一、礦山概況 現(xiàn)有礦山都用ZK系列的架線式調阻電機車運輸。 由于運輸線路長、坡度大，調阻電機車在運輸途中頻繁出故障，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，嚴重影響生產(chǎn)。 隨著掘進的延伸，運輸距離越來越長，礦石的產(chǎn)量在持續(xù)增長，而窄軌鐵道線的聯(lián)接處時斷時松，導致回流阻值大，使調阻機車在運行中總在調速檔內工作。這樣既消耗了大量的電能，又使機車經(jīng)常處于斷電和電壓沖擊狀態(tài)，容易損壞機車內的電器，同時造成機車空轉，增加機械磨損，每年維修及損耗材料費用急劇增加。這些現(xiàn)象天天存在，還有不斷上漲的材料費用。礦運輸區(qū)十分重視，千方百計地想辦法解決這一難題。 二、有關技術參數(shù) 湖南省湘潭市雙馬世紀科技有限公司本著“一切為了礦山”的服務宗旨，為該鎢礦運輸區(qū)提供了一套窄軌電機車專用交流變頻變壓調速裝置，本裝置主要技術參數(shù)見表。 變頻器主要參數(shù)表 三相異步交流變頻牽引電機基本參數(shù)表 三、技術改造方案 1、概述 本改造方案是我公司為礦山ZK20-6.7.9/550的直流調速機車上改裝交流變頻變壓（VVVF）調速裝置的實際情況而制定，具有以下特點： 1.1 電機車的機械部件與原電機車通用，但電氣部分有較大的變化。交流變頻變壓（VVVF）調速裝置是一套獨立的電氣控制系統(tǒng)，其工作原理如下： 本變頻器采用美國TI公司的準32位電機專用數(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，得到坐標系的分量，并且根據(jù)當前電壓空間矢量位置進行Park變換，再用我們自已研制的反電勢定向數(shù)學模型計算出反電勢位置，以反電勢方向為橫軸，建立反電勢坐標系，對α、β坐標的電流iα、iβ在反電勢坐標系上進行Park變換，計算出力矩電流和磁場電流iα、iβ，再由力矩電流參考值 Itref 進行力矩電流調節(jié)。通過對im調節(jié)，間接對磁場進行動態(tài)補償。由力矩電流調節(jié)和動態(tài)磁通補償輸出，控制電壓矢量PWM發(fā)生器的相角和調制系數(shù)來產(chǎn)生三相電壓，進而控制交流電機的工作。 系統(tǒng)框圖： 交流變頻變壓電機車控制框圖： 1.2 司機控制全過程為無觸點控制，零電流吸合、斷開，實現(xiàn)了電機車從零到最高速度范圍的無級調速。 1.3 直變器，改裝一套+24V輔助電源裝置為機車提供更多的安全電源接線端子。 1.4 設置了能量反饋裝置，使機車的電制動響應快，制動力矩大并且制動制停反應靈敏、迅速、有效，完全實現(xiàn)了頻繁制動腫停的特性，更進一步提高了機車安全行駛的保障。 1.5 采用三相異步交流變頻牽引電機，其電機基本上實現(xiàn)了免維護，也無串激式直流電機的小時工作制和長時工作制之分。 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 車組的牽引電機車，運送礦石和物資材料； 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)品的技術特性 3.1 改造后產(chǎn)品的技術參數(shù)，見附表（下頁）： 4. 改造要點 4.1 電氣結構：采用交流變頻變壓調速控制方式與原電機車不同之處在于：采用人機一體化司控器取代原司機控制器、采用三相異步交流變頻牽引電機取代原直流牽引電機，并增加了VVVF變頻器，除此之外，其余小型電器設備與原電機車通用。 4.2 人機一體化司控器：本司控器主要由操作手輪、控制開關及全封閉式外殼組成，司機可操作司控器板面上的手輪和方向手柄，控制電機車的前進或后退，并可實現(xiàn)電機車無級調速。另用輔助電源箱取代原直變器，再加上高壓箱（內裝變頻裝置所需的接觸器、電抗器）實現(xiàn)高低壓分離，進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動電路構成，其所有電氣元器件均安裝在箱體內，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。 