永磁同步蓄电池电机车研究推广

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摘要：本文介绍了煤矿主运输水平大巷应用永磁同步蓄电池电机车情况，简要叙述永磁同步电机车与传统蓄电池电机车的对比所展现的优点，永磁同步蓄电池电机车技术关键研究、创新点及推广应用的效益。

关键词：运输；永磁同步电机；蓄电池机车；应用；技术创新

中图分类号：TM3 文献标识码：A

1.现状

矿用蓄电池电机车是煤矿生产的重要运输工具之一。目前煤矿上所用到的传统蓄电池电机车普遍采用直流串激电动机作为牵引电动机，由于矿用蓄电池电机车要经常工作于加减速运行状态，因此为了限制起动电流和改变运行速度。随着电力电子技术的飞速发展，采用可控硅脉冲调速方式调速范围能够达到5％～90％，起动效率和调速效率也提高了20％左右，但是由于晶闸管的技术性能差，导通容易但不能自行关断，因而在调速过程中会出现失控现象。所以，蓄电池电机车的调速方式的改进是非常必要的。

随着交流调速技术的日趋完善，直流电动机和交流电动机相比的缺点日益显露出来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。CTY型永磁式电机车，采用永磁同步电动机和永磁同步电动机调速器，电动机四象限运行，实现电气制动和机械制动双制动，电气制动时电能逆变回馈电瓶，节约电能34%，调速方式永磁同步电机调速，反向制动功能，避免电机车司机打倒把损坏控制器、产生机械冲击损坏电机车。调速器具有速度、电压显示、蓄电池欠压保护功能。具备防电瓶过充过放功能保护，可延长电瓶使用寿命。

2.直流电动机与永磁同步交流电动机比较

将直流牵引调速电机车与永磁同步牵引调速电机车进行了对比，对比结果如下表所示：

序号 项目 直流牵引调速电机车 永磁同步牵引调速电机车

1 安全 直流牵引电动机系统没有电制动功能，制动完全依靠机械摩擦制动，司机的反应时间较长，制动距离长。 永磁同步牵引电动机具有电制动功能，制动力矩大，制动的反应时间短，因此相同的工况下，制动距离要短，提高了机车的安全性能。

2 牵引电机可靠性 直流牵引电动机转子线圈易因绝缘下降, 过流等原因烧损,转子换向铜头磨损,碳刷磨耗,碳粉清理不及时等原因,故障率高易损件更换维修费用大. 永磁同步牵引电动机的转子为永磁稀土材料和硅钢片等组成，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损坏,没有碳刷的消耗,可靠性高，所以几乎没有维修量,故障率低, 运行费用低.

3 控制器维修量比较 直流牵引机车采用斩波调速控制器,实现机车的启动,调速,停车.控制器的接触组触头,截片在通,断操作过程中拉弧烧损,要经常打磨甚至更换,维修量很大. 永磁同步电动机的调速器采用无极调速，控制器采用集成度和可靠性极高的DSP控制芯片及IPM驱动模块。

4 电力消耗 直流牵引电阻调速机或斩波调速机车,没有在下坡道运行对蓄电池机车的电源装置的发电反馈功能,所以直流牵引架线电阻调速机车的电力在启动和减速制动的过程中白白的消耗在电阻上,同时直流牵引电动机系统的效率比较低。 蓄电池机车采用永磁同步电动机系统，在机车减速的过程中可以对电池组进行充电,大部分的机车势能得到回馈，可以极大的延长电池组的放电时间,提高续航里程，既节约了电力又节省了充电作业时间，同时延长电池的使用寿命.

5 调速性能 直流牵引电阻调速电机车是通过增减并电阻和牵引电机的串并联来调速,直流牵引电机的转速是随负载变化的,在下坡运行时易造成飞车出轨事故,司机操作突然加速可能造成调速器和牵引电机的损坏 永磁同步电动机系统为无级调速,调速均匀,牵引电机按调速手柄给定大小控制电动机系统的力矩增减,相当于汽车的油门控制，同时可以设定最高车速限制,即使下坡轻载也不会造成超速飞车。

6 牵引力 由于直流牵引电机的软特性,转速随负载变化,过载能力小,相同粘着条件牵引力小. 永磁同步电动机系统过载能力比较强，机车在相同的粘着条件下具有较大的牵引力,

7 经济效益 直流电阻调速机车,相同吨位蓄电池机车同样是耗电量大,维修量大运行成本高. 永磁同步电动机系统，无论是应用于架线或蓄电池式机车,突出的特点是节电,节电率可在40%以上。

