近年来，交流变频技术在国内各个行业得到普及和使用^[1]，获得了巨大的市场效益和社会效益.国内交流变频技术专业人才大量增加，为交流变频技术在架线式工矿电机车上的应用提供了人才条件和技术支撑，同时随着采掘机械化的发展和国内经济的高速发展，小吨位电机车已满足不了矿区运输任务，架线式工矿电机车必然朝重型化、高速化和自动化、关键部件的免维护化、机车结构模块化、微机控制交流传动的方向发展^[2].

1 钨矿山电机车应用现状

从目前了解的情况看，赣南所有钨矿山绝大部分还是采用直流架线式电阻调速电机车，该种机车在钨矿山使用了十几甚至几十年.直流架线机车一般都采用2台直流串激电动机作为牵引动力，为了减小起动电流，在刚起动时把2台电机串联，并在回路中串上最大的起动限流电阻，随着转速的增大，司机逐步把电阻切除，然后再把2台电机接成并联，此时又必须把起动电阻接入，再慢慢切除电阻，直至全部切除，电机车就以全速来运行.而制动采用能耗制动，就是将电动机从电源上断开，把它接成串激发电机并串入一定的制动电阻，此时电机车的惯性动能经电机转换成电能消耗在电阻上，从而使电机车加速停车，并通过调节制动电阻的大小来改变制动力矩.这些复杂的线路切换都是通过控制器的触点切换来完成的^[3-5].电阻调速电机车普遍存在故障率高、维修量大、维修成本高、电能浪费大、安全性不强等缺点^[6-7].目前钨矿山使用的架线电阻调速电机车普遍存在这种现象.^[8]

2 变频调速机车研究与改造 2.1 机车结构设计

在机车结构部分采用了有限元分析方法对整机进行优化设计，同时对动力进行最优匹配，使整机动力强劲；为了保证整机结构强度和刚度，整车车架采用框式结构，利用振动时效原理、消除车架焊缝的残余应力；机车采用多向自由度V型橡胶弹簧缓冲元件减振，解决了多年来使用钢板弹簧单向减振和刚性硬存在的减振效果不良的缺陷.图 1为电机车外形及结构图.

车架由两侧板组成，两端用弹性缓冲器连接，轮轴轴承为圆锥滚柱轴承，两轮轴各装置单独的电动机，由齿轮直接带动.控制器装在驾驶室内，用以操作机车制动可用控制器或转动制动系统的手轮来进行，加砂器可加砂在路轨上，增大路轨与车轮间的粘着系数，以防止起动或加速度时车轮滑动，在制动时也可以用加砂器加砂来增加制动效果.制动系统和加砂的操纵机构也都装在驾驶室内，司机操作方便^[9].

2.2 机车变频技术原理

作为电机车应用交流异步电机作牵引动力，较普遍地采用过以下3种策略控制交流牵引电机：①VVVF控制；②矢量控制；③直接转矩控制(DTC，Direct Torque Control).

直接转矩控制(DTC)，直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩.它不需要将交流电动机化成等效直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型^[10].

机车调速采用了直接速度控制(DSC，Direct Speed Control)加直接转矩控制(DTC)变频调速技术，结合工矿电机车运行的实际工况，进行工矿电机车变频调速技术研究，实现了工矿电机车无级调速.

如图 2所示变频调速的结构由滤波电路、三相全桥逆变电路、变频控制电路、三相交流电动机和手动控制器5大部分组成.

2.3 变频调速机车工作原理

针对电机车要求起动转矩大，转矩响应快的特点，系统采用直接速度控制(DSC)加直接转矩控制(DTC)方式，来自受电弓的直流电进入变频器后，经过电感和电容滤波，在单片机的控制下经过逆变为电压、频率可调的三相交流电，再通过输出端滤波器滤波，变频器输出三相正弦交流电压给牵引电机，拖动电机车运行.系统采用1台变频器拖动2台电机的方式，2台电机在变频器输出端并联运行^[11].

2.4 机车系统保护功能

电机车变频设备具有完善的保护功能，在变频器出现故障时能自动进行故障定位和显示，主要保护功能有：过压、过流、过负荷、过热、欠压、短路、接地、外部报警、电容保护、主器件自保护等.

3 变频调速机车矿山适应性试验

通过研究并在电阻调速机车基础上改造的交流变频调速机车(10 T)放在江西赣州某钨矿山进行适应性试验.

