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隧道牵引机车变频驱动系统应用研究

时间:2022-03-01 16:55:27来源:深圳市英威腾电气股份有限公司 孟令彭

导语:​牵引机车是城市地铁隧道盾构法施工中一种必不可少的后配套设备,其性能将会直接影响到施工安全和施工进度,目前施工项目牵引机车驱动装置常采用一台变频器一拖二或者一拖多运行,存在功率输出不均衡,控制精度低,低频力矩小, 启停容易溜车等种种隐患。本文将以45吨机车为例,讲述两台变频器使用一拖一闭环矢量控制配合ABS装置介入的控制方案来解决以上难题。

  牵引机车是城市地铁隧道盾构法施工中一种必不可少的后配套设备,其性能将会直接影响到施工安全和施工进度,目前施工项目牵引机车驱动装置常采用一台变频器一拖二或者一拖多运行,存在功率输出不均衡,控制精度低,低频力矩小, 启停容易溜车等种种隐患。本文将以45吨机车为例,讲述两台变频器使用一拖一闭环矢量控制配合ABS装置介入的控制方案来解决以上难题。

  1.牵引机车的组成部分

  1.1. 牵引机车机械组成部分分为:车体,司机室,空气

  

45 吨牵引机车车头.png

  图 1 45 吨牵引机车车头

  制动系统以及牵引装置;整车前面为司机室,内部包含操作台,电控柜和电池管理系统,司机室后面是电池部分,常采用磷酸铁锂电池组,电池组下面是牵引装置,其中两台电机通过减速机分别驱动前后车轮组,由气动抱闸装置提供刹车制动力,牵引装置后面为装载车厢,如图1。

  1.1. 牵引机车电气组成部分分为:电气控制系统,主牵引变频器,蓄电池组,交流异步驱动电机,空压机变频器以及空压机系统,如图2。

  2.系统工作方式

  系统由蓄电池提供直流电源,通过专用变频器将直流逆变成频率及电压可调的交流电,驱动两台交流异步电机。机车上电后,先打开空压机系统,为气动制动装置充气。运行时,司机通过操作手柄控制机车前进或后退,操作手柄可以分级给定频率。启动时,机车先运行,之后抱闸打开,变频器控制电机升速至设定频率。停车时,手柄回零,机车减速,此时电机处于发电状态,再生能量回馈至电池组,电池管理系统控制电池处于充电状态,当机车减速至零速或者设定的停机频率时,抱闸闭合,机车停止,之后关闭空压机。

  3.总体方案

  牵引电机车基本阻力负载主要是零部件之间、机车动轮与轨道钢轨之间的摩擦和冲击力等产生的。主要包括牵引机车的机械阻力和空气阻力,其中机械阻力有轴承的摩擦阻力、车轮的摩擦阻力、车轮的滚动阻力、轮轨之间的滑动阻力等。对于矿山牵引机车来说,通常情况下运行速度较慢, 空气的阻力一般不计。

  机车的基本阻力负载和诸多因素有关,条件极为复杂, 在实际中通常很难用理论公式进行精确计算,通常使用大量的实验获取经验公式来进行基本阻力负载计算,矿山牵引机车的基本阻力可以表示为:

公式.png

必威体育官网下载  其中:F 牵引电机车运行的基本阻力(N)

必威体育官网下载  S 牵引电机车迎风横截面(m2);

必威体育官网下载  M 牵引电机车的质量(t);

  v 机车运行的速度(km/h);

  g 重量加速度,g=9.8m/s2。

  牵引机车电气系统.png

图 2 牵引机车电气系统

必威体育官网下载  根据以上牵引机车的基本阻力公式,可以换算出不同规格机车所需要的牵引电机功率。以下以45T机车为例,所需要的配置方案如下:

  • 机车规格:45T;

必威体育官网下载  • 行驶速度:2.2米/秒;

必威体育官网下载  • 电机:110kw/380V/2台;

  • 单台电机额定电流205A变频器:GD350-19-110G-4(F)。该机车采用新式抱闸系统,传统气动抱闸配合ABS系统,启动时先打开抱闸,再运行变频器,运行时可以通过轻踩脚刹,使用气动刹车减速,当需要快速减速时,可以深踩刹车,并配合ABS防抱死装置实现机车的快速减速。

 系统拓扑图.png

图 3 系统拓扑图

  3.1.驱动方式

  主牵引采用英威腾GD350-19系列变频器一拖一电机,使用闭环矢量模式运行,电机侧安装编码器,将运行频率反馈至变频器实现闭环矢量控制;空压机采用英威腾GD350系列变频器驱动,系统上电后直接运行,保证刹车用气供给,如图3。

  3.2.接线方式

必威体育官网下载  变频器采用直流供电,具备防接反功能,同时具备上电缓冲装置,可避免上电冲击造成的电池或变频器损坏。机车上坡时处于电动状态,电能从电池组流向变频器,下坡时处于发电状态,再生能量可由变频器反充入电池组。

  3.3.控制方式

  系统通过端子控制方式启停及多段速调速,485接口与PLC通讯传输数据(运行频率,输出电流、电压、报警信息等)。

  3.4.运行方式

  机车运行时由PLC控制先打开气动刹车,由于可能是在坡道上启动,变频器需要使用零速保持功能, 确保气动刹车打开过程中不溜车,当刹车完全打开后再加速运行。

  在运行过程中出现紧急情况时,往往需要深踩刹车,此时由于气动刹车力加大,可能会使变频器触发过载保护,因此需要断开变频器输出,利用刹车传感器制动力判断当前刹车力度,当超过阈值时,输出开关量信号给变频器,使变频器进入到安全转矩截止状态,同时ABS系统介入,防止车轮抱死打滑引发事故。当脚刹松开时,如果档位手柄还在,变频器可以转速追踪无冲击的运行起来。

  当机车停机时,如果在坡道上,变频器停止输出后会出现溜车,所以使用零伺服功能可以继续保持力矩输出,一段时间后等气动刹车抱住,完成停车。

  两台变频器采用主从速度模式运行,通过下垂方式实现两台电机速度同步以及功率平衡。

  4.应用效果

必威体育官网下载  该45吨机车已在南京某施工现场成功应用,经过一年以来的实践证明,与其他传统机车比较,通过变频器一拖一闭环控制,配合零伺服以及ABS防抱死装置的应用,机车在低速带载启动,尤其在坡道启动的工况下,输出扭矩明显增大,针对机车运行过程中的突发情况,刹车操作更加简易符合人性化理念,提高了机车行车的安全性,停机时不依赖地形因素,准确平稳停车,整体使用情况良好。

  5.结语

  本文设计了牵引机车的一种驱动系统,介绍了牵引机车如何利用变频器专用功能和ABS刹车装置的搭配应用,实现机车的安全运行,通过现场的实际应用验证了使用效果,对将来新一代更加智能、高效、安全及人性化的隧道施工机械的开发和研究具有一定的参考和借鉴意义。


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