機車將使用交流電機進行拖動，變頻調速技術將是未來發展的主流方向。