一、礦山概況 現(xiàn)有礦山都用ZK系列的架線式調(diào)阻電機(jī)車運(yùn)輸。 由于運(yùn)輸線路長、坡度大，調(diào)阻電機(jī)車在運(yùn)輸途中頻繁出故障，故障主要是：過流過壓燒損司控器的接觸器觸頭，燒損啟動電阻甚至于燒損直流電動機(jī)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。 隨著掘進(jìn)的延伸，運(yùn)輸距離越來越長，礦石的產(chǎn)量在持續(xù)增長，而窄軌鐵道線的聯(lián)接處時(shí)斷時(shí)松，導(dǎo)致回流阻值大，使調(diào)阻機(jī)車在運(yùn)行中總在調(diào)速檔內(nèi)工作。這樣既消耗了大量的電能，又使機(jī)車經(jīng)常處于斷電和電壓沖擊狀態(tài)，容易損壞機(jī)車內(nèi)的電器，同時(shí)造成機(jī)車空轉(zhuǎn)，增加機(jī)械磨損，每年維修及損耗材料費(fèi)用急劇增加。這些現(xiàn)象天天存在，還有不斷上漲的材料費(fèi)用。礦運(yùn)輸區(qū)十分重視，千方百計(jì)地想辦法解決這一難題。 二、有關(guān)技術(shù)參數(shù) 湖南省湘潭市雙馬世紀(jì)科技有限公司本著“一切為了礦山”的服務(wù)宗旨，為該鎢礦運(yùn)輸區(qū)提供了一套窄軌電機(jī)車專用交流變頻變壓調(diào)速裝置，本裝置主要技術(shù)參數(shù)見表。 變頻器主要參數(shù)表 三相異步交流變頻牽引電機(jī)基本參數(shù)表 三、技術(shù)改造方案 1、概述 本改造方案是我公司為礦山ZK20-6.7.9/550的直流調(diào)速機(jī)車上改裝交流變頻變壓（VVVF）調(diào)速裝置的實(shí)際情況而制定，具有以下特點(diǎn)： 1.1 電機(jī)車的機(jī)械部件與原電機(jī)車通用，但電氣部分有較大的變化。交流變頻變壓（VVVF）調(diào)速裝置是一套獨(dú)立的電氣控制系統(tǒng)，其工作原理如下： 本變頻器采用美國TI公司的準(zhǔn)32位電機(jī)專用數(shù)字信號處理器作為主控制器（TMS320LF2407A），在軟件控制下，接受司控的指令后，通過采取電流傳感器的三相電流數(shù)據(jù)，將三相電流clark變換，得到坐標(biāo)系的分量，并且根據(jù)當(dāng)前電壓空間矢量位置進(jìn)行Park變換，再用我們自已研制的反電勢定向數(shù)學(xué)模型計(jì)算出反電勢位置，以反電勢方向?yàn)闄M軸，建立反電勢坐標(biāo)系，對α、β坐標(biāo)的電流iα、iβ在反電勢坐標(biāo)系上進(jìn)行Park變換，計(jì)算出力矩電流和磁場電流iα、iβ，再由力矩電流參考值 Itref 進(jìn)行力矩電流調(diào)節(jié)。通過對im調(diào)節(jié)，間接對磁場進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。由力矩電流調(diào)節(jié)和動態(tài)磁通補(bǔ)償輸出，控制電壓矢量PWM發(fā)生器的相角和調(diào)制系數(shù)來產(chǎn)生三相電壓，進(jìn)而控制交流電機(jī)的工作。 系統(tǒng)框圖： 交流變頻變壓電機(jī)車控制框圖： 1.2 司機(jī)控制全過程為無觸點(diǎn)控制，零電流吸合、斷開，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)車從零到最高速度范圍的無級調(diào)速。 1.3 直變器，改裝一套+24V輔助電源裝置為機(jī)車提供更多的安全電源接線端子。 1.4 設(shè)置了能量反饋裝置，使機(jī)車的電制動響應(yīng)快，制動力矩大并且制動制停反應(yīng)靈敏、迅速、有效，完全實(shí)現(xiàn)了頻繁制動腫停的特性，更進(jìn)一步提高了機(jī)車安全行駛的保障。 1.5 采用三相異步交流變頻牽引電機(jī)，其電機(jī)基本上實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)，也無串激式直流電機(jī)的小時(shí)工作制和長時(shí)工作制之分。 2. 