关于工矿电力机车全数字化斩波调速系统的研究与应用

1、    关于工矿电力机车全数字化斩波调速系统的研究与应用    张春雷摘 要：随着现代电力电子器件、智能功率集成模块问世，控制理论及微电子技术的发展，使直流电动机的斩波调速得以顺利实现，同时随着大功率自关断器件的日趋完善和以微处理器件为核心的数字控制技术的发展，更促进了斩波调速技术在工矿电力机车上的应用。关键词：斩波 节能 调速1概述斩波调速是通过现代控制技术调整交流电的物理量，从而调整电机上的电压达到改变电机转速。现代电力电子器件、控制理论及微电子技术的发展，促进了斩波调速技术在工矿电力机车上的应用。1.1 节电构建节约型社会是当今社会一项重要任务，也

2、是我国可持续发展战略的重要组成部分。因此大力推广和应用节能产品势在必行。现有电力机车是靠增减与电动机串联的起动、制动电阻来调速的，大量的电能消耗在电阻上，造成电能的浪费。改用斩波调速后，取消了电阻器，靠改变加于电机上的脉冲宽度调整电压从而调整速度，节约电能在25%以上。1.2 技术先进电力机车斩波调速技术即无级调速，是利用单片计算机控制电力电子器件达到调压目的。该系统采用单片计算机进行全数字化控制，控制精度高，操作容易，抗干扰能力强，智能化程度高。1.3 提高单机效率，节约维护检修费用斩波调速设备为半导体无触点设备，运行效率极高，无故障时间长，无须经常性维修和更换备件，因而大大提高单机作业效率

3、，节约大量维修费用。2工矿电力机车斩波调速系统组成及特点2.1 系统组成直流斩波调速电气传动系统主要由igbt功率组件、微机控制单元、plc控制装置及开关组件构成。igbt功率组件采用igbt模块作为主功率元件，主元件散热器采用新型风冷热管散热器，一个igbt功率组件单独控制一台牵引电机。igbt驱动采用光纤传输，在高电压装置中光纤信号传输几乎没有干扰，具有抗干扰能力强的特点。微机控制单元是装置的核心，采用集成psd的 st系列单片机构成三片机系统。控制方式为电流、电压双闭环调节，可实现牵引、制动工况下的电流力矩调节和电气制动控制。整个起动加速过程电流变化平稳，无加速度冲击感，电机车牵引起动运

4、行稳定。制动工况为电阻能耗-交叉制动。在调节过程中可实现过流、短路、过压、欠压、防空转、温度等保护功能。控制单元采用omron系列plc，plc控制主要取代控制继电器及辅助触点，以实现无触点的软件控制模式。以往的电气控制采用有觸点继电器控制，由于继电器为机械接触，故障率高，维修不便。改进后提高了系统的可靠性，减少了设备维修工作量，同时可实现显示屏在线显示电机车运行状态及故障自诊断。2.2 主要技术特点2.2.1结构模块化。采用的模块为自关断全控型电力电子器件，仅一个功率模块加上驱动模块及风冷热管散热器就构成斩波器功率单元，无需吸收缓冲电路或其它任何辅助器件，并且驱动电路简单，简化了装置的结构，

5、缩小了体积，可靠性提高，用户维护方便。2.2.2抗干扰能力强。采用最新微电子数字控制技术和电气隔离技术，输入和输出信号隔离，驱动信号及过流保护采用专用光纤接头，可实现远距离信号传输，提高了系统的抗干扰能力，简化了现场维护要求。2.2.3无级调速。系统实现了电机车无级连续调节速度，平滑性好，使牵引起动平稳，提高电机车牵引力。3 电力机车斩波调速系统技术改造方案3.1 主电路结构简单，牵引、制动转换容易，牵引为两相不重合电路，电制动为交叉励磁电路。3.1.1取消高压室电阻切换及电机串并联电空接触器等电气元件。3.1.2取消原驾驶台方向盘式司机控制器，由新型司机控制器取代。新型司机控制器优势在于体积

6、小，重量轻，操作灵活，且操控噪音小。3.1.3正司机控制操作台经重新布局，增加彩色液晶显示器及控制开关、指示灯、按钮等元件。3.1.4增加斩波调速系统控制柜、斩波器装置、增加气流循环系统3.1.5增加其它部件，滤波电抗器、平波电抗器、充电电阻、滤波电容器、电流、电压传感器3.2 斩波调速系统控制柜（dsz-1500-150）3.2.1构成斩波调速系统控制柜是由主控板、plc、控制电源、风机控制、固态继电器、电源开关、电机选择开关、速度信号检测、电压检测等环节组成。其中主控板、plc控制器及固态继电器为整个核心部分，一套plc控制器用于对主传动电气系统三套斩波器进行统一控制及通讯。在出现故障时可

7、以单转向架切除，仅损失三分之一的动力。3.2.2采用omron可编程控制器cpm2a系列plc（1）可靠性高，抗干扰能力强，减少了设备维修工作量。（2）配套齐全，功能完善，适用性强。（3）系统的设计、建造工作量小，维护方便，容易改造。（4）体积小，重量轻，能耗低3.3增加气流循环系统考虑到设备运行地区的气候条件，夏季高压室内环境温度较高，机车原有结构不能满足所需散热条件，因此，在不影响机车运行的前提下，分别在高压室的侧面加装百叶窗、顶棚加装通风孔、端部加装通风罩。3.4 其它设备（1）安装滤波电感，减少起动电流对电网的冲击，改善电力机车起动特性，提高了牵引力。（2）安装平波电感，为防止谐波的干扰，改善电网质量。（3）安装电压传感器和电流传感器，用于测量电压、电流。4结束语工矿电力机车进行了斩波调速改造之后，从理论电量的消耗情况来看，节能达到35%以上；从备件消耗情况来看，因数字化斩波调速系统属于新兴技术，市场竞争力较弱，备件费用相对偏高，相比电阻调速机车而言综合高于5%左右，但随着市场的不断壮大，此项费用后期会逐渐减少，现平均节约水平保守在25%左右；当前面临最大的问题是，因斩波技术在直流工矿电力机车的应用还未全面普及，检修人员的技术水平未能及时跟进，因此斩波技术的推广还需各方加大人力投入。参考文献1 杨正华.工业电力机车牵引电器及控