蓄電池電機(jī)車調(diào)速系統(tǒng)分析及其改造設(shè)計(jì)

1 引言

礦用電機(jī)車是煤礦工業(yè)的重要運(yùn)輸工具。由于煤礦井下的工作環(huán)境十分惡劣，對(duì)電機(jī)車的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求很高。然而，當(dāng)前礦用電機(jī)車采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴、故障率高、維修費(fèi)用大的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)還是采用的原始落后的電阻降壓調(diào)速方式，這種多級(jí)觸頭變阻調(diào)速器常因觸頭產(chǎn)生較強(qiáng)火花而燒損，所以維修量大。同時(shí)，電機(jī)車帶電阻運(yùn)行導(dǎo)致電能浪費(fèi)很大。對(duì)于高瓦斯礦井，普遍采用防爆型蓄電池電機(jī)車作為運(yùn)輸材料和矸石的工具。多年來(lái)，蓄電池電機(jī)車一直采用直流電動(dòng)機(jī)串電阻調(diào)速方式，從而使20～25%的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費(fèi)。特別是蓄電池電機(jī)車，由于電能消耗過(guò)快，使蓄電池的充電間隔縮短，蓄電池壽命減少。近幾年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已經(jīng)獲得圓滿的解決。交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電機(jī)的性能一樣，而且成本和維護(hù)費(fèi)比直流電機(jī)系統(tǒng)更低，可靠性更高。用交流電動(dòng)機(jī)取代直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速勢(shì)在必行，并且交流電動(dòng)機(jī)有著直流電動(dòng)機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。由于直流調(diào)速帶有電阻器運(yùn)行，電能消耗較大，交流變頻調(diào)速由于不用高耗能的電阻，節(jié)電率可達(dá)35%。如果電機(jī)車設(shè)置成再生回饋制動(dòng)，可以利用電機(jī)車減速或下坡時(shí)將電機(jī)發(fā)出的電能回饋給蓄電池，這樣可以大大節(jié)約電能，延長(zhǎng)充電時(shí)間。

2 異步電動(dòng)機(jī)的四象限特性及能量再生

三相交流異步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、造價(jià)低廉，效率高，節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用語(yǔ)蓄電池電機(jī)車的改造工程中。

由于礦用電機(jī)車工作于井下惡劣的環(huán)境中，調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、加減速等狀態(tài)，這樣一來(lái)，我們就能充分利用三相交流異步電動(dòng)機(jī)的四象限特性進(jìn)行調(diào)速制動(dòng)：第一象限和第三象限是電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，分別為正、倒轉(zhuǎn)；第二象限和第四象限是電動(dòng)機(jī)的發(fā)電狀態(tài)，分別為正、倒轉(zhuǎn)。由于蓄電池電機(jī)車采用的是直接轉(zhuǎn)矩的方式進(jìn)行變頻調(diào)速。

電機(jī)車在減速運(yùn)行過(guò)程或急剎車時(shí)都將發(fā)生能量再生。先假定三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中通以三相電流，極性為i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下標(biāo)：“1”表示定子，“2”表示轉(zhuǎn)子，字母上加點(diǎn)表示向量），該電流將在電動(dòng)機(jī)氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布，并以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)f1，如圖1。f1先建立氣隙主磁場(chǎng)bm（фm），bm是個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速no總是先于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降，即n0m切割定子、轉(zhuǎn)子繞組，并在定子、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出定子電動(dòng)勢(shì)e1a、e1b、e1c和轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)e2a、e2b、e2c，于是轉(zhuǎn)子回路中就有三相電流i2a、i2b、i2c。與氣隙磁通фm相互作用，產(chǎn)生了電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，方向與n0相反，制止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。i1形成的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f1，i2形成的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)f2。設(shè)相序?yàn)閍—b—c的定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)為逆時(shí)針?lè)较?，由于n0o。由于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此f2的實(shí)際轉(zhuǎn)速為n2=n-△n=no，方向?yàn)槟鏁r(shí)針，即f1和f2都逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速都為n2。換句話說(shuō)，f1和f2保持相對(duì)靜止，兩者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

異步電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載時(shí)氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)bm的正是這兩個(gè)相對(duì)靜止的磁動(dòng)勢(shì)f1和f2的合成磁動(dòng)勢(shì)fm作用的結(jié)果，即f1=fm+（－f2），此式表示：異步電動(dòng)機(jī)的定子磁動(dòng)勢(shì)包含兩個(gè)分量：產(chǎn)生氣隙主磁通φm的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)fm和抵消由于轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)f2的部分（－f2）。

因?yàn)閚00-n/n＜0，所以轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉(zhuǎn)子電流的有功分量i’2a《0，而轉(zhuǎn)子電流的無(wú)功分量i’2r》0。

異步電動(dòng)機(jī)處于減速時(shí)相當(dāng)于異步發(fā)電機(jī)，即其向量圖如圖所示。u1和i1之間的相角φ1》90°，此時(shí)定子的有功功率為負(fù)值，即定子繞組向直流側(cè)回饋電能，而定子的無(wú)功功率為正值。站在電動(dòng)機(jī)的角度上看，異步電動(dòng)機(jī)吸收了負(fù)的有功功率和滯后的無(wú)功功率，前者輸出給電網(wǎng)，后者用于勵(lì)磁。