4.4 三相異步交流變頻牽引電機：本系統(tǒng)配套提供的三相異步交流變頻牽引電機系我公司為30t電機車設計，其外形及安裝尺寸與原電機車所采用85kW直流牽引電機的外形及安裝尺寸大致相同（按實際情況可改動機座），因此，采用本公司生產(chǎn)的交流變頻電機，其走行裝置無需改動，即可實現(xiàn)其改造工作。 ZK20-6.7.9/550架線電機車 改裝交流變頻變壓調速裝置后作業(yè)的效果表 變頻電機車與直流調阻車電器安裝效果比較表 變頻電機車與直流調阻車電器裝配比較表 上述表中可知：改裝后的機車提高了原機車的技術性能及各項指標，完全可以滿足礦山改裝的目的和效果。 四、改造預算 一臺ZK20-6.7.9/550架線電機車改裝變頻變壓調速裝置費用 五、經(jīng)濟效益分析 本產(chǎn)品的基本技術參數(shù)、主要技術性能指標以及可靠性都達到世界同類產(chǎn)品的水平，產(chǎn)品的主要部件采用目前國內外或我公司生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，并且使用和維護費用低。產(chǎn)品的耐用性比調阻車大大提高。采用本產(chǎn)品，每臺機車每年可為礦山更多的節(jié)約電能及維修費等各項開支。 1 能耗 目前，所有的直流調阻（或斬波）電機車均采用串激式直流電動機作為主牽引電機，其調速方式不外乎采用電阻調速和斬波調速二種方式。 直流電機車采用電阻調速方式時，一般采用電阻降壓方法，調整和控制牽引電機的端電壓。為了滿足電機車啟動時低速、大轉矩的要求，在電機車啟動過程中，通過電阻耗用大量電能，改變牽引電機端電壓來達到電機低速、大轉矩的目的。電機車啟動并達到一定速度后，按照我國一般礦山的實際情況，電機車處在經(jīng)濟運行級（即所有電阻均已切除）運行，但絕大多數(shù)情況下，為使電機車處于安全運行狀態(tài)，電機車經(jīng)常帶電阻運行，為此，即使電機車啟動后，仍有一部分電能將通過電阻而消耗。 直流電機車采用斬波調速方式，其實質上是將穩(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，最終實現(xiàn)調速裝置輸出變化的電壓加在直流電機兩端實現(xiàn)機車調速。盡管在此過程中，沒有外加電阻參加其調壓和降壓過程，即沒有外加電阻的電能消耗，但斬波調壓的全過程中，參與調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)能性能比電阻調速優(yōu)越，但仍將損耗一定的電能。根據(jù)大量的實際運行考察，斬波調速的節(jié)能性與電阻調速相比，節(jié)能約20%以上。 交流變頻電機車采用交流變頻調速方式調速，用三相異步交流變頻牽引電機作為主牽引電機。調速裝置將穩(wěn)定的直流電變成一定頻率的交流電的同時，可根據(jù)電機車的實際需要，變化牽引電機的電壓頻率值，實現(xiàn)電機車的調速控制，系統(tǒng)簡單。與電阻調速電機車相比，此過程無外加電阻參加，故無外加電阻損耗，與斬波調速直流電機車相比，因其控制過程簡單，元器件的損耗遠遠低于直流電機車斬波調速，故其節(jié)能性能優(yōu)于前二者。其節(jié)能性與電阻調速相比，將節(jié)能30%～50%以上，與斬波調速車相比節(jié)能20%～30%以上。 2 控制方式 直流電機車采用電阻調速時，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現(xiàn)調壓目的。調速的全過程（包括前進或后退）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械磨損狀態(tài)，從我國礦山實際情況來看，平均三個月更換一次接觸器屬于正常現(xiàn)象，按一臺司機控制器有11個接觸器，計算，一年內一臺電機車用在接觸器上的材料費用將達上萬元，如果考慮到每次更換接觸器所占用的時間及人員，那么人工工資以及耽誤運輸?shù)膿p失，粗略估計，每臺電阻調速直流電機車將多消耗幾萬元的修理維護費用。 