150T电力机车智能化电气系统技术改造

150T电力机车智能化电气系统技术改造

王宏伟，王永计，许慧敏

包钢（集团）公司白云铁矿，内蒙古包头014080

摘要  利用直流斩波器把恒定直流电压变换成负载（电机）所需的可变直流电压的电力机车叫斩波电力机车。ZG150-1500型工矿电力机车采用传统的电阻调速系统，产生大量的有害热量，给机车电器的绝缘造成了不可逆破坏，而且机车为了速度，需要装大量的电空接触器来增减电阻，由于接点多所以造成电空接触器烧损故障较多，并且维护、检修困难。针对以上弊端，提出进行斩波调速改造中阐述的IGBT的调速原理。着重分析了斩波调速改造后，电机车产生的经济效益和社会效益。

关键词150吨电力机车；IGBT斩波调速；技术改造

150T electric locomotive intelligent electrical system technical transformation

WANG  Hong-wei , XU Hui-min

(Baotou Steel Group) Baiyun Iron Mine 014080)

Abstract:aiming at the malpractice of series resistance speed regulating electric locomotive, the speed regulating principle of IGBT in chopper speed regulating reform is put forward. The economic and social benefits of the electric locomotive after the chopper speed regulation reform are emphatically analyzed.

Key words: 150 tons electric locomotive; IGBT chopper speed regulation; technical transformation

ZG150-1500型工矿电力机车是上世纪70年代末包钢白云铁矿从湘潭电机集团公司引进的准轨大型工矿电机车，担负着把矿石从倒装转载台转运到破碎的任务，其性能的好坏直接影响到白云铁矿的矿石生产，因此对电力机车的改进势在必行。

1 、直流斩波器的定义

利用直流斩波器把恒定直流电压变换成负载（电机）所需的可变直流电压的电力机车叫斩波电力机车。

2、 IGBT斩波器工作原理引用参考文献2

直流斩波器就是将负载与直流电源接通继而又断开的一种电子通/断开关装置，它将固定输入直流的电源电压产生出经过斩波的可变直流负载电压，即DC/DC变换，电路原理如下图

在Ton期间内斩波器CH导通，电源给负载电路供电。在Toff期间斩波器关断，负载电流经过续流二极管VD流通，负载端被短路。这就是一次导通在负载端产生经过斩波器直流矩形波电压，改变电压矩形波的宽度和频率就可以改变加于负载电路上的直流平均电压。

PLC 控制单元采用西门子S7- 200 系列的224XP,PLC 控制主要取代控制继电器及辅助联锁触点，以实现无触点的软件控制模式。同时采用车载 RS485总线通讯接口方式，实现牵引电气系统车载通讯。安装在司机台的彩色触摸显示屏，可远程在线实时显示电机车牵引/制动工况运行状态，并实现故障自诊断处理。

3、主要技术参数参考文献3

额定电压：DC1500V         控制电压：DC48V       额定功率：6×350kW

超载能力：6×2Ie（5min）  导通比 α：0.01─1.0  斩波频率：1kHz

4 、IGBT斩波调速电气系统构成

主要由 LC 滤波单元、IGBT 功率组件、PLC 控制装置及电空接触器元件构成，再组合成相同的牵引电机驱动单元。控制系统采用 PLC控制器和微机控制装置为上、下位机控制模式。PLC为上位机，承担电传动系统控制电路功能，微机装置为下位机控制单元，一台微机装置控制两台牵引电机，即架控方式的电压、电流双闭环实时调节控制单元。 PLC控制器与微机装置的通讯采用车载总线通讯方式。

4.1、  滤波单元

LC 滤波单元由滤波电抗器及滤波电容器构成。其作用是为了把漏向电源的谐波干扰电流抑制到低于设计允许值，改善供电品质。滤波电器还可以防止短时限的过电流，滤波电容器可吸收瞬态尖峰电压。

4.2 、 IGBT功率组件

IGBT 功率组件采用 3300V 等级 IGBT 模块作为主功率元件，为牵引系统核心功率元件，主功率元件散热器采用新型风冷热管散热器，一个IGBT 功率组件单独控制两台牵引电机。IGBT 驱动电路采用高可靠性的集成驱动模块，模块驱动板内部配置光纤隔离传输，在高电压装置中光纤信号传输几乎没有干扰，具有抗干扰能力强特点。

4.3、 PLC控制单元

PLC 控制单元采用西门子 200 系列。PLC 控制主要取代控制继电器及辅助联锁触点，以实现无触点的软件控制模式。以往的电气控制采用有触点继电器控制，由于继电器为机械接触，故障率高，维修不便。改进后的软件控制模式提高了系统的可靠性和减少了设备维修工作量，同时采用车载 RS485总线通讯接口方式，实现牵引电气系统及辅机电气系统车载通讯。安装在司机台的彩色触摸显示屏，可远程在线显示电机车牵引/制动工况及辅机运行状态，并实现故障自诊断处理。

