DTC變頻技術(shù)在煤礦電機車上的應(yīng)用

楊運海

摘 要：簡述了變頻技術(shù)的控制方式，分析了DTC變頻技術(shù)特點與應(yīng)用，探討了DTC變頻技術(shù)在煤礦電機車上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：DTC 變頻技術(shù) 電機車 應(yīng)用

一、變頻技術(shù)的控制方式

隨著信息技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機驅(qū)動技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻技術(shù)日臻完善，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。從變頻設(shè)備控制方式基本可以分為V/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制和矢量控制。

1、V/F控制

對于異步電動機，只要改變電源頻率，就可改變電動機轉(zhuǎn)速，達到調(diào)速目的。但是，當(dāng)電機電源頻率改變時，電機內(nèi)部阻抗也將隨之改變，從而引起勵磁電流的變化，使電機出現(xiàn)勵磁不足或勵磁過強，造成電機轉(zhuǎn)矩不足或出現(xiàn)磁飽和，造成電機功率因數(shù)和效率下降。因此，為得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，必須保持電動機磁通不變，需要控制電壓和頻率，使V/F等于常量，即所謂V/F控制。

2、轉(zhuǎn)差頻率控制

V/F控制雖然結(jié)構(gòu)簡單，但由于是開環(huán)控制方式，其精度和動態(tài)特性都不理想。尤其是低速區(qū)電壓調(diào)整比較困難，難以得到較大調(diào)速范圍。若在對異步電機進行控制中，能夠像控制直流電機那樣，用直接控制電樞電流的方法控制轉(zhuǎn)矩，就能得到與直流電動機同樣的靜、動態(tài)特性。而轉(zhuǎn)差頻率控制就是這樣一種直接控制轉(zhuǎn)矩的方法。

3、矢量控制

矢量控制是將異步電動機的定子電流分為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）與其相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）并分別加以控制。由于這種控制方式必須同時控制異步電動機定子電流的幅度和相位，即控制電流矢量，這種控制方式稱為矢量控制。矢量控制變頻技術(shù)實現(xiàn)了對異步電動機的高性能控制，不僅在調(diào)速范圍上與直流調(diào)速相匹敵，而且可以直接控制電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。所以在工控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

二、DTC變頻技術(shù)特點與應(yīng)用

變頻技術(shù)經(jīng)過30多年的開發(fā)與應(yīng)用，使日趨完善的矢量控制技術(shù)在交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，也使交流電機調(diào)速達到并超過傳統(tǒng)的直流電機調(diào)速性能。

八十年代中期，德國魯爾大學(xué)M.Depenbrock教授提出了不同于矢量控制的另外一種交流電機調(diào)速控制原理—直接轉(zhuǎn)矩控制（簡稱DTC），與矢量控制相比，具有以下不同特點：

不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，有靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈；

采用砰-砰控制；

DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用 。

轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快 。

DTC的出現(xiàn)引起國內(nèi)不少高校對交流電機控制理論的研究，對DTC理論與實踐作出了貢獻。DTC在中國應(yīng)用初期，人們的視角多集中在DTC的不用旋轉(zhuǎn)變換和砰-砰控制上。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，矢量控制的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換技術(shù)實現(xiàn)已不成為問題，而由于DTC技術(shù)應(yīng)用實例僅局限于GTO電壓型變頻器的機車牽引傳動，使得國內(nèi)學(xué)術(shù)界和變頻器制造商沒有條件對實用的DTC技術(shù)以及DTC變頻器的靜態(tài)和動態(tài)特性進行深入研究。

DTC變頻技術(shù)采用砰-砰控制帶來較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，適用于交流伺服傳動、機車牽引等控制系統(tǒng)。

三、DTC變頻技術(shù)在煤礦電機車上的應(yīng)用

電機車是煤礦生產(chǎn)運輸系統(tǒng)主要設(shè)備，普通礦用架線式電機車采用直流電機驅(qū)動，存在直流電機損壞率高、觸頭式司控器維修量大、降壓電阻耗能高等問題，而DTC變頻技術(shù)在牽引機車所表現(xiàn)的優(yōu)越性能，非常適于礦用架線式電機車的改造。