改造后產(chǎn)品的主要用途和使用范圍 2.1 主要用途 經(jīng)改造后的產(chǎn)品主要用在無爆炸性氣體環(huán)境下，作為井下牽引礦 車組的牽引電機(jī)車，運(yùn)送礦石和物資材料； 2.2 改造后產(chǎn)品使用環(huán)境： 2.2.1 海拔高度不超過2000m； 2.2.2 周圍空氣最高溫度為+40℃，最低溫度為-25℃； 2.2.3 最濕月的月平均最大相對濕度為不超過95%（同月的月平均溫度不大于+25℃）； 3. 改造后產(chǎn)品的技術(shù)特性 3.1 改造后產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)，見附表（下頁）： 4. 改造要點(diǎn) 4.1 電氣結(jié)構(gòu)：采用交流變頻變壓調(diào)速控制方式與原電機(jī)車不同之處在于：采用人機(jī)一體化司控器取代原司機(jī)控制器、采用三相異步交流變頻牽引電機(jī)取代原直流牽引電機(jī)，并增加了VVVF變頻器，除此之外，其余小型電器設(shè)備與原電機(jī)車通用。 4.2 人機(jī)一體化司控器：本司控器主要由操作手輪、控制開關(guān)及全封閉式外殼組成，司機(jī)可操作司控器板面上的手輪和方向手柄，控制電機(jī)車的前進(jìn)或后退，并可實(shí)現(xiàn)電機(jī)車無級調(diào)速。另用輔助電源箱取代原直變器，再加上高壓箱（內(nèi)裝變頻裝置所需的接觸器、電抗器）實(shí)現(xiàn)高低壓分離，進(jìn)一步提高了安全可靠性能。 4.3 專用變頻器：本系統(tǒng)變頻器主要由專用變頻器模塊及輔助驅(qū)動電路構(gòu)成，其所有電氣元器件均安裝在箱體內(nèi)，箱體安裝在原電阻箱的位置上，便于用戶對系統(tǒng)的檢修和維護(hù)。 4.4 三相異步交流變頻牽引電機(jī)：本系統(tǒng)配套提供的三相異步交流變頻牽引電機(jī)系我公司為30t電機(jī)車設(shè)計(jì)，其外形及安裝尺寸與原電機(jī)車所采用85kW直流牽引電機(jī)的外形及安裝尺寸大致相同（按實(shí)際情況可改動機(jī)座），因此，采用本公司生產(chǎn)的交流變頻電機(jī)，其走行裝置無需改動，即可實(shí)現(xiàn)其改造工作。 ZK20-6.7.9/550架線電機(jī)車 改裝交流變頻變壓調(diào)速裝置后作業(yè)的效果表 變頻電機(jī)車與直流調(diào)阻車電器安裝效果比較表 變頻電機(jī)車與直流調(diào)阻車電器裝配比較表 上述表中可知：改裝后的機(jī)車提高了原機(jī)車的技術(shù)性能及各項(xiàng)指標(biāo)，完全可以滿足礦山改裝的目的和效果。 四、改造預(yù)算 一臺ZK20-6.7.9/550架線電機(jī)車改裝變頻變壓調(diào)速裝置費(fèi)用 五、經(jīng)濟(jì)效益分析 本產(chǎn)品的基本技術(shù)參數(shù)、主要技術(shù)性能指標(biāo)以及可靠性都達(dá)到世界同類產(chǎn)品的水平，產(chǎn)品的主要部件采用目前國內(nèi)外或我公司生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，并且使用和維護(hù)費(fèi)用低。產(chǎn)品的耐用性比調(diào)阻車大大提高。采用本產(chǎn)品，每臺機(jī)車每年可為礦山更多的節(jié)約電能及維修費(fèi)等各項(xiàng)開支。 1 能耗 目前，所有的直流調(diào)阻（或斬波）電機(jī)車均采用串激式直流電動機(jī)作為主牽引電機(jī)，其調(diào)速方式不外乎采用電阻調(diào)速和斬波調(diào)速二種方式。 直流電機(jī)車采用電阻調(diào)速方式時(shí)，一般采用電阻降壓方法，調(diào)整和控制牽引電機(jī)的端電壓。為了滿足電機(jī)車啟動時(shí)低速、大轉(zhuǎn)矩的要求，在電機(jī)車啟動過程中，通過電阻耗用大量電能，改變牽引電機(jī)端電壓來達(dá)到電機(jī)低速、大轉(zhuǎn)矩的目的。電機(jī)車啟動并達(dá)到一定速度后，按照我國一般礦山的實(shí)際情況，電機(jī)車處在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行級（即所有電阻均已切除）運(yùn)行，但絕大多數(shù)情況下，為使電機(jī)車處于安全運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)車經(jīng)常帶電阻運(yùn)行，為此，即使電機(jī)車啟動后，仍有一部分電能將通過電阻而消耗。 