双马世纪科技变频器改造方案

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jshfq 发表于 2009/9/16 10:53:24 1946 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]

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双马世纪科技变频器改造方案

一、矿山概况

    现有矿山都用ZK系列的架线式调阻电机车运输。
    由于运输线路长、坡度大，调阻电机车在运输途中频繁出故障，故障主要是：过流过压烧损司控器的接触器触头，烧损启动电阻甚至于烧损直流电动机，严重影响生产。
    随着掘进的延伸，运输距离越来越长，矿石的产量在持续增长，而窄轨铁道线的联接处时断时松，导致回流阻值大，使调阻机车在运行中总在调速档内工作。这样既消耗了大量的电能，又使机车经常处于断电和电压冲击状态，容易损坏机车内的电器，同时造成机车空转，增加机械磨损，每年维修及损耗材料费用急剧增加。这些现象天天存在，还有不断上涨的材料费用。矿运输区十分重视，千方百计地想办法解决这一难题。

二、有关技术参数

湖南省湘潭市双马世纪科技有限公司本着“一切为了矿山”的服务宗旨，为该钨矿运输区提供了一套窄轨电机车专用交流变频变压调速装置，本装置主要技术参数见表。

变频器主要参数表

三相异步交流变频牵引电机基本参数表

三、技术改造方案

    1、概述
    本改造方案是我公司为矿山ZK20-6.7.9/550的直流调速机车上改装交流变频变压（VVVF）调速装置的实际情况而制定，具有以下特点：
    1.1 电机车的机械部件与原电机车通用，但电气部分有较大的变化。交流变频变压（VVVF）调速装置是一套独立的电气控制系统，其工作原理如下：
    本变频器采用美国TI公司的准32位电机专用数字信号处理器作为主控制器（TMS320LF2407A），在软件控制下，接受司控的指令后，通过采取电流传感器的三相电流数据，将三相电流clark变换，得到坐标系的分量，并且根据当前电压空间矢量位置进行Park变换，再用我们自已研制的反电势定向数学模型计算出反电势位置，以反电势方向为横轴，建立反电势坐标系，对α、β坐标的电流iα、iβ在反电势坐标系上进行Park变换，计算出力矩电流和磁场电流iα、iβ，再由力矩电流参考值 Itref 进行力矩电流调节。通过对im调节，间接对磁场进行动态补偿。由力矩电流调节和动态磁通补偿输出，控制电压矢量PWM发生器的相角和调制系数来产生三相电压，进而控制交流电机的工作。
系统框图：

交流变频变压电机车控制框图：

    1.2 司机控制全过程为无触点控制，零电流吸合、断开，实现了电机车从零到最高速度范围的无级调速。
    1.3 直变器，改装一套+24V辅助电源装置为机车提供更多的安全电源接线端子。
    1.4 设置了能量反馈装置，使机车的电制动响应快，制动力矩大并且制动制停反应灵敏、迅速、有效，完全实现了频繁制动肿停的特性，更进一步提高了机车安全行驶的保障。
    1.5 采用三相异步交流变频牵引电机，其电机基本上实现了免维护，也无串激式直流电机的小时工作制和长时工作制之分。
    2. 改造后产品的主要用途和使用范围
    2.1 主要用途
    经改造后的产品主要用在无爆炸性气体环境下，作为井下牵引矿
    车组的牵引电机车，运送矿石和物资材料；
    2.2 改造后产品使用环境：
    2.2.1 海拔高度不超过2000m；
    2.2.2 周围空气最高温度为+40℃，最低温度为-25℃；
    2.2.3 最湿月的月平均最大相对湿度为不超过95%（同月的月平均温度不大于+25℃）；
    3. 改造后产品的技术特性
    3.1 改造后产品的技术参数，见附表（下页）：
    4. 改造要点
    4.1 电气结构：采用交流变频变压调速控制方式与原电机车不同之处在于：采用人机一体化司控器取代原司机控制器、采用三相异步交流变频牵引电机取代原直流牵引电机，并增加了VVVF变频器，除此之外，其余小型电器设备与原电机车通用。
    4.2 人机一体化司控器：本司控器主要由操作手轮、控制开关及全封闭式外壳组成，司机可操作司控器板面上的手轮和方向手柄，控制电机车的前进或后退，并可实现电机车无级调速。另用辅助电源箱取代原直变器，再加上高压箱（内装变频装置所需的接触器、电抗器）实现高低压分离，进一步提高了安全可靠性能。
    4.3 专用变频器：本系统变频器主要由专用变频器模块及辅助驱动电路构成，其所有电气元器件均安装在箱体内，箱体安装在原电阻箱的位置上，便于用户对系统的检修和维护。
    4.4 三相异步交流变频牵引电机：本系统配套提供的三相异步交流变频牵引电机系我公司为30t电机车设计，其外形及安装尺寸与原电机车所采用85kW直流牵引电机的外形及安装尺寸大致相同（按实际情况可改动机座），因此，采用本公司生产的交流变频电机，其走行装置无需改动，即可实现其改造工作。
    ZK20-6.7.9/550架线电机车
改装交流变频变压调速装置后作业的效果表