交流變頻調速電機車由于采用交流變頻調速方式后，基本上實現(xiàn)了全過程的無觸點控制，機械磨損幾乎為零。 據(jù)以上分析，以一個礦山擁有10臺電機車考慮，采用交流變頻調速電機車取代直流電阻調速電機車，僅控制方式改變，不采用凸輪控制器一項就可為礦山節(jié)約幾萬甚至近10萬元的費用。 3 主牽引電機 直流電機車無論采用電阻調速還是斬波調速，其主牽引電機仍為直流電動機，由于該電動機必須配備換向器，而換向器既有機械磨損又有電損耗，屬于易損件，因此，大多數(shù)用戶均對換向器的更換相當反感，但又無可奈何。據(jù)有關資料統(tǒng)計，一般礦山，每年消耗在每臺直流電動機的材料費、維護、維修費高達萬元以上，若考慮由于直流電動機更換換向器、碳刷，維修電樞造成的停工、誤工費，每臺機車兩臺電機，保守估計亦在五萬元以上。 交流變頻電機車由于采用三相異步交流變頻電動機作為主牽引電機，無需換相器，碳刷，維修電樞，仍以具有10臺機車的礦山為例，僅此一項，又可為礦山節(jié)約費用50萬元以上。 4 控制方式 直流電機車一般采用電阻控制和機械制動及氣制動方式作為電機車的減速制動，此時，電機車的電動機作為發(fā)電機將機械能變成電能，但該能量由于電阻調壓車，無法將此能量反饋至蓄電池或電網(wǎng)來實現(xiàn)再生制動，只能在機車配置的制動電阻上白白消耗。 交流變頻變壓調速電機車由于采用交流變頻變壓調速系統(tǒng)，全過程為交流控制。當電機車需要采用電氣制動時，非常容易將主牽引電機的電能反饋至蓄電池或電網(wǎng)，實現(xiàn)再生制動，因此大大的節(jié)約了能源。 5 總結 用于窄軌電機車的交流變頻變壓調速裝置從根本上一改過去由直流串勵電動車作窄軌電機車的牽引動力的狀況，本產(chǎn)品有著以下幾個優(yōu)點： （1）效率高，能是窄軌電機車運載能力提高效率20%； （2）節(jié)約能源，能使窄軌電機車不通過電阻耗能，從而能夠節(jié)約能源35%～50%； （3）減少耗材支出，窄軌電機車用交流變頻變壓調速裝置可變可調，沒有過去調阻車的過流過壓而導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。 綜上所述，該裝置解決了電阻調速機車的各種弊端從而達到高效、節(jié)能、減少企業(yè)的支出，為用戶單位贏得了好的經(jīng)濟效益和社會效益。 六、改造預計進度 改造施工出圖 ： 10天； 設備制造、運輸、安裝 ：45天； 運行調試 ： 5天； 共計 ： 60天 七、改造后的安全可靠性 交流變頻變壓調速電機車的安全性能保障能力不同于直流電阻調阻電機車，具有以下變化： 1、機車安裝了交流變頻變壓裝置后，能夠實現(xiàn)對機車運行中的復雜情況進行控制、檢測、診斷。同時采用了人機一體化司控器取代原司控器，操作規(guī)范靈活、方便、更符合機車安全操作規(guī)程，從而保障了司機操作的安全性。 2、司控臺便于司機隨時掌握、了解機車運行的安全狀況，機車運行全過程完全由電腦控制，司機操作更加簡化、即使司機違章操作，車載電腦能自我診斷。拒絕執(zhí)行錯誤的命令，杜絕事故的發(fā)生，保證了機車運行的安全可靠。 3、采用了+24V安全輔助電源取代了原直變器，為機車提供了更多更好的安全接線端子，同時配置了高壓箱，實現(xiàn)了高、低壓分離，改變了過去駕駛室內高、低壓混合安裝的狀況，真正作到了駕駛室內操作無高壓危險的安全局面，體現(xiàn)了改造后“以人為本，安全第一”的設計思想。 4、機車采用了電喇叭、強光大燈、安全警示燈、安全輔助電源，操作者只要輕輕的按鈕，聲信號就達到了警示作用，解決了礦運輸安全的頭等大問題。 5、改造后機車制動、制停采用了VVVF制動和機械制動、氣制動，同時設置了能量反饋裝置，使機車制動響應快，制動力矩大，制動制停反應靈敏、迅速、有效，完全實現(xiàn)了任何環(huán)境情況都能頻繁制動制停的安全可靠性能，并保證實現(xiàn)安全規(guī)程范圍內制停，提高了機車行駛的安全保障。