3.技术关键研究

3.1适合煤矿蓄电池电机车使用电压等级和驱动能力的永磁同步电动机，采用永磁同步电动机实现煤矿电机车的驱动；

3.2以高性能数字信号处理器为核心，设计满足逆变器控制和电机车控制的调速器控制电路；

3.3解决电气制动问题，改变过去依靠机械制动方式，从而提高车辆的安全性并减少机械磨损，选用高性能的DSP为核心，设计专用控制电路实现电机车的驱动和制动控制；

3.4有效的抗振方法，提高控制器的使用可靠性和运行寿命；

3.4采用有效的散热技术，降低控制器的损耗，保证功率开关器件的安全可靠运行，满足防爆产品散热的要求；

3.6有效减少电机车的维修工作量，提高工作效率；

3.7将电池管理系统与传动控制系统相结合，有效提高电池的使用效率和使用寿命；

4.技术水平和难度、创新点

4.1技术水平和难度

目前，永磁同步电动机及其调速器，第一次将该技术应用到煤矿蓄电池电机车中，可以说，该技术的应用尚属首次，填补了煤矿运输系统的空白，在煤矿直流供电的车辆上处于国内领先水平。

该项目的技术难度表现在：

4.1.1永磁同步电动机的设计：包括电动机的电磁理论设计，低电压条件下大扭矩的永磁同步电动机的设计，永磁同步电动机隔爆设计等；

4.1.2蓄电池电机车用隔爆型调速器研制：采用目前工业领域最先进的IPM模块和DSP（高性能数字信号处理器）为核心，设计满足逆变器控制和电机车控制的调速器控制电路；

4.1.3研究有效的抗振方法，提高控制器的使用可靠性和运行寿命；

4.1.4设计专用控制电路实现电机车的驱动和制动控制：低速情况下驱动的的大力矩问题，同时解决电气制动过程中输出符合电机运行特性曲线的力矩，从而降低制动距离，提高机车的安全性能；

4.1.5低功耗技术研究：降低控制器的损耗，控制器的效率大于95%，同时研究采用有效的散热技术，保证功率开关器件的安全可靠运行，满足防爆产品散热的要求；

4.1.6蓄电池检测技术与调速器的控制技术相结合，将电池管理系统整合到传动控制系统中，确保电池不过放，制动过程中对电池进行能量回馈充电，有效提高电池的使用效率和使用寿命。

4.2技术创新

4.2.1理论创新：控制系统中通过研究控制理论和控制方法，采用电流调节器的快速调节,保证系统的快速响应，实行了电流调节器和电压调节器的双闭环控制, 从而保证了系统的电压精度和频率精度，通过对ID、IQ优化，保证了控制精度和系统效率的最优控制。

4.2.2应用创新：永磁同步电动机及其控制系统相对于直流电机及其控制系统具有效率节能、故障率低、减少机械磨损等优点，在窄轨蓄电池电机车领域还没有人研究，通过该项技术的应用，将对架线式电机车行业带来巨大的应用变革。

4.2.3技术创新：电动机采用稀土材料制成的永磁电动机，运行安全可靠、免维护，控制策略采用国内先进的矢量控制方案，利于提高各项电气性能指标。电机车采用永磁同步电机及其控制系统后，系统具有在制动过程中采取电气制动功能，大大提高机车运行安全性能。

5.社会、经济效益分析

5.1安全：按照国家煤矿行业标准MT491-1995《煤矿防爆蓄电池电机车通用技术条件》要求，5吨电机车单车的制动距离为9米，而永磁式蓄电池电机车的制动距离为3.2米；8吨电机车单车的制动距离为12米，永磁式蓄电池电机车的制动距离为4.3米；制动距离远小于普通的蓄电池电机车，提高了电机车的安全性能。

5. 2节能效果：永磁电机车额定系统效率为92.6%，远远超过现有电机车的系统效率（国家标准为60%），加上制动过程的能量回馈，系统节能将达到50%以上。当采用直流串励电动机及斩波调速系统时，蓄电池的续航里程为35公里，而采用永磁同步电动机的蓄电池电机车，其续航里程为58公里，比较而言续航里程延长了65%。

5.3延长电池使用寿命：永磁式蓄电池电机车当电池的电压低于额定电源电压的0.65倍时，电机车将报欠压并启动系统保护功能，杜绝蓄电池过放。

5.4维护费用：由于传统传动系统为直流电机，维护工作量大，永磁同步电机基本上是免维护电机，极大地提高设备的可靠性，同时控制系统的可靠性也要比现有的斩波调速要高，维护费用和维护工作量大大降低。

5.5永磁式蓄电池电机车的推广应用，带来了煤矿蓄电池电机车运输的历史性革命，大大提高了电机车运输的安全性能，年节约材料费用、维护费用20余万元，电能4000余度，具有较高的推广价值。