变频电机车与直流调阻车电器安装效果比较表

变频电机车与直流调阻车电器装配比较表

上述表中可知：改装后的机车提高了原机车的技术性能及各项指标，完全可以满足矿山改装的目的和效果。

四、改造预算

一台ZK20-6.7.9/550架线电机车改装变频变压调速装置费用

五、经济效益分析

    本产品的基本技术参数、主要技术性能指标以及可靠性都达到世界同类产品的水平，产品的主要部件采用目前国内外或我公司生产的成熟产品，并且使用和维护费用低。产品的耐用性比调阻车大大提高。采用本产品，每台机车每年可为矿山更多的节约电能及维修费等各项开支。
    1 能耗
    目前，所有的直流调阻（或斩波）电机车均采用串激式直流电动机作为主牵引电机，其调速方式不外乎采用电阻调速和斩波调速二种方式。
    直流电机车采用电阻调速方式时，一般采用电阻降压方法，调整和控制牵引电机的端电压。为了满足电机车启动时低速、大转矩的要求，在电机车启动过程中，通过电阻耗用大量电能，改变牵引电机端电压来达到电机低速、大转矩的目的。电机车启动并达到一定速度后，按照我国一般矿山的实际情况，电机车处在经济运行级（即所有电阻均已切除）运行，但绝大多数情况下，为使电机车处于安全运行状态，电机车经常带电阻运行，为此，即使电机车启动后，仍有一部分电能将通过电阻而消耗。
    直流电机车采用斩波调速方式，其实质上是将稳定的额定直流电变成按一定规律变化的方波，然后通过电子元器件如：可控硅、IGBT等不停的通断，最终实现调速装置输出变化的电压加在直流电机两端实现机车调速。尽管在此过程中，没有外加电阻参加其调压和降压过程，即没有外加电阻的电能消耗，但斩波调压的全过程中，参与调压的所有元器件或多或少均会产生一定热耗损和功率损耗，为此，尽管其节能性能比电阻调速优越，但仍将损耗一定的电能。根据大量的实际运行考察，斩波调速的节能性与电阻调速相比，节能约20%以上。
    交流变频电机车采用交流变频调速方式调速，用三相异步交流变频牵引电机作为主牵引电机。调速装置将稳定的直流电变成一定频率的交流电的同时，可根据电机车的实际需要，变化牵引电机的电压频率值，实现电机车的调速控制，系统简单。与电阻调速电机车相比，此过程无外加电阻参加，故无外加电阻损耗，与斩波调速直流电机车相比，因其控制过程简单，元器件的损耗远远低于直流电机车斩波调速，故其节能性能优于前二者。其节能性与电阻调速相比，将节能30%～50%以上，与斩波调速车相比节能20%～30%以上。
    2 控制方式
    直流电机车采用电阻调速时，利用凸轮控制接触器闭合的变化改变外加电阻器的电阻值从而实现调压目的。调速的全过程（包括前进或后退）均依靠接触器，因此，接触器的触头经常处在带电分合的机械磨损状态，从我国矿山实际情况来看，平均三个月更换一次接触器属于正常现象，按一台司机控制器有11个接触器，计算，一年内一台电机车用在接触器上的材料费用将达上万元，如果考虑到每次更换接触器所占用的时间及人员，那么人工工资以及耽误运输的损失，粗略估计，每台电阻调速直流电机车将多消耗几万元的修理维护费用。
    交流变频调速电机车由于采用交流变频调速方式后，基本上实现了全过程的无触点控制，机械磨损几乎为零。
    据以上分析，以一个矿山拥有10台电机车考虑，采用交流变频调速电机车取代直流电阻调速电机车，仅控制方式改变，不采用凸轮控制器一项就可为矿山节约几万甚至近10万元的费用。
    3 主牵引电机
    直流电机车无论采用电阻调速还是斩波调速，其主牵引电机仍为直流电动机，由于该电动机必须配备换向器，而换向器既有机械磨损又有电损耗，属于易损件，因此，大多数用户均对换向器的更换相当反感，但又无可奈何。据有关资料统计，一般矿山，每年消耗在每台直流电动机的材料费、维护、维修费高达万元以上，若考虑由于直流电动机更换换向器、碳刷，维修电枢造成的停工、误工费，每台机车两台电机，保守估计亦在五万元以上。
    交流变频电机车由于采用三相异步交流变频电动机作为主牵引电机，无需换相器，碳刷，维修电枢，仍以具有10台机车的矿山为例，仅此一项，又可为矿山节约费用50万元以上。
    4 控制方式
    直流电机车一般采用电阻控制和机械制动及气制动方式作为电机车的减速制动，此时，电机车的电动机作为发电机将机械能变成电能，但该能量由于电阻调压车，无法将此能量反馈至蓄电池或电网来实现再生制动，只能在机车配置的制动电阻上白白消耗。
    交流变频变压调速电机车由于采用交流变频变压调速系统，全过程为交流控制。当电机车需要采用电气制动时，非常容易将主牵引电机的电能反馈至蓄电池或电网，实现再生制动，因此大大的节约了能源。
    5 总结
    用于窄轨电机车的交流变频变压调速装置从根本上一改过去由直流串励电动车作窄轨电机车的牵引动力的状况，本产品有着以下几个优点：
    （1）效率高，能是窄轨电机车运载能力提高效率20%；
    （2）节约能源，能使窄轨电机车不通过电阻耗能，从而能够节约能源35%～50%；
    （3）减少耗材支出，窄轨电机车用交流变频变压调速装置可变可调，没有过去调阻车的过流过压而导致的烧损各类零部件，从根本上减少了耗材支出和人工维护。

