DTC变频技术在煤矿电机车上的应用

杨运海

摘 要：简述了变频技术的控制方式，分析了DTC变频技术特点与应用，探讨了DTC变频技术在煤矿电机车上的应用。

关键词：DTC 变频技术 电机车 应用

一、变频技术的控制方式

随着信息技术、电力电子技术、电机驱动技术的不断发展，变频技术日臻完善，在各个领域得到广泛应用。从变频设备控制方式基本可以分为V/F控制、转差频率控制和矢量控制。

1、V/F控制

对于异步电动机，只要改变电源频率，就可改变电动机转速，达到调速目的。但是，当电机电源频率改变时，电机内部阻抗也将随之改变，从而引起励磁电流的变化，使电机出现励磁不足或励磁过强，造成电机转矩不足或出现磁饱和，造成电机功率因数和效率下降。因此，为得到理想的转矩-速度特性，必须保持电动机磁通不变，需要控制电压和频率，使V/F等于常量，即所谓V/F控制。

2、转差频率控制

V/F控制虽然结构简单，但由于是开环控制方式，其精度和动态特性都不理想。尤其是低速区电压调整比较困难，难以得到较大调速范围。若在对异步电机进行控制中，能够像控制直流电机那样，用直接控制电枢电流的方法控制转矩，就能得到与直流电动机同样的静、动态特性。而转差频率控制就是这样一种直接控制转矩的方法。

3、矢量控制

矢量控制是将异步电动机的定子电流分为产生磁场的电流分量（励磁电流）与其相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流）并分别加以控制。由于这种控制方式必须同时控制异步电动机定子电流的幅度和相位，即控制电流矢量，这种控制方式称为矢量控制。矢量控制变频技术实现了对异步电动机的高性能控制，不仅在调速范围上与直流调速相匹敌，而且可以直接控制电动机产生的转矩。所以在工控领域得到广泛应用。

二、DTC变频技术特点与应用

变频技术经过30多年的开发与应用，使日趋完善的矢量控制技术在交流电机变频调速系统得到了广泛应用，也使交流电机调速达到并超过传统的直流电机调速性能。

八十年代中期，德国鲁尔大学M.Depenbrock教授提出了不同于矢量控制的另外一种交流电机调速控制原理—直接转矩控制（简称DTC），与矢量控制相比，具有以下不同特点：

不需要旋转坐标变换，有静止坐标系上控制转矩和磁链；

采用砰-砰控制；

DTC与脉宽调制PWM技术并用 。

转矩响应快 。

DTC的出现引起国内不少高校对交流电机控制理论的研究，对DTC理论与实践作出了贡献。DTC在中国应用初期，人们的视角多集中在DTC的不用旋转变换和砰-砰控制上。随着计算机技术的飞速发展，矢量控制的旋转坐标变换技术实现已不成为问题，而由于DTC技术应用实例仅局限于GTO电压型变频器的机车牵引传动，使得国内学术界和变频器制造商没有条件对实用的DTC技术以及DTC变频器的静态和动态特性进行深入研究。

DTC变频技术采用砰-砰控制带来较好的转矩响应，适用于交流伺服传动、机车牵引等控制系统。

三、DTC变频技术在煤矿电机车上的应用

电机车是煤矿生产运输系统主要设备，普通矿用架线式电机车采用直流电机驱动，存在直流电机损坏率高、触头式司控器维修量大、降压电阻耗能高等问题，而DTC变频技术在牵引机车所表现的优越性能，非常适于矿用架线式电机车的改造。

矿用架线电机车改造，是在主体机械结构保持不变的基础上，将原机车上的直流电机更换为三相异步电动机。电机车主传动系统采用交流传动技术，司控器改为相应的变频司控器。变频器采用隔爆兼本安型变频调速装置，它是一种集变频调速技术和电气防爆技术于一体，用于有爆炸危险场所电机调速的产品。具有多种控制和保护功能，以全新的设计线路，将变频技术、中压三电平技术、隔爆及本质安全技术相结合，采用国际最先进的DTC低速高转矩变频调速技术，将电网直流电通过大功率IGBT元件逆变为频率可调的三相交流电，驱动三相异步电动机。由于采用DTC控制技术，使三相异步电动机大大超过直流电机的起动转矩和牵引特性，使机车带重载起动强劲有力。

四、改造前后效果比较

（一）矿用架线式电机车在改造前存在主要问题

1、直流牵引电动机转子线圈易因绝缘下降、过流，转子换向铜头磨损，碳刷磨耗，碳粉清理不及时等原因烧损，故障率高、易损件经常更换，维修费用大。

2、控制器的接触组触头、截片易在通、断操作过程中拉弧烧损，要经常打磨甚至更换，维修量很大。

3、直流牵引电阻调速机车或斩波调速机车，没有在下坡道运行对牵引电网发电反馈功能，所以直流牵引架线式电阻调速机车，在启动和减速制动过程中的电力白白消耗在电阻上而造成浪费。

4、直流电阻调速机车有级调速对机械传动系统有冲击力，极易造成齿轮的损坏。手制动使用频繁，闸瓦磨损快，经常需要更换。牵引电机及配件、启动电阻故障率高，维修量大。

（二）采用DTC变频技术对矿用电机车进行改造后，整体性能明显提高

1.增强牵引电机可靠性

三相异步变频调速电机，可靠性高，鼠笼式转子没有换向铜头和线圈，密闭性好，不易因潮湿等原因降低绝缘而损坏，没有碳刷的消耗，维修量小，故障率低，运行费用少。

2.减少控制器维修量

变频调速控制器的换向、调速是由无触点开关和长寿命电位器等组成，维修量小。

3.增大牵引力及爬坡能力

直流牵引电机转速随负载变化而变化，过载能力小，相同粘着条件牵引力小。只适用于11‰以下坡度线路上运行，没有零速制动功能，在大坡度轨道上停车，手动制动时间来不及，可能造成向下滑行。交流牵引电动机采用DTC直接转矩控制，使机车在相同的粘着条件下具有较大的牵引力，可以牵引车辆在60‰的坡道上运行，自由制动停车和再启动上行。

4.机车传动系统维修量小

交流牵引变频调速电机车，频率和速度变化，约在5秒内缓慢上升，对传动系统的冲击小。在正常运行、减速停车过程中，手制动基本不用，闸瓦近乎无磨损。交流异步电机故障率低，维修量小，且免去启动电阻。与传统直流牵引电机车比较，维修量大大减少。

5.经济效益

应用DTC变频技术对矿用电机车进行改造后，与传统直流电阻调速机车相比，耗电量明显降低，节电率可达35%以上，并且减少了机车维修量和运行成本。以7吨架线电机车为例，驱动电机功率2×22kw，每天运行18小时，年节电11.3万kwh。公司已完成改造17台电机车，每年可節电192万kwh，减少机车驱动电机、电机调速器及闸瓦的维修材料费及工时费25.5万元。