矿用架线电机车技术改造与应用研究

许桂云，董 明，王永红

（1.重庆机电职业技术大学机械工程学院，重庆 402760；2.四川川煤华荣能源股份有限公司太平煤矿，四川攀枝花 617014）

0 引言

矿用架线电机车是目前我国煤矿及金属非金属矿山平巷运输常用的列车牵引设备，在矿山运输设备中占据重要位置，担负着煤炭、矿石、材料、设备等繁重的运输任务，主要用于低瓦斯矿井使用不燃性材料支护的进风运输大巷。据了解，国外主要采煤国家的电机车向大吨位、高速度、微机控制方面发展，科技含量高的新型机车如无人驾驶电机车、双驾驶室正向驾驶电机车都已在煤矿井下使用，瑞典、美国、波兰等国家已经开始研制和使用能自动装载、卸载、无人驾驶运行的、全自动化控制的电机车运输设备。我国已经研制出了大吨位、双驾驶室正向驾驶电机车、架线式变频调速电机车、带自诊断系统的免维护机车、节能环保型矿用窄轨电机车等并投入使用。但是，我国目前仍有部分矿山企业采用电阻调速方式的架线电机车，鉴于其耗能且存在安全保护不完善等问题，国家及行业政策要求淘汰落后设备、禁止使用电阻调速方式的架线式电机车。因此，当前仍使用电阻调速方式的架线电机车的单位，为避免重新购买新设备，节约成本，实施架线电机车控制器调速方式技术改造是最佳方案。

1 实施电阻调速架线电机车技术改造的原因

1.1 电阻调速的架线电机车的缺陷

电阻调速架线式电机车采用直流电动机牵引、凸轮控制器电阻调速方式控制，调速方便、控制容易。在20 世纪60 年代到80 年代，直流串激电动机机械特性曲线好、电阻调速方式简单，应用较广。但是，受当时技术的限制，电机车的启动、调速是在电机回路中串接电阻来实现的，耗能较高，而且调速过程中动、静触头易烧蚀，故障率高，维修量及维修费用高。另外，启动力矩小、保护不完善，在使用过程中甚至发生过司控器内火花灼伤驾驶员的事故。

1.2 国家及行业政策要求淘汰落后设备

随着科技不断进步，国家加大安全生产管理力度，提倡以人为本、绿色发展理念，中国统配煤矿总公司将脉冲调速列入“八五”推广项目，要求“八五”期间在用电机车全部改用脉冲调速，生产的新机车须脉冲调速[1]。国务院、国家安全监管总局、国家煤矿安监局分别发布了淘汰落后生产工艺装备和产品指导目录、禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录，对架线电机车规定了禁止使用期限。

2010 年，国务院《关于进一步加强淘汰落后产能工作的通知》、工业和信息化部发布公告《部分工业行业淘汰落后生产工艺装备和产品指导目录》（2010 年），规定淘汰3 t 直流架线式井下矿用电机车。2018 年12 月28 日，国家安全监管总局、国家煤矿安监局关于发布禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（第四批）的通知规定，使用电阻调速的架线电机车自发布之日起禁止新选用、采购，在用设备自发布之日起2 年后禁止使用。禁止使用的原因是：通过调整电阻阻值进行调速，消耗大量能量。替代产品或工艺有采用变频或直流斩波调速电机车等。

因此，对尚在使用的电阻调速的架线电机车实施技术改造迫在眉睫。

2 架线电机车技术改造历程

我国电机车的生产发展史约有50 多年，建国初期，架线电机车采用电阻凸轮调速，随着电子技术的发展，电子行业及电机车使用企业、生产单位研发和应用可控硅斩波调速、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）调速、变频调速技术对电机车进行技术改造，取得了很多成功经验。

2.1 矿用架线电机车可控硅脉冲调速装置改造

20 世纪70 年代初，得益于电子行业的发展，可控硅脉冲调速技术得到应用，部分企业采用电子元件自制控制器及电抗器，对电阻式架线电机车控制器进行技术改造。例如：1971 年10 月至1972 年6 月，北京矿务局王平村先后改造了两台可控硅电机车投入使用，1972 年、1975 年，枣庄矿务局田屯矿、武钢灵乡铁矿电机车革新小组分别将7 t 架线式电机车改造为可控硅脉冲调速电机车，经过运行，节能效果较好[2]。但是，由于当时可控硅的质量不过关和保护电路不够完善等，该技术并没有得到进一步的推广。

