1 引言

礦用電機車是煤礦工業(yè)的重要運輸工具。由于煤礦井下的工作環(huán)境十分惡劣，對電機車的電氣驅(qū)動系統(tǒng)要求很高。然而，當前礦用電機車采用結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴、故障率高、維修費用大的直流電機驅(qū)動，調(diào)速系統(tǒng)還是采用的原始落后的電阻降壓調(diào)速方式，這種多級觸頭變阻調(diào)速器常因觸頭產(chǎn)生較強火花而燒損，所以維修量大。同時，電機車帶電阻運行導(dǎo)致電能浪費很大。對于高瓦斯礦井，普遍采用防爆型蓄電池電機車作為運輸材料和矸石的工具。多年來，蓄電池電機車一直采用直流電動機串電阻調(diào)速方式，從而使20～25%的電能消耗在電阻上，造成電能的浪費。特別是蓄電池電機車，由于電能消耗過快，使蓄電池的充電間隔縮短，蓄電池壽命減少。近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交流電機的調(diào)速問題已經(jīng)獲得圓滿的解決。交流電機的調(diào)速系統(tǒng)不但性能同直流電機的性能一樣，而且成本和維護費比直流電機系統(tǒng)更低，可靠性更高。用交流電動機取代直流電動機進行調(diào)速勢在必行，并且交流電動機有著直流電動機無法比擬的優(yōu)勢。由于直流調(diào)速帶有電阻器運行，電能消耗較大，交流變頻調(diào)速由于不用高耗能的電阻，節(jié)電率可達35%。如果電機車設(shè)置成再生回饋制動，可以利用電機車減速或下坡時將電機發(fā)出的電能回饋給蓄電池，這樣可以大大節(jié)約電能，延長充電時間。

2 異步電動機的四象限特性及能量再生

三相交流異步電機傳動系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉，效率高，節(jié)約能源等優(yōu)點，因而被廣泛用語蓄電池電機車的改造工程中。

由于礦用電機車工作于井下惡劣的環(huán)境中，調(diào)速系統(tǒng)處于頻繁的起動、制動、加減速等狀態(tài)，這樣一來，我們就能充分利用三相交流異步電動機的四象限特性進行調(diào)速制動：第一象限和第三象限是電動機的運行狀態(tài)，分別為正、倒轉(zhuǎn)；第二象限和第四象限是電動機的發(fā)電狀態(tài)，分別為正、倒轉(zhuǎn)。由于蓄電池電機車采用的是直接轉(zhuǎn)矩的方式進行變頻調(diào)速。

電機車在減速運行過程或急剎車時都將發(fā)生能量再生。先假定三相異步電動機定子繞組中通以三相電流，極性為i1a＞0、i1b＜0、i1c＜0（下標：“1”表示定子，“2”表示轉(zhuǎn)子，字母上加點表示向量），該電流將在電動機氣隙內(nèi)形成按正弦規(guī)律分布，并以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁動勢f1，如圖1。f1先建立氣隙主磁場bm（фm），bm是個旋轉(zhuǎn)磁場。當變頻器驅(qū)動異步電動機減速運行時，旋轉(zhuǎn)磁場同步轉(zhuǎn)速no總是先于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n下降，即n0m切割定子、轉(zhuǎn)子繞組，并在定子、轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)感應(yīng)出定子電動勢e1a、e1b、e1c和轉(zhuǎn)子電動勢e2a、e2b、e2c，于是轉(zhuǎn)子回路中就有三相電流i2a、i2b、i2c。與氣隙磁通фm相互作用，產(chǎn)生了電磁制動轉(zhuǎn)矩，方向與n0相反，制止轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。i1形成的勵磁磁動勢f1，i2形成的勵磁磁動勢f2。設(shè)相序為a—b—c的定子電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場為逆時針方向，由于n0o。由于轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時針旋轉(zhuǎn)，因此f2的實際轉(zhuǎn)速為n2=n-△n=no，方向為逆時針，即f1和f2都逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速都為n2。換句話說，f1和f2保持相對靜止，兩者之間無相對運動。

異步電動機帶負載時氣隙內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場bm的正是這兩個相對靜止的磁動勢f1和f2的合成磁動勢fm作用的結(jié)果，即f1=fm+（－f2），此式表示：異步電動機的定子磁動勢包含兩個分量：產(chǎn)生氣隙主磁通φm的勵磁磁動勢fm和抵消由于轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁動勢f2的部分（－f2）。

因為n00-n/n＜0，所以轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉(zhuǎn)子電流的有功分量i’2a《0，而轉(zhuǎn)子電流的無功分量i’2r》0。

異步電動機處于減速時相當于異步發(fā)電機，即其向量圖如圖所示。u1和i1之間的相角φ1》90°，此時定子的有功功率為負值，即定子繞組向直流側(cè)回饋電能，而定子的無功功率為正值。站在電動機的角度上看，異步電動機吸收了負的有功功率和滯后的無功功率，前者輸出給電網(wǎng)，后者用于勵磁。