蓄电池电机车调速系统分析及其改造设计

1 引言

矿用电机车是煤矿工业的重要运输工具。由于煤矿井下的工作环境十分恶劣，对电机车的电气驱动系统要求很高。然而，当前矿用电机车采用结构复杂、造价昂贵、故障率高、维修费用大的直流电机驱动，调速系统还是采用的原始落后的电阻降压调速方式，这种多级触头变阻调速器常因触头产生较强火花而烧损，所以维修量大。同时，电机车带电阻运行导致电能浪费很大。对于高瓦斯矿井，普遍采用防爆型蓄电池电机车作为运输材料和矸石的工具。多年来，蓄电池电机车一直采用直流电动机串电阻调速方式，从而使20～25%的电能消耗在电阻上，造成电能的浪费。特别是蓄电池电机车，由于电能消耗过快，使蓄电池的充电间隔缩短，蓄电池寿命减少。近几年来，随着科学技术的发展，交流电机的调速问题已经获得圆满的解决。交流电机的调速系统不但性能同直流电机的性能一样，而且成本和维护费比直流电机系统更低，可靠性更高。用交流电动机取代直流电动机进行调速势在必行，并且交流电动机有着直流电动机无法比拟的优势。由于直流调速带有电阻器运行，电能消耗较大，交流变频调速由于不用高耗能的电阻，节电率可达35%。如果电机车设置成再生回馈制动，可以利用电机车减速或下坡时将电机发出的电能回馈给蓄电池，这样可以大大节约电能，延长充电时间。

2 异步电动机的四象限特性及能量再生

三相交流异步电机传动系统具有结构简单、工作可靠、造价低廉，效率高，节约能源等优点，因而被广泛用语蓄电池电机车的改造工程中。

由于矿用电机车工作于井下恶劣的环境中，调速系统处于频繁的起动、制动、加减速等状态，这样一来，我们就能充分利用三相交流异步电动机的四象限特性进行调速制动：第一象限和第三象限是电动机的运行状态，分别为正、倒转；第二象限和第四象限是电动机的发电状态，分别为正、倒转。由于蓄电池电机车采用的是直接转矩的方式进行变频调速。

电机车在减速运行过程或急刹车时都将发生能量再生。先假定三相异步电动机定子绕组中通以三相电流，极性为i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下标：“1”表示定子，“2”表示转子，字母上加点表示向量），该电流将在电动机气隙内形成按正弦规律分布，并以同步转速旋转的磁动势f1，如图1。f1先建立气隙主磁场bm（фm），bm是个旋转磁场。当变频器驱动异步电动机减速运行时，旋转磁场同步转速no总是先于转子转速n下降，即n0m切割定子、转子绕组，并在定子、转子绕组内感应出定子电动势e1a、e1b、e1c和转子电动势e2a、e2b、e2c，于是转子回路中就有三相电流i2a、i2b、i2c。与气隙磁通фm相互作用，产生了电磁制动转矩，方向与n0相反，制止转子旋转。i1形成的励磁磁动势f1，i2形成的励磁磁动势f2。设相序为a—b—c的定子电流所产生的旋转磁场为逆时针方向，由于n0o。由于转子以转速n逆时针旋转，因此f2的实际转速为n2=n-△n=no，方向为逆时针，即f1和f2都逆时针旋转，转速都为n2。换句话说，f1和f2保持相对静止，两者之间无相对运动。

异步电动机带负载时气隙内产生旋转磁场bm的正是这两个相对静止的磁动势f1和f2的合成磁动势fm作用的结果，即f1=fm+（－f2），此式表示：异步电动机的定子磁动势包含两个分量：产生气隙主磁通φm的励磁磁动势fm和抵消由于转子电流产生的转子磁动势f2的部分（－f2）。

因为n00-n/n＜0，所以转子感应电动势se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度处于90°～180°之间，转子电流的有功分量i’2a《0，而转子电流的无功分量i’2r》0。

异步电动机处于减速时相当于异步发电机，即其向量图如图所示。u1和i1之间的相角φ1》90°，此时定子的有功功率为负值，即定子绕组向直流侧回馈电能，而定子的无功功率为正值。站在电动机的角度上看，异步电动机吸收了负的有功功率和滞后的无功功率，前者输出给电网，后者用于励磁。