20 世纪80 年代至21 世纪初，随着国产可控硅元件质量的提高和电子技术的发展、研究人员的开发，脉冲调速产品质量不断提高、性能逐步改善，国内有关厂家研制出了矿用架线电机车可控硅脉冲调速装置，如淮南矿业学院设计、温州三溪矿山电器厂生产的KTT-550 型调速装置，山西矿业学院研制、衡水无线电厂生产的KTT-250 型调速装置、北京煤炭矿用设备厂生产的KTA2 型调速装置、湘潭电机厂生产的QPK20-1B、1BTH 斩波控制器等[2]。1989 年至1996 年，淄博矿务局先后对全局160 多台电机车电阻凸轮调速控制器进行了可控硅脉冲调速改造。据使用单位统计，改造后一台7 t 电机车每年节电38 556 kW·h，而且起动平稳，安全可靠[3]。2006 年9 月，河北衡水泰昌矿山电子设备厂研制成功一种应用于化工矿山直流架线电机车上的新型可控硅调速装置，在并投放市场，机车启动平稳、调速均匀、过载能力强，与电阻式调速装置相比，节省电能25%，仅1 台8 t 电机车年节约1 万元。但是由于可控硅元件在矿山井下恶劣的环境里要面对粉尘、潮湿、路况颠簸、电压波动、集电弓跳弓等考验，整机性能可靠性差[4]，电机车使用企业的积极性受到影响，为下一阶段IGBT 直流斩波调速器的应用留下了市场空间。

2.2 架线电机车IGBT 直流斩波调速器应用改造

早期产的直流斩波调速器主电路开关器件用可控硅，整机可靠性差，在架线电机车上一直没有得到很好的应用。随着电子技术的发展，兼有MOSFET 的高输入阻抗和GTR 的低导通压降两方面优点的IGBT 用到直流斩波调速器上，具有节能效果好，启动力矩大、工作可靠等优点。90 年代初，攀枝花市煤业（集团）公司应用IGBT 直流斩波调速控制器对架线电机车进行技术改造，但是，由于当时的控制器保护功能不全，IGBT 模块易发生故障，未能长期使用。至21 世纪初，保护功能齐全、整机可靠性高的控制器投入使用，IGBT 直流斩波调速器进入推广应用阶段，如2006 年在山东煤业集团公司、2013 年在山东钢铁集团金岭矿业公司、2015 年在开滦(集团)有限责任公司赵各庄矿业公司、2017 年在兖州煤业股份有限公司兴隆庄煤矿等都得到较好的应用[5-6]。IGBT 斩波调速系统由斩波器主机箱、平波电抗器、制动电阻器、司机控制器组成，拆除机车原电阻器，将斩波器主机箱和制动电阻器安装于机车尾部原安装电阻器处，司机控制器及平波电抗器安装于司机驾驶室，改造后的电机车具有无级调速、启动力矩大、机车启动及运行平稳、高效节能，保护功能全，每台10 t 电机车改造费用4.8 万元，每台节能20%，每年可节约备件费0.8万元，安全性能较以前有所提高，控制器无火花，保证了操作人员的安全。

2.3 架线电机车变频调速装置的应用

20 世纪90 年代末至21 世纪初的十多年间，在电力电子和微电子技术的强大支持下，变频调速技术发展较为迅速。变频器用于交流电机（异步电机或同步电机）转速的调节，尤其是直接转矩控制技术（DIRECT TOROUE CONTROL），在矿山、机械、冶金等多个领域得到迅速推广。不仅具有优良的调速性能，而且节能效果明显，和直流调阻电机车以及直流斩波电机车相比具有无可比拟的优越性。

据徐州煤矿机械厂科技开发部介绍，首台ZK1O-6/550 型直流架线式变频调速电机车诞生于2000 年3 月，按淮北矿业集团朱庄煤矿使用统计，年节约电费8.5 万元，节约设备维修费1.8 万元。采用专用TJY 系列交流电机替换原直流电机，控制系统采用DTC（零转速满转矩的直接转矩控制技术）变频调速器。该DTC 变频器控制技术，可使三相鼠笼式异步电机达到和超过直流电机的启动转距，实现零转速大转矩启动，转矩可达200%以上，可满足电机车在低速时最大启动牵引力。实现真正的无极调速，频率可从0.1 Hz 调到100 Hz[7]。2014 年，安徽富凯矿业有限公司应用DTC 变频调速器改造架线电机车，改造后机车电气故障率降低，维修量减少，可靠性提高，备件消耗减少，比原直流电机车节能30%以上[8]。