(1) 湿度适应性试验.在试验机车上悬挂有1个干湿球湿度计，机车湿度试验数据表明试验机车所处环境湿度在80 %R.H.~95 % R.H.之间.经过1年多较恶劣的湿度适应性试验表明，试验机车湿度适应性较好，能适应井下恶劣的湿度环境.

(2) 巷道适应性试验.由于机车力量大，机车大小规格和改造前的电阻调速机车大小一致，爬坡力量更胜电阻调速机车，钨矿山井下巷道坡度均很小，所以机车在巷道坡度等无任何问题.通过试验表明，变频调速机车完全能适应钨矿山井下巷道，且能跑的更快，速度也更匀速.

(3) 供电线路适应性试验.供电线路还是用原来的直流250 V架线线路，没做任何改造.尽管试验巷道的架线不是很规范，但通过一年多的试用，在电压条件满足时，变频调速机车对井下供电线路环境适应性还是较好的.

(4) 架线电压适应性试验.专业人员采用专业测试仪跟车对机车进行电压在线检测，并观察运行状态.变频调速机车从选厂附近出发，随着越接近末端，电压值从250 V不断下降，当电压在120~130 V之间波动时，机车欠压保护，机车停止运行.

当初设定的电压范围是直流130~360 V，能正常工作的电压范围比较宽.但矿山架线不规范，线路远，地线(路轨)连接不好，导致较远的巷道末端电压出现低于130 V从而导致机车因欠压保护而停车情况.

(5) 牵引力适应性试验.找一台同规格电阻调速机车(10 T)和该变频调速机车进行牵引力试验对比，看变频调速机车是否能满足生产要求.

电阻调速机车一般工作时拉10个斗(满载)，变频调速机车拉重车13个斗(满载)运行时一切正常，在此后一年多的试用过程中，一直是拉13个斗运行.这表明变频调速机车牵引力完全能满足生产要求.

(6) 频率调节范围试验.变频调速机车频率调节范围经过反复的实验，测试仪上显示频率可以从静止时的对应的0 Hz调节至最高速时的100 Hz.

(7) 动力制动试验.变频调速机车有电制动和机械制动2种方式，工作时一般均采用电制动，驻车时(含断电)需采用机械制动.电阻调试机车只有机械制动^[12].但需要说明的是，目前许多操作工违规采用反向动力进行制动，这对机车损害很大，容易烧毁控制器和直流电动机.

4 运行结果及分析 4.1 运行结果

试验变频调速机车一直在该矿选厂至矿石提升井段运行，主要为拉原矿到选厂.机车从一开始使用效果就不错，受到操作工、维修工、电工的一致好评，操作比老式机车简单方便，机车牵引力也比以前大.机车为无级调速，最低可调频率0.1 Hz，最低车轮转速可调至0.5 r/min，并且该变频调速器具有速度跟踪功能，速度的高低全由调速手柄控制，可设定任何车速的限制，具有准确的零速制动功能.另外，机车变频器保护功能齐全，具有对电机过流、过压、过热、过载、堵转、欠压、缺相和输出短路的保护功能，实现对电机和电池组的全方位保护.

4.2 推广需要解决的问题及解决方法

目前，在试验和一年多的试用过程中，出现如下问题还需要解决：

(1) 末端架线130 V以下时停车.该问题可以通过规范井下架线，敷设副线至末端并增设整流柜两端供电等方法解决.

(2) 变频部分维修难度高.变频部分维修要求较高，因此需要培养专业维护人员.目前大部分钨矿山都不具备这种能力，专业培养也会额外增加企业要求和负担，也不太现实.因此，最好的办法是对现有的维护工人进行适度专业培训，使维护人员具备在厂家专业人员指导下查找故障原因，更换备件的能力.

(3) 操作不习惯或不熟悉.变频调速机车和电阻调速机车相比，操作方式有不同的地方.比如刹车，电阻调速机车需要拉弓断电，并机械制动.而变频调速机车不需要拉弓，只需把调速手柄掉到零位即可.如果还按电阻调速机车的制动方法操作来制动变频调速机车，会因变频器反复断电上电，出现启动慢的问题.

操作不习惯或不熟悉的问题，可通过对操作人员进行严格培训的方法解决，让操作工人掌握并习惯变频机车的使用方法.

5 结束语

通过对电机车变频技术应用研究和现场试验，结果表明：交流变频技术能提高电机车性能、降低电机车故障率、降低电机车维修成本、提高设备的作业率、节约电能，有很好的经济效益.