工礦電力機(jī)車是礦山運(yùn)輸和隧道建設(shè)中重要的運(yùn)輸設(shè)備。工礦電力機(jī)車具備牽引力大、過載能力強(qiáng)、行駛速度快、維修維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在各大城市的地鐵建設(shè)中發(fā)揮著巨大作用。本文主要介紹了海浦蒙特HD30-4T250-D變頻器在150噸直流工礦電力機(jī)車上的成功應(yīng)用，以及如何通過變頻調(diào)速技術(shù)改善機(jī)車控制特性，實(shí)現(xiàn)靈活的駕駛體驗(yàn)。
1 工礦電力機(jī)車系統(tǒng)
電力機(jī)車的出現(xiàn)是在鐵路運(yùn)輸對大運(yùn)載量、高運(yùn)輸速度以及更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力的需求下誕生的。工礦電力機(jī)車由于采用直流制，在功率和速度上比干線電力機(jī)車小。憑借其靈活的控制以及自身攜帶能源特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于礦山的短程礦石運(yùn)輸以及隧道建設(shè)中的石渣運(yùn)輸。
直流工礦電力機(jī)車由控制室、傳動系統(tǒng)以及蓄電池組組成。控制室完成機(jī)車運(yùn)行控制；傳動系統(tǒng)由兩臺110kW交流電機(jī)提供動力，經(jīng)過減速機(jī)傳動到輪轂，制動剎車片由一臺4kW壓縮機(jī)提供開閘動力；蓄電池組為48個(gè)12V鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，為整個(gè)機(jī)車系統(tǒng)提供電力。直流工礦電力機(jī)車在運(yùn)行過程中有兩種運(yùn)行情況：滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)需要電機(jī)在0－50Hz內(nèi)運(yùn)行，此時(shí)最大運(yùn)行速度在40kM/H左右，要求有足夠的轉(zhuǎn)矩輸出；空載運(yùn)行時(shí)需要電機(jī)在0－70Hz內(nèi)運(yùn)行，此時(shí)最大運(yùn)行速度要達(dá)到60kM/H。
下圖是電力機(jī)車系統(tǒng)簡圖。
2 應(yīng)用解決方案
傳統(tǒng)電力機(jī)車采用斬波調(diào)速技術(shù)，目前國內(nèi)很多礦山現(xiàn)場仍采用此種技術(shù)。而當(dāng)前流行的變頻調(diào)速技術(shù)將徹底革新直流工礦電力機(jī)車驅(qū)動技術(shù)。變頻調(diào)速具有精確的控制精度，電機(jī)運(yùn)行頻率精度可以精確到0.01Hz；有更高的節(jié)能效益，通過軟啟動相比常規(guī)啟動方式節(jié)約電力；有更寬的調(diào)速范圍，機(jī)車需要滿足滿負(fù)荷運(yùn)行和空車運(yùn)行，而空車運(yùn)行時(shí)要求有更高行駛速度，電機(jī)可以在0－70Hz范圍內(nèi)運(yùn)行。
2.1 系統(tǒng)配置
150噸直流工礦電力機(jī)車兩臺110kW交流電機(jī)負(fù)責(zé)左右兩側(cè)輪轂動力輸出，4kW空壓機(jī)為兩側(cè)的剎車片提供開閘氣壓。在解決方案中，我們采用250kW變頻器一拖二實(shí)現(xiàn)主動力變頻驅(qū)動、4kW變頻器通過PLC命令控制空壓機(jī)運(yùn)行。變頻部分應(yīng)用方案如下圖：
2.2 參數(shù)配置
對于變頻器一拖二的應(yīng)用現(xiàn)場，必須采用V/f控制方式實(shí)現(xiàn)。這種控制方式可以保證兩臺電機(jī)工作時(shí)加減速時(shí)間、轉(zhuǎn)速保持較好的一致性。
主電機(jī)驅(qū)動變頻器參數(shù)表
2.3 調(diào)試步驟
1．?dāng)?shù)字端子信號調(diào)試
變頻器數(shù)字端子信號由PLC給定，通過5路數(shù)字輸入通道完成變頻器正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、復(fù)位、正點(diǎn)動、反點(diǎn)動控制。調(diào)試時(shí)PLC輸出信號通過變頻器操作面板查看d00.50參數(shù)是否與輸入信號對應(yīng)。完成輸入信號調(diào)試后將各數(shù)字端子功能含義設(shè)置準(zhǔn)確；
2．模擬端子信號調(diào)試
變頻器模擬端子在系統(tǒng)中是頻率信號給定通道，機(jī)車控制面板上速度拉桿將速度命令轉(zhuǎn)化為4~20mA電流輸送到變頻器。變頻器按照4~20mA信號對應(yīng)輸出 0~70Hz驅(qū)動電機(jī)。調(diào)試電流信號時(shí)需要先完成輸入電流偏置與增益的設(shè)置，同時(shí)還要考慮機(jī)車控制面板上速度拉桿的操作空間。調(diào)試模擬量時(shí)遵循先調(diào)偏置，再調(diào)增益。
3．通信及故障繼電器調(diào)試
變頻器與PLC的通信主要是完成PLC獲取變頻器運(yùn)行過程中的頻率、電流、轉(zhuǎn)速以及故障信息。然后通過觸摸屏顯示在機(jī)車控制面板上，以便駕駛?cè)藛T監(jiān)控機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)。通信調(diào)試中最重要的是完成通信線纜的抗干擾防護(hù)。故障繼電器是系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要保證。系統(tǒng)調(diào)試是可以人為制造故障，以驗(yàn)證故障繼電器可靠動作。
4．系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試要完成系統(tǒng)可靠性、功能完整性以及操作舒適性調(diào)試：
首先，完成系統(tǒng)硬件檢查：包括輸入輸出信號、功率端子電壓、輸出三相平衡等；
其次，完成控制命令調(diào)試：包括命令響應(yīng)速度、速度拉桿與輸出頻率是否滿足一次線性變化；
最后，完成緊急情況下機(jī)車運(yùn)行情況：包括急加速、急減速、緊急制動時(shí)能滿足的極限參數(shù)。
2.4 調(diào)試效果
經(jīng)整車試機(jī)，驗(yàn)證了前進(jìn)加速、后退加速、前進(jìn)點(diǎn)動、后退點(diǎn)動和緊急制動五大操控功能。通過觸摸屏監(jiān)控到變頻器輸出頻率、電流、轉(zhuǎn)速信號以及故障監(jiān)視。
在調(diào)試過程中機(jī)車動力電機(jī)最高運(yùn)行頻率70Hz，速度穩(wěn)定。5Hz時(shí)制動閘松開，機(jī)車穩(wěn)定加速。在空載情況下運(yùn)行到50Hz時(shí)變頻器輸出電流在120A左右。
整體調(diào)試效果要優(yōu)于傳統(tǒng)電力機(jī)車調(diào)速性能，得到用戶極好肯定。
3 結(jié)語
直流工礦電力機(jī)車采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)速驅(qū)動，各項(xiàng)指標(biāo)滿足機(jī)車技術(shù)要求。采用先進(jìn)的變頻技術(shù)比傳統(tǒng)的斬波調(diào)速在節(jié)能和高速運(yùn)轉(zhuǎn)上更具優(yōu)勢。同時(shí)，在頻繁的速度切換過程中能更好的實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，保證機(jī)車連續(xù)10小時(shí)的續(xù)航能力。