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摘要:现如今,我国的经济在快速的发展,社会在不断的进步,为了研究不同励磁方式对采用脉冲宽度调制(PWM)斩波调速系统的矿用直流电机车的运行性能,以探究更适于矿用直流电机车作业条件的励磁方式,建立了电机车PWM斩波调速仿真模型,并结合矿用直流电机车运行条件,对其在3种不同励磁方式下的运行性能(包括启动性能、调速性能、动态性能)进行了仿真和比较。仿真结果表明:他励方式的矿用直流电机车更加适用于额定负载长距离运输;串励方式的矿用直流电机车较适用于频繁启动和要求功率为定值的场合。研究结果对矿用直流电机车斩波调速系统的应用和学习提供理论指导和借鉴。
关键词:矿用直流电机车;励磁方式;运行性能;脉宽调制斩波调速
引言
随着经济发展的日新月异,科技创新成果越来越多,新技术成果逐渐替代过去高耗低能技术,山东金岭铁矿始终以“科学技术为第一生产力”为宗旨,群策群力,积极创新推广应用新成果、新技术。同时矿山属于高危行业,尤其是近年来,频频发生的矿难,给国家和企业造成了巨大的经济损失和劳动力的损失,也带来了极坏的社会影响,这就对安全工作提出更高的要求。在矿山生产过程中,其运输系统导致事故频繁发生。从各类事故的调查分析中不难看出,运输设备安全设施不完善、不灵敏是重要因素。山东金岭铁矿地下采矿场拥有架线直流电机车109台,确保矿井运输系统中的电机车安全经济运行,在矿井生产中占有极其重要的地位。
1直流电机的励磁方式
励磁方式是励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式。直流电机的励磁方式分为他励、并励、串励以及复励4类,其中复励电机应用相对较少,不做讨论。如图1所示,U为电枢电压,Uf为励磁电压,Ia为电枢电流,If为励磁电流,I为主电源电流。
然他励和并励直流电机的机械特性相似,但前者的机械特性“最硬”。通过分析式(1)可知,他励、并励以及串励电机的转速n与电压Ua和电枢电流Ia成函数关系,可以利用PWM驱动绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)的导通与关断来控制电压Ua,进而对他励、并励和串励直流电机调速。
2电机车直流PWM斩波调速系统的建模与仿真
图2为系统仿真模型,选用2相UniversalBridge模块,由双极式控制电路(图3)进行驱动。图3中,2个PWM发生器模块产生4路脉冲驱动信号,并经过增加的Selector模块改变脉冲序列,使2相UniversalBridge模块能够同时实现对角IGBT的导通和关断。而IGBT存在导通与关断时间,故在下桥臂设置延迟时间(0.001s),以避免多功能桥的上下桥臂同时关断和导通。通过改变步长Step的值(-1~1),可实现直流电机调速和正反转。
3斩波调速装置
矿用直流架线电机车斩波调速装置采用德国原装新器件IGBT(一个特殊的集成模块)做主元件,采用闭环电路,具有过流欠压、过压短路等多项自恢复式保护。其结构见图4。
图4斩波调速装置
矿用直流架线电机车斩波调速装置能适应井下潮湿、路面颠簸的恶劣运行环境,安装过程中正确接线,斩波调速器的接地线要与机车体的连接十分牢固可靠,运行当中严禁此线虚接或断开,否则将直接损坏该装置的主元件IGBT的损坏。日常维护过程中,应断开电源,放掉滤波电容可能储存的电能以确保安全。在检查过程中要十分注意高频电容和吸收电容的连接线是否松动并及时处理好,否则将极易造成车速过快。每天要检查换向杆的连接片是否有脱落和松动现象并及时处理。一旦发现单电机运转,要及时停车找维修人员检查处理。开车时换向器搬动后1s左右再启动调速手柄并缓慢加速至所需的速度。
4额定负载下3种励磁方式的调速性能分析
仿真通过改变Step(占空比P)值的大小,进而使输入电机的端电压在0~220V变化。设置负载为1TL,在不同Step值下分别测出3种励磁方式下电机的稳定转速,绘制出额定负载情况下3种励磁方式的稳定转速随输入电压变化的曲线,如图5所示。可以看出,额定负载情况下他励方式的转速与输入电压的变化曲线近似于直线,而其他2种励磁方式的变化曲线不同。说明额定负载情况下,矿用电机车他励方式在采用直流PWM斩波系统进行调速时,所具有的调速性能明显优越于其他2种,能够很好地满足电机车巷道运行的调速要求。
5主、负极绕组故障及应对措施
主、负极绕组出现故障,将对直流电动机运行产生直接影响。通常,主、负极绕组、补偿绕组故障与绕组接地、匝间短路、绕组断线及接头松动等相关,另外,金属粉尘沉积、机械擦损及工作环境恶劣等也都会对绕组产生不同程度影响。若短路情况不严重,则锉掉部分铜瘤,以玻璃丝布进行缠绕以补救;若短路情况比较严重,但绕组线圈未损坏,则剔除全部匝间绝缘,选择新匝间绝缘;情况更为严重的,要更换绕组线圈。6换向故障及应对措施电气原因。若定子、转子绕组发生诸如短路、接地以及断路等故障,且电刷位于中心位置,或磁极、刷盒装配不正确,则会导致电火花的产生。在进行维修时,要认真核对电刷、磁极、刷盒装配是否正确、到位,并在调整过程中借助于正反转电动机法或感应法进行调整。机械性原因。其一,换向器故障。当换向器铜片均发黑,或按照特定顺序(或杂乱无序)成组变黑,则要分别进行针对性维修。第一种情况通常由换向器极性不正确、电刷压力未调整合理所致,此时应对电刷是否短路以及位置、压力和极性等是否正确进行观测和调试;第二种情况通常由线圈匝间、片间短路,电枢线圈、换向器短路所造成,因此要对于短路发生位置进行有效判断;第三种情况通常与换向器表面不平整相关,此时应调整电动机符合,解决换向器不平滑、不干净的问题。其二,电动机振动。振动通常由换向器表面不平整、换向片间云母突出以及转子缺少必要的平衡性等相关。针对这种情况,应对轴承工况、换向器表面平滑度进行必要检查,若需要,可对于电枢做平衡检测。另外,机械性原因还包括刷盒故障等,主要包括电刷卡死、弹簧烧断、电刷发热、刷杆松动等情况。
结语
1)同负载情况下,串励方式的矿用电机车启动性能较好,能够满足矿用电机车频繁启动的要求。2)他励方式的矿用电机车较并励和串励方式具有更好的电压调速特点,更加适用于额定负载长距离运输,尤其是爆炸性物品的安全运输。3)他励方式的矿用电机车在应对负载突变时,其调速转矩最好,稳定转速变化小并且恢复所用时间短。而串励方式的矿用电机车能够维持其功率基本不变。
参考文献:
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论文作者:张桢1,李娜2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/2/13
标签:绕组论文; 机车论文; 方式论文; 换向器论文; 直流电论文; 励磁论文; 电机论文; 《基层建设》2018年第36期论文;