5  机车斩波技术改造方案

5.1 电空接触器架的改造

ZG150-1500型工矿电力机车1、2端高压室共有4个电空接触器支架安装54台台电空接触器，用于机车电阻调速。机车斩波改造后只需要24台电空接触器，需要将1、2端高压室反相器上方的电空接触器架拆除，用于安放斩波器和控制柜，另外2个电空接触器架保留，用于安装所需24台电空接触器。改造前、改造后的效果图1、2所示：

图1  改造前             图2  改造后

5.2  司机室控制器和控制面板的改造

    将原车的凸轮控制器拆除，安装新的控制器，将原来的控制面板拆除，换上新的带触摸屏的控制面板。控制柜、斩波器和司机台上的彩色触摸显示屏采用车载 RS485总线通讯接口方式，实现牵引电气系统车载通讯，可远程在线显示电机车牵引/制动工况运行状态，并实现故障自诊断处理。改造前、改造后的效果如图3、图4：

      图3  改造前                图4  改造后

5.3 改造后保留部分

高速开关以上的供电部分、主牵引电机、电空接触器、反向器、换向器、制动电阻、高压加热电炉。

5.4 取消部分

分流器，过电压、过电流继电器等多余的高压电器元件全部取消。

6 电机车技术改造装置构成

6.1 斩波器

斩波器主要由 IGBT 功率组件、控制电源、光电转换器、电压及电流传感器等单元构成。安装在Ⅰ、II端高压室。150t 电机车有6台1500V 直流电机，毎两台电机并联做为一组使用，配置一个斩波器，共分为三组，每一组可以独立运行，当一个电机发生故障时只需切除相应的这一组，牵引力只减少三分之一。牵引工况下斩波调压恒流启动，在制动工况下两台牵引电机构成交叉励磁制动斩波调阻线路，以保证电制动稳定性，电机不削磁。牵引工况下斩波调压恒流启动，在制动工况下两台牵引电机构成交叉励磁制动斩波调阻线路，以保证电制动稳定性。

7 效益分析

7.1经济效益分析

7.1.1、由于白云铁矿坡道大、站点多，启动频繁，传统电阻调速电力机车耗电约70512.96度，168#机车改造完成后与传统电阻调速电力机车比较节约电费约35%左右，按照现在的电费价格，每年可节省电费约70512.96度╳35%╳0.4667元/度=9.4万元。

7.1.2、改造后一台150T 电机车168#可拆下电空接触器30台，用于没有改造的电阻调速机车，现在领一台电空接触器价值约2800元，能节约采购费用2800元/台╳30台=8.4万元

7.1.3、与电阻调速电机车相比减少主电机故障和主电机齿轮弛缓故障80%以上，可节约材备费用3万元，同时也减轻了检修工人的劳动强度。每年可节约电费9.4万元+8.4万元+3万元=20.8万元，具有可观的经济效益。

7.2社会效益分析

7.2.1、由于采用模块结构IGBT 为自关断全控型电力电子器件，与传统的电阻调速系统相比，减少了电阻起动时能耗损失，符合国家低碳产业政策和国家的环保政策，故障减少,维护方便。引用参考文献1

7.2.2、IGBT 直流斩波调压控制装置实现了电机车无级连续调节速度，恒流控制，平滑性好，可有效的利用粘着极限，使牵引起动平稳，提高电机车牵引力。高压直流接触器采用无载分断技术，不产生电弧，提高了触头使用寿命，维护量减少。

7.2.3、节约电能，由于白云铁矿长大坡道较多，启动频繁，与传统的电阻调速方式电机车相比，电机车运行时节电达35%左右，调速性能稳定可靠。

7.2.4、用改造后的斩波器调速主电路代替取消部分，新增部件全部采用模块化结构，便于维护。改造后电缆数量大为减少，相关的电缆走线及电气设备位置全部重新布置安装，并完成电机车原电器设备功能及技术指标。

参考文献

（1）林镇鉴;新一代节能型150T工矿电力机车[J].中国矿业第2008，17（7）第225-226页

（2）金秀龙;斩波调速技术在电力机车上的应用[J].露天采矿技术,2008，（1）第50-51页

（3）王传平;工矿电力机车斩波调速改进[J].煤炭技术,2010，29（5）第2-2页

作者简介：王宏伟（1983.02-），女，内蒙古包头市人，大学本科，工程师，现从事机电技术管理工作。