(长沙矿山研究院有限责任公司 长沙 201509)
摘 要：矿用直流电机车调速装置性能试验是其所有工作特性中最重要的一项。而负载柜是性能试验中必不可少的设备之一。本文以直流斩波调速装置、矿用电机车司控器为试验对象，满足矿用直流斩波调速装置和矿用电机车司控器的试验需要，设计了一套大功率无感负载柜，能覆盖目前所有矿用直流电机车调速装置性能试验的要求。
关键词：调速装置、性能试验、大功率无感负载柜
Abstract：The performance test is the most important one in all the working performance of the speed regulating device for the mine. The load cabinet is one of the indispensable equipment for mine DC speed regulating device in the performance test. In order to meet the need of the test of the mine DC chopper speed control device and the control device of the electric motor vehicle, In this paper, the control device of the DC chopper speed regulator, the motor vehicle driver for the test object, a set of high power load cabinet is designed, which can cover all the requirements of the performance test of the speed regulating device of the mine DC motor.
负载柜的主要作用为模拟工况即通过改变电压得出相应电流。根据直流斩波调速装置、电机车矿用电机车司控器的标准要求，分别有导通比试验、温升试验、限流保护试验及通断等试验，其电压、电流要求如下表1、表2所示。从表1中可以看出，直流斩波调速装置性能试验要求电压等级多，电流变化大。而从表2可以看出，矿用电机车司控器性能试验主要为通断试验跟温升试验，对电流、电压、时间常数都有要求。
直流斩波调速装置的额定电压从42V到550V，额定电流范围在42A至270A之间，而矿用电机车司控器的额定电压从24V到550V，额定电流从1A到270A，再根据表 1、表2中性能试验的要求，其所有性能试验电压等级的范围为29.4V~660V，电流的范围为4.2A~540A。电感范围为11.6mH~19.8H。
目前市场上的负载柜一般按功率大小分档，电流可变而电压等级不多，这种负载柜不能完全满足矿用直流调速装置性能试验的要求，而采用一套负载柜满足所有试验参数的要求不仅电阻数量多、操作复杂，而且经济性也不高。因此，本文采用电压分档的方式，对不同电压等级、电流大小的情况单独考虑。
1 负载柜的设计原理：
本文按电压等级将负载柜分成4个档位，它们分别为0V~100V档、100V~200V档、200V~400V档、400V~700V档。而在电流方面，需要确定一个最大电流值，然后按照“1、2、2、5”方式的规则进行分档，这样就可覆盖从0A到最大电流值之间的任意整数电流值。这样分档的好处是在电阻的额定电压下，可以通过档位开关的切换，实现电流连续地可调，电流的最小分辨率为1A。而在电阻的非额定情况下（试验电压低于额定电压），试验电流按电压的比例变化，最小分辨率会更高，这样有效地保证了矿用直流调速装置性能试验参数要求及更大的调节范围。
在电阻的非额定电压情况下，任意一一对应地电压值和电流值都能通过换算变成电阻的额定电压与对应电流值，其公式如下：
其中，U1为试验电压值，I1为试验电流值，Ie为额定电压下对应电流值；Imax为电流最大值；
在同一电压档位下，最大电流值（Imax）必须大于或等于对应电流值（Ie）。这样不仅保证了电阻的功率，避免了小电压大电流下阻值无法调出和电阻过载发热等情况，也保证了任意档位下，无论试验电压是否为额定电压，都能经过换算得出对应的电流值，再通过开关的切换实现对试验电流的连续可调。因此，在操作负载柜时，因先确定其电压档位，再把试验电流换算成额定电流值，只有确认了额定电流值才能通过开关的切换达到试验要求。
2 电阻元件的选择：
由于电阻的温漂、电感值会对直流斩波调速装置和矿用电机车司控器的温升试验、矿用电机车司控器的通断试验产生影响，因此，本文选择了大功率、低温漂、无感值的波纹电阻。该电阻由铁烙铝电阻丝绕成，电阻丝为立式波纹，有利于散热减低寄生电感量。其特点为功率大、温漂低、低感值、使用寿命长。