直流電機(jī)車采用斬波調(diào)速方式，其實(shí)質(zhì)上是將穩(wěn)定的額定直流電變成按一定規(guī)律變化的方波，然后通過電子元器件如：可控硅、IGBT等不停的通斷，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)速裝置輸出變化的電壓加在直流電機(jī)兩端實(shí)現(xiàn)機(jī)車調(diào)速。盡管在此過程中，沒有外加電阻參加其調(diào)壓和降壓過程，即沒有外加電阻的電能消耗，但斬波調(diào)壓的全過程中，參與調(diào)壓的所有元器件或多或少均會產(chǎn)生一定熱耗損和功率損耗，為此，盡管其節(jié)能性能比電阻調(diào)速優(yōu)越，但仍將損耗一定的電能。根據(jù)大量的實(shí)際運(yùn)行考察，斬波調(diào)速的節(jié)能性與電阻調(diào)速相比，節(jié)能約20%以上。 交流變頻電機(jī)車采用交流變頻調(diào)速方式調(diào)速，用三相異步交流變頻牽引電機(jī)作為主牽引電機(jī)。調(diào)速裝置將穩(wěn)定的直流電變成一定頻率的交流電的同時(shí)，可根據(jù)電機(jī)車的實(shí)際需要，變化牽引電機(jī)的電壓頻率值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)車的調(diào)速控制，系統(tǒng)簡單。與電阻調(diào)速電機(jī)車相比，此過程無外加電阻參加，故無外加電阻損耗，與斬波調(diào)速直流電機(jī)車相比，因其控制過程簡單，元器件的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于直流電機(jī)車斬波調(diào)速，故其節(jié)能性能優(yōu)于前二者。其節(jié)能性與電阻調(diào)速相比，將節(jié)能30%～50%以上，與斬波調(diào)速車相比節(jié)能20%～30%以上。 2 控制方式 直流電機(jī)車采用電阻調(diào)速時(shí)，利用凸輪控制接觸器閉合的變化改變外加電阻器的電阻值從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓目的。調(diào)速的全過程（包括前進(jìn)或后退）均依靠接觸器，因此，接觸器的觸頭經(jīng)常處在帶電分合的機(jī)械磨損狀態(tài)，從我國礦山實(shí)際情況來看，平均三個(gè)月更換一次接觸器屬于正?，F(xiàn)象，按一臺司機(jī)控制器有11個(gè)接觸器，計(jì)算，一年內(nèi)一臺電機(jī)車用在接觸器上的材料費(fèi)用將達(dá)上萬元，如果考慮到每次更換接觸器所占用的時(shí)間及人員，那么人工工資以及耽誤運(yùn)輸?shù)膿p失，粗略估計(jì)，每臺電阻調(diào)速直流電機(jī)車將多消耗幾萬元的修理維護(hù)費(fèi)用。 交流變頻調(diào)速電機(jī)車由于采用交流變頻調(diào)速方式后，基本上實(shí)現(xiàn)了全過程的無觸點(diǎn)控制，機(jī)械磨損幾乎為零。 據(jù)以上分析，以一個(gè)礦山擁有10臺電機(jī)車考慮，采用交流變頻調(diào)速電機(jī)車取代直流電阻調(diào)速電機(jī)車，僅控制方式改變，不采用凸輪控制器一項(xiàng)就可為礦山節(jié)約幾萬甚至近10萬元的費(fèi)用。 3 主牽引電機(jī) 直流電機(jī)車無論采用電阻調(diào)速還是斬波調(diào)速，其主牽引電機(jī)仍為直流電動機(jī)，由于該電動機(jī)必須配備換向器，而換向器既有機(jī)械磨損又有電損耗，屬于易損件，因此，大多數(shù)用戶均對換向器的更換相當(dāng)反感，但又無可奈何。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，一般礦山，每年消耗在每臺直流電動機(jī)的材料費(fèi)、維護(hù)、維修費(fèi)高達(dá)萬元以上，若考慮由于直流電動機(jī)更換換向器、碳刷，維修電樞造成的停工、誤工費(fèi)，每臺機(jī)車兩臺電機(jī)，保守估計(jì)亦在五萬元以上。 