综上所述，该装置解决了电阻调速机车的各种弊端从而达到高效、节能、减少企业的支出，为用户单位赢得了好的经济效益和社会效益。

六、改造预计进度

    改造施工出图： 10天；
    设备制造、运输、安装：45天；
    运行调试： 5天；
    共计： 60天

七、改造后的安全可靠性

    交流变频变压调速电机车的安全性能保障能力不同于直流电阻调阻电机车，具有以下变化：
    1、机车安装了交流变频变压装置后，能够实现对机车运行中的复杂情况进行控制、检测、诊断。同时采用了人机一体化司控器取代原司控器，操作规范灵活、方便、更符合机车安全操作规程，从而保障了司机操作的安全性。
    2、司控台便于司机随时掌握、了解机车运行的安全状况，机车运行全过程完全由电脑控制，司机操作更加简化、即使司机违章操作，车载电脑能自我诊断。拒绝执行错误的命令，杜绝事故的发生，保证了机车运行的安全可靠。
    3、采用了+24V安全辅助电源取代了原直变器，为机车提供了更多更好的安全接线端子，同时配置了高压箱，实现了高、低压分离，改变了过去驾驶室内高、低压混合安装的状况，真正作到了驾驶室内操作无高压危险的安全局面，体现了改造后“以人为本，安全第一”的设计思想。
    4、机车采用了电喇叭、强光大灯、安全警示灯、安全辅助电源，操作者只要轻轻的按钮，声信号就达到了警示作用，解决了矿运输安全的头等大问题。
    5、改造后机车制动、制停采用了VVVF制动和机械制动、气制动，同时设置了能量反馈装置，使机车制动响应快，制动力矩大，制动制停反应灵敏、迅速、有效，完全实现了任何环境情况都能频繁制动制停的安全可靠性能，并保证实现安全规程范围内制停，提高了机车行驶的安全保障。

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