根据上文可知，本文按电压等级把负载柜分成4个档位，分别为0V~100V档、100V~200V档、200V~400V档、400V~700V档。为了保证负载柜的安全运行及使用寿命，本文选择了额定电压分别为110V、220V、430V、700V的波纹电阻，保证了在进行每种性能试验时任何档位下的电阻都不会发生过载、过压的情况。由于受到电阻制造尺寸的限制，在一定尺寸的情况下，电阻的功率是一定的，其阻值也有一定的范围。因此，按照上文对电流1A、2A、2A、5A、10A、10A、20A、50A、100A、200A、200A的分档规则，不能制作出同种尺寸，满足所有电压、电流的电阻。特别是大电流时，需要多个同规格电阻并联来实现。考虑到安装的方便，所有的电阻采用相同的尺寸。而电阻选型时，在尺寸确定的情况下，电阻的额定功率应尽可能地大，阻值尽可能地小。这样能减少电阻的数量。
按照电抗器的分类可分为铁芯电抗器和空心电抗器。通断试验标准要求在τ≥10ms时，才允许使用铁心电感，其他情况要用空心电感。而矿用电机车司控器的时间常数为15ms,本文采用空心电感，是因为空心电感不会因为磁饱和产生的电感值骤降。
3负载柜结构设计：
图1 负载柜外观图
图1为负载柜的外观图，从图中可以看出，负载柜按照电压分档分成四个柜体。而刀闸开关安装在柜门上，且开关与柜体用绝缘板进行绝缘。风机安装在负载柜左面，用于对电阻散热。
对于负载柜的结构，主要是考虑电阻的接线方式及铜排、风机安装等方面。上文中提到把多个电阻并联起来当做一个电阻块来使用，因此，负载柜的接线方式以并联为主。但矿用直流调速装置以斩波调速装置为例，有一路输出工作，也有两路输出同时工作。对于斩波调速装置两路输出同时工作而言，如果负载柜只有一路输出，就需要两套负载柜。这样，不仅占用场地大、电阻利用率低而且经济性差。因此，本文采用两路输出的方式，电阻接线示意图如图2所示。
图2 电阻接线示意图
上图中的Ri为不同电压等级、不同功率大小的电阻块，它们可以通过开关的切换，任意并联在L1或L2回路中。L1、L2两回路能单独使用或同时使用。由于选择电阻时已经考虑到两路同时使用的情况，所以不用担心电阻功率不足的情况。当遇到一些特殊型号做性能试验时，可能会遇到高电压低电流的情况，可以通过电阻块的串联来解决。如上图所示，该负载柜最多能通过开关的切换，串联3个电阻块。如果还不能解决问题，建议买几组大功率大阻值的电阻。
从上文可知，负载柜采用了电压分档的方式，本文要加以分类分块。以100V~200V档位为例，该档位的电阻的额定电压为220V，最大电流值为550A，电流分档方式按照1A、2A、2A、5A、10A、10A、20A、50A、100A、200A、200A的规则分为8档，其对应的阻值分别为220Ω、110Ω、44Ω、22Ω、11Ω、4.4Ω、2.2Ω、1.1Ω。
考虑到电阻尺寸对功率、阻值的限制及负载柜加工的局限性，同一档位下的电阻均是采用同一种尺寸相同功率不同阻值的电阻。在100V~200V档位中的电阻，其额定功率为2.2kw，对应阻值分别为220Ω、110Ω、44Ω、22Ω。为了满足试验要求，必须通过多个电阻并联的方式，形成电阻块整体来使用。电阻块中的电阻只能当做整体使用，而电阻块本身能单独使用，也可以串并联使用。由于矿用直流调速装置的特殊性，以斩波调速装置为例，会有一路或两路同时输出的情况，所以电阻选型时要考虑两组独立不重复使用的电阻块，对所有性能试验参数都要满足，特别是过载试验。
图3 矿用直流调速装置性能试验负载柜内部图
上文所提的电阻块可从图3中看出，它是由前后侧面的铜排及接至铜排的电阻组成。图3下方有四根铜排，它们是L1、L2正负极的四条母线。电阻块与铜排通过电缆都接至刀闸开关，这样通过刀闸开关的开断就能实现对电阻块的串并联。
铜排、电缆的载流量与其截面积有关，考虑到负载柜的长期稳定运行，本文按载流量与其截面积之比为4：1选择铜排、电缆型号。
总结
本文根据矿用直流调速装置这类产品的技术参数及性能试验要求，设计了一套能全覆盖以斩波调速器为主的矿用直流调速装置性能试验的负载柜。该负载柜已作为试验负载，完成了安标中心对本中心试验台斩波器、司控器试验能力的评审和完成了对ZKT-2×125/550、ZKT-2×150/250这两种型号斩波器的安标评审任务，取得了不错的效果。
参考文献
[1]胡月波.李智华.郑昌陆.矿用调速器输入端安全系统的设计[J].煤矿机械，2015(01).
[2]陈同宝.章伯超.黄建强.张建.煤矿机电产品检测技术煤炭学报[J].2010(11).
[3]魏德育.柴光远.白生威.基于MATLAB矿用电机车的斩波调速系统仿真研究[J].煤矿机械,2007(05).
[4]席波.杨杰.矿用蓄电池电机车调速系统性能对比及效益分析[J].煤矿机械，2012(03).
[5]赵四海.周杰.矿用隔爆兼本质安全型不间断直流稳压电源的设计[J].工矿自动化,2012(04).
[6]汪浩.矿用电机车脉冲调速的失控及故障处理[J].煤矿机械,2010( 06).
[7]夏文刚. 矿用直流开关通断试验系统[J]. 煤矿安全,2014,7.
[8]韩明武.马吉志.刘兆元.矿用蓄电池式电机车斩波调速改造[J] .煤矿机械, 2007(09).
作者简介
刘东（1990.1-），男，湖南长沙人，湖南长沙矿山研究院硕士，单位：长沙矿山研究院有限责任公司，研究方向：控制理论与控制工程
翟守忠 职称：教授级高级工程师 单位：长沙矿山研究院有限责任公司
论文作者:刘东,翟守忠
论文发表刊物:《电力设备》2015年第12期供稿
论文发表时间:2016/4/26
标签：电阻论文; 负载论文; 电压论文; 电流论文; 装置论文; 档位论文; 性能论文; 《电力设备》2015年第12期供稿论文;