礦用架線電機車改造，是在主體機械結(jié)構(gòu)保持不變的基礎(chǔ)上，將原機車上的直流電機更換為三相異步電動機。電機車主傳動系統(tǒng)采用交流傳動技術(shù)，司控器改為相應(yīng)的變頻司控器。變頻器采用隔爆兼本安型變頻調(diào)速裝置，它是一種集變頻調(diào)速技術(shù)和電氣防爆技術(shù)于一體，用于有爆炸危險場所電機調(diào)速的產(chǎn)品。具有多種控制和保護功能，以全新的設(shè)計線路，將變頻技術(shù)、中壓三電平技術(shù)、隔爆及本質(zhì)安全技術(shù)相結(jié)合，采用國際最先進的DTC低速高轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速技術(shù)，將電網(wǎng)直流電通過大功率IGBT元件逆變?yōu)轭l率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動三相異步電動機。由于采用DTC控制技術(shù)，使三相異步電動機大大超過直流電機的起動轉(zhuǎn)矩和牽引特性，使機車帶重載起動強勁有力。

四、改造前后效果比較

（一）礦用架線式電機車在改造前存在主要問題

1、直流牽引電動機轉(zhuǎn)子線圈易因絕緣下降、過流，轉(zhuǎn)子換向銅頭磨損，碳刷磨耗，碳粉清理不及時等原因燒損，故障率高、易損件經(jīng)常更換，維修費用大。

2、控制器的接觸組觸頭、截片易在通、斷操作過程中拉弧燒損，要經(jīng)常打磨甚至更換，維修量很大。

3、直流牽引電阻調(diào)速機車或斬波調(diào)速機車，沒有在下坡道運行對牽引電網(wǎng)發(fā)電反饋功能，所以直流牽引架線式電阻調(diào)速機車，在啟動和減速制動過程中的電力白白消耗在電阻上而造成浪費。

4、直流電阻調(diào)速機車有級調(diào)速對機械傳動系統(tǒng)有沖擊力，極易造成齒輪的損壞。手制動使用頻繁，閘瓦磨損快，經(jīng)常需要更換。牽引電機及配件、啟動電阻故障率高，維修量大。

（二）采用DTC變頻技術(shù)對礦用電機車進行改造后，整體性能明顯提高

1.增強牽引電機可靠性

三相異步變頻調(diào)速電機，可靠性高，鼠籠式轉(zhuǎn)子沒有換向銅頭和線圈，密閉性好，不易因潮濕等原因降低絕緣而損壞，沒有碳刷的消耗，維修量小，故障率低，運行費用少。

2.減少控制器維修量

變頻調(diào)速控制器的換向、調(diào)速是由無觸點開關(guān)和長壽命電位器等組成，維修量小。

3.增大牽引力及爬坡能力

直流牽引電機轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化而變化，過載能力小，相同粘著條件牽引力小。只適用于11‰以下坡度線路上運行，沒有零速制動功能，在大坡度軌道上停車，手動制動時間來不及，可能造成向下滑行。交流牽引電動機采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制，使機車在相同的粘著條件下具有較大的牽引力，可以牽引車輛在60‰的坡道上運行，自由制動停車和再啟動上行。

4.機車傳動系統(tǒng)維修量小

交流牽引變頻調(diào)速電機車，頻率和速度變化，約在5秒內(nèi)緩慢上升，對傳動系統(tǒng)的沖擊小。在正常運行、減速停車過程中，手制動基本不用，閘瓦近乎無磨損。交流異步電機故障率低，維修量小，且免去啟動電阻。與傳統(tǒng)直流牽引電機車比較，維修量大大減少。

5.經(jīng)濟效益

應(yīng)用DTC變頻技術(shù)對礦用電機車進行改造后，與傳統(tǒng)直流電阻調(diào)速機車相比，耗電量明顯降低，節(jié)電率可達35%以上，并且減少了機車維修量和運行成本。以7噸架線電機車為例，驅(qū)動電機功率2×22kw，每天運行18小時，年節(jié)電11.3萬kwh。公司已完成改造17臺電機車，每年可節(jié)電192萬kwh，減少機車驅(qū)動電機、電機調(diào)速器及閘瓦的維修材料費及工時費25.5萬元。