2014 年11 月，四川川煤华荣能源股份有限公司太平矿利用DTC 变频调速技术，采用BPK-2x30/550、TSK-24 型变频调速装置对12 台ZK10-6/550 架线电机车进行技术改造，用于架线式电机车的启动、调速、制动、换向。用变频调速装置取代原有10 t 电机车司控器和电阻，拆除两台ZQ-24 直流电机，更换两台YVF-22Q 型的三相变频调速电机。改造后电机车额定转矩可为300%，实现无级变速，可控频率范围为5～50 Hz，可以设定最高车速限制（例如：实际车速设定为4.5 m/s，即使该车在下坡道运行，其车速也不会超过4.5 m/s），避免了超速飞车事故的发生。10 t 电机车改造费用5.91 万元/台，包括变频器主机、两台变频调速牵引电机（YVF-22Q(380/220)、制动电阻（DZK-50/550）、直流变换器（DHKZ-24/550）等，带离座闭锁座椅KBXC-5/127-1、DGY12/110LX(A)LED 照明信号灯、电子喇叭DLEC-24、QDS-350/550 自动开关、QNG3-200/550集电弓。改造后每台车每天节约电能118.9 kW·h，年节约电费21 699.25 元，年节约维修材料费及工时费1.5 万元。变频调速器无触点，维修量小，具有过压、欠压、过载、短路、缺相、温度等多重保护功能，可实现电机车频繁启动、制动和调速的要求，节约人工、材料费的同时，与传统直流电阻调速电机车相比节约电能30%以上。曾使用过4 个厂家的产品，其中湘潭新昕公司和巨大矿业有限公司的变频调速装置使用效果较好。

3 IGBT 直流斩波调速器及DTC 变频调速器改造方案比较

经过对我国架线电机车技术改造历程分析研究，架线电机车的调速方式经历了电阻调速、可控硅斩波调速、IGBT 斩波调速、变频调速4 个阶段。目前按国家要求，推荐采用IGBT直流斩波调速器或DTC 变频调速器，两种技术改造方式各有优缺点。

（1）采用IGBT 直流斩波调速器。无需更换牵引电机，但是要更换司机控制器及增加直流斩波调速器、平波电抗器，每台10 t 电机车改造成本约4.8 万元左右。

优点：具有无级调速、机车启动及运行平稳，具有延时软起动保护、欠压保护、两级温度保护，与电阻调速器相比可节能20%以上；斩波调速改造比变频调速改造费用低；维修相对简单，更换模块即可。

缺点：直流电机启动力矩小，与交流电机相比维修量较大，节能效果比变频调速器差。

（2）采用DTC 交流变频调速器。将2 台直流串励电机换成2 台变频调速牵引电机，启动电阻更换为制动电阻，增加交流牵引逆变器等，每台10 t 电机车改造成本约5.91 万元左右。

优点：具有无极平滑调速，调速范围宽广，有欠压、过压、过载、防飞车等多重保护功能，安全性能更佳；电机启动力矩大；高效节能，与电阻调速器相比可节电30%以上。

缺点：技术改造的费用大，改造时间长，投入成本高；对维修人员有一定技术要求，特别是初始程序调试较难，但后期维护较简单。

4 结论

通过对我国架线电机车技术改造的情况分析，以及采用IGBT 直流斩波调速器及交流变频调速器对架线电机车进行技术改造的应用说明，IGBT 直流斩波调速器初期投入成本低，但是后期使用过程中节电效果不及变频调速装置，维修费用较变频调速装置高，变频调速器虽然前期投入成本高，不过在使用过程中，节能效果显著、故障率低、维修量小、寿命长、安全性能更好。因此，对架线电机车实施变频调速改造长期效益更明显，目前生产厂家生产的变频调速电机车应用前景良好，对架线电机车实施技术改造技术成熟，切实可行。改造后的电机车技术条件满足《矿用窄轨架线电机车技术要求》（MT/T 1064—2008）和《窄轨架线式矿用电机车通用技术条件》（JB/T 10772—2007），经过制动距离测试，符合《煤矿安全规程》的相关要求。