文档介绍：第1章绪论
研究的目的与意义
随着经济的高速发展,我国对能源、矿产资源的需求量与日俱增,然而在开采过程中,运输设备的运输能力是影响产量的一个极其重要环节。在我国现阶段,矿用运输设备大多数是直流牵引架线式机车和蓄电池式机车,一般采用电阻降压方式调速,调速器结构复杂,在触头开关状态下频繁动作,从而造成触头接触不良、噪声大、器件使用寿命短、维修量大,且由于调速是带电阻运行,造成电能的极大浪费,其高昂的运输成本和严重的安全隐患已成为进一步提高产量的瓶颈。
针对这一行业难题,本课题研究的目的和意义在于,依托电力电子、微电子技术、计算机技术的强大支持,采用变频调速技术对架线式电机车进行技术改造,以彻底解决直流电动机损坏率高、触头式调速器维修量大、降压调速电阻耗能高等问题,从而进一步提高电机车的运行质量。方法是将三相交流传动技术应用在电机车领域,使交流电动电气控制系统通过直流接触网供电,经由一台牵引变频器将直流电变成频率电压可调的三相交流电,控制驱动两台牵引电动机,从而牵引电机车的运行,其变频调速在技术上具有效率高、调速范围广、调节精度高等优点,是窄轨电机车理想的调速方法,同时在其运行中又具备粘着性好、牵引力大、可靠性高、维护费用少等优点,因此交流传动电气控制技术的应用前景广阔,特别适用于地铁建设、采掘产业、煤炭工业、有色金属业和隧道工程等行业的轨道运输及井下巷道等窄轨铁路的运输牵引。

电机车要求传动电动机能正反转,起动力矩大,快速制动,停位准确,调速范围大,精度高,响应快,而直流串励牵引电动机由于起动性能好、调速范围宽、过载能力强、功率利用充分以及调速简单等优点,因此除了原瑞典ASEA公司在70年代为美国科罗拉多州Henderson钼矿提供的24辆LGT一45型机车采用他励牵引电动机外,三十年来,其他窄轨工矿电机车基本上是采用直流串励牵引电动机。
尽管如此,但由于直流电动机的换向器及电刷在大容量方面问题较多,而且维护工作量大,在1970年以后开始逐步用交流同步机及感应机变频调速代替直流电动机调速。随着电力电子技术和微电子技术的进步,采用调频调压(VVVF)逆变器(以下简称变频器),解决了异步机的调速问题,使异步牵引电动机正在逐步取代直流串励牵引电动机。这主要是因为异步机不存在换向器和电刷这些需经常维护的零部件,结构简单又可靠等优点,交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节能、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。交频调速以其优异的调速和起制动性能,高效率、高功率因数和节电效果,广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
在电力牵引领域的现代机车上,已越来越多地采用微机控制的三相交流传动技术。这已成为衡量机车车辆是否达到现代水平的重要标志。在我国,城市轨道车辆(地铁和轻轨车)都要求交流传动。铁道部对干线电力机车也提出在2008年前完成从直流传动向交流传动转换的要求。这也是新一代窄轨工矿电机车的发展趋势。
由于异步牵引电动机必须采用变频器来调速,而变频器则与所选用的电力电子器件密切相关。这是因为变频器要比斩波器所需器件要多,因而故障率也会增多。所以,要改善交流传动车辆的各项性能指标,应当选用自关断电力电子器件。
交流电传动车辆的变频器,选用何种器件及其主电路方案是首先要解决的课题。在20世纪90年代前期,可关断晶闸管(GTO)在日本已达到4500V、2000~3000A的水平。所以,在直流1500V车辆上广泛采用GTO变频器。而当时绝缘栅双极晶体管(IBGT)最高研制水平是2000V、500A水平。但IGBT是电压控制型器件,驱动电路和吸收电路简单、功耗小、易冷却、噪声低,还具有耐短路电流的功能。加上窄轨工矿电机车的供电压低,因此,无疑应选用二点式IGBT变频器的主电路。
随着电力电子器件继续向大功率化、高频化、模块化、智能化方发展,与4500V级GT0相当的3300V、1200A IGBT模块已用在直流1500V车辆上构成小型、高效的二点式逆变器。随后,又相继开发了智能功率模块(IPM)。它是将IGBT作为功率开关,含有电流传感器、驱动电路及过载、短路、超温、欠电压等保护功能,具有体积小、重量轻、可靠性高和使用维护方便等优点。因此IPM变频器电路更简化,功能更齐全,也实现了高可靠性和小型、轻量化。预计IPM变频器将会在各种电力牵引车辆上获得推广应用。
在电力牵引领域中,较普遍地采用以下三种控制策略:转差频率控制、矢量控制(VC),直接转矩控制(DTC)。日本东洋电机公司为北京地铁提供的交流传动车,采用转差频率控制。这种控制在技术上较易实现