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，對電機車的電氣驅動系統要求很高。然而，當前礦用電機車采用結構復雜、造價昂貴、故障率高、維修費用大的直流電機驅動，調速系統還是采用的原始落后的電阻降壓調速方式，這種多級觸頭變阻調速器常因觸頭產生較強火花而燒損，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，隨著科學技術的發(fā)展，交流電機的調速問題已經獲得圓滿的解決。交流電機的調速系統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更低，可靠性更高。用交流電動機取代直流電動機進行調速勢在必行，并且交流電動機有著直流電動機無法比擬的優(yōu)勢。由于直流調速帶有電阻器運行，電能消耗較大，交流變頻調速由于不用高耗能的電阻，節(jié)電率可達35%。如果電機車設置成再生回饋制動，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具有結構簡單、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，調速系統處于頻繁的起動、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；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。由于蓄電池電機車采用的是直接轉矩的方式進行變頻調速。

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”表示轉子，字母上加點表示向量），該電流將在電動機氣隙內形成按正弦規(guī)律分布，并以同步轉速旋轉的磁動勢f1，如圖1。f1先建立氣隙主磁場bm（фm），bm是個旋轉磁場。當變頻器驅動異步電動機減速運行時，旋轉磁場同步轉速no總是先于轉子轉速n下降，即n0m切割定子、轉子繞組，并在定子、轉子繞組內感應出定子電動勢e1a、e1b、e1c和轉子電動勢e2a、e2b、e2c，于是轉子回路中就有三相電流i2a、i2b、i2c。與氣隙磁通фm相互作用，產生了電磁制動轉矩，方向與n0相反，制止轉子旋轉。i1形成的勵磁磁動勢f1，i2形成的勵磁磁動勢f2。設相序為a—b—c的定子電流所產生的旋轉磁場為逆時針方向，由于n0o。由于轉子以轉速n逆時針旋轉，因此f2的實際轉速為n2=n-△n=no，方向為逆時針，即f1和f2都逆時針旋轉，轉速都為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產生旋轉磁場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：產生氣隙主磁通φm的勵磁磁動勢fm和抵消由于轉子電流產生的轉子磁動勢f2的部分（－f2）。

因為n00-n/n＜0，所以轉子感應電動勢se’2反向。i’2落后于e’2的φ2角度處于90°～180°之間，轉子電流的有功分量i’2a《0，而轉子電流的無功分量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，后者用于勵磁。