交流變頻電機(jī)車由于采用三相異步交流變頻電動機(jī)作為主牽引電機(jī)，無需換相器，碳刷，維修電樞，仍以具有10臺機(jī)車的礦山為例，僅此一項(xiàng)，又可為礦山節(jié)約費(fèi)用50萬元以上。 4 控制方式 直流電機(jī)車一般采用電阻控制和機(jī)械制動及氣制動方式作為電機(jī)車的減速制動，此時(shí)，電機(jī)車的電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能變成電能，但該能量由于電阻調(diào)壓車，無法將此能量反饋至蓄電池或電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)再生制動，只能在機(jī)車配置的制動電阻上白白消耗。 交流變頻變壓調(diào)速電機(jī)車由于采用交流變頻變壓調(diào)速系統(tǒng)，全過程為交流控制。當(dāng)電機(jī)車需要采用電氣制動時(shí)，非常容易將主牽引電機(jī)的電能反饋至蓄電池或電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)再生制動，因此大大的節(jié)約了能源。 5 總結(jié) 用于窄軌電機(jī)車的交流變頻變壓調(diào)速裝置從根本上一改過去由直流串勵(lì)電動車作窄軌電機(jī)車的牽引動力的狀況，本產(chǎn)品有著以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）效率高，能是窄軌電機(jī)車運(yùn)載能力提高效率20%； （2）節(jié)約能源，能使窄軌電機(jī)車不通過電阻耗能，從而能夠節(jié)約能源35%～50%； （3）減少耗材支出，窄軌電機(jī)車用交流變頻變壓調(diào)速裝置可變可調(diào)，沒有過去調(diào)阻車的過流過壓而導(dǎo)致的燒損各類零部件，從根本上減少了耗材支出和人工維護(hù)。 綜上所述，該裝置解決了電阻調(diào)速機(jī)車的各種弊端從而達(dá)到高效、節(jié)能、減少企業(yè)的支出，為用戶單位贏得了好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 六、改造預(yù)計(jì)進(jìn)度 改造施工出圖 ： 10天； 設(shè)備制造、運(yùn)輸、安裝 ：45天； 運(yùn)行調(diào)試 ： 5天； 共計(jì) ： 60天 七、改造后的安全可靠性 交流變頻變壓調(diào)速電機(jī)車的安全性能保障能力不同于直流電阻調(diào)阻電機(jī)車，具有以下變化： 1、機(jī)車安裝了交流變頻變壓裝置后，能夠?qū)崿F(xiàn)對機(jī)車運(yùn)行中的復(fù)雜情況進(jìn)行控制、檢測、診斷。同時(shí)采用了人機(jī)一體化司控器取代原司控器，操作規(guī)范靈活、方便、更符合機(jī)車安全操作規(guī)程，從而保障了司機(jī)操作的安全性。 2、司控臺便于司機(jī)隨時(shí)掌握、了解機(jī)車運(yùn)行的安全狀況，機(jī)車運(yùn)行全過程完全由電腦控制，司機(jī)操作更加簡化、即使司機(jī)違章操作，車載電腦能自我診斷。拒絕執(zhí)行錯(cuò)誤的命令，杜絕事故的發(fā)生，保證了機(jī)車運(yùn)行的安全可靠。 3、采用了+24V安全輔助電源取代了原直變器，為機(jī)車提供了更多更好的安全接線端子，同時(shí)配置了高壓箱，實(shí)現(xiàn)了高、低壓分離，改變了過去駕駛室內(nèi)高、低壓混合安裝的狀況，真正作到了駕駛室內(nèi)操作無高壓危險(xiǎn)的安全局面，體現(xiàn)了改造后“以人為本，安全第一”的設(shè)計(jì)思想。 4、機(jī)車采用了電喇叭、強(qiáng)光大燈、安全警示燈、安全輔助電源，操作者只要輕輕的按鈕，聲信號就達(dá)到了警示作用，解決了礦運(yùn)輸安全的頭等大問題。 5、改造后機(jī)車制動、制停采用了VVVF制動和機(jī)械制動、氣制動，同時(shí)設(shè)置了能量反饋裝置，使機(jī)車制動響應(yīng)快，制動力矩大，制動制停反應(yīng)靈敏、迅速、有效，完全實(shí)現(xiàn)了任何環(huán)境情況都能頻繁制動制停的安全可靠性能，并保證實(shí)現(xiàn)安全規(guī)程范圍內(nèi)制停，提高了機(jī)車行駛的安全保障。