工矿电力机车是矿山运输和隧道建设中重要的运输设备。工矿电力机车具备牵引力大、过载能力强、行驶速度快、维修维护成本低等特点，在各大城市的地铁建设中发挥着巨大作用。本文主要介绍了海浦蒙特HD30-4T250-D变频器在150吨直流工矿电力机车上的成功应用，以及如何通过变频调速技术改善机车控制特性，实现灵活的驾驶体验。
1 工矿电力机车系统
电力机车的出现是在铁路运输对大运载量、高运输速度以及更强环境适应能力的需求下诞生的。工矿电力机车由于采用直流制，在功率和速度上比干线电力机车小。凭借其灵活的控制以及自身携带能源特点广泛应用于矿山的短程矿石运输以及隧道建设中的石渣运输。
直流工矿电力机车由控制室、传动系统以及蓄电池组组成。控制室完成机车运行控制；传动系统由两台110kW交流电机提供动力，经过减速机传动到轮毂，制动刹车片由一台4kW压缩机提供开闸动力；蓄电池组为48个12V铅酸蓄电池串联而成，为整个机车系统提供电力。直流工矿电力机车在运行过程中有两种运行情况：满负荷运行时需要电机在0－50Hz内运行，此时最大运行速度在40kM/H左右，要求有足够的转矩输出；空载运行时需要电机在0－70Hz内运行，此时最大运行速度要达到60kM/H。
下图是电力机车系统简图。
2 应用解决方案
传统电力机车采用斩波调速技术，目前国内很多矿山现场仍采用此种技术。而当前流行的变频调速技术将彻底革新直流工矿电力机车驱动技术。变频调速具有精确的控制精度，电机运行频率精度可以精确到0.01Hz；有更高的节能效益，通过软启动相比常规启动方式节约电力；有更宽的调速范围，机车需要满足满负荷运行和空车运行，而空车运行时要求有更高行驶速度，电机可以在0－70Hz范围内运行。
2.1 系统配置
150吨直流工矿电力机车两台110kW交流电机负责左右两侧轮毂动力输出，4kW空压机为两侧的刹车片提供开闸气压。在解决方案中，我们采用250kW变频器一拖二实现主动力变频驱动、4kW变频器通过PLC命令控制空压机运行。变频部分应用方案如下图：
2.2 参数配置
对于变频器一拖二的应用现场，必须采用V/f控制方式实现。这种控制方式可以保证两台电机工作时加减速时间、转速保持较好的一致性。
主电机驱动变频器参数表
2.3 调试步骤
1．数字端子信号调试
变频器数字端子信号由PLC给定，通过5路数字输入通道完成变频器正转、反转、复位、正点动、反点动控制。调试时PLC输出信号通过变频器操作面板查看d00.50参数是否与输入信号对应。完成输入信号调试后将各数字端子功能含义设置准确；
2．模拟端子信号调试
变频器模拟端子在系统中是频率信号给定通道，机车控制面板上速度拉杆将速度命令转化为4~20mA电流输送到变频器。变频器按照4~20mA信号对应输出 0~70Hz驱动电机。调试电流信号时需要先完成输入电流偏置与增益的设置，同时还要考虑机车控制面板上速度拉杆的操作空间。调试模拟量时遵循先调偏置，再调增益。
3．通信及故障继电器调试
变频器与PLC的通信主要是完成PLC获取变频器运行过程中的频率、电流、转速以及故障信息。然后通过触摸屏显示在机车控制面板上，以便驾驶人员监控机车运行状态。通信调试中最重要的是完成通信线缆的抗干扰防护。故障继电器是系统安全运行的必要保证。系统调试是可以人为制造故障，以验证故障继电器可靠动作。
4．系统调试
系统调试要完成系统可靠性、功能完整性以及操作舒适性调试：
首先，完成系统硬件检查：包括输入输出信号、功率端子电压、输出三相平衡等；
其次，完成控制命令调试：包括命令响应速度、速度拉杆与输出频率是否满足一次线性变化；
最后，完成紧急情况下机车运行情况：包括急加速、急减速、紧急制动时能满足的极限参数。
2.4 调试效果
经整车试机，验证了前进加速、后退加速、前进点动、后退点动和紧急制动五大操控功能。通过触摸屏监控到变频器输出频率、电流、转速信号以及故障监视。
在调试过程中机车动力电机最高运行频率70Hz，速度稳定。5Hz时制动闸松开，机车稳定加速。在空载情况下运行到50Hz时变频器输出电流在120A左右。
整体调试效果要优于传统电力机车调速性能，得到用户极好肯定。
3 结语
直流工矿电力机车采用变频技术实现调速驱动，各项指标满足机车技术要求。采用先进的变频技术比传统的斩波调速在节能和高速运转上更具优势。同时，在频繁的速度切换过程中能更好的实现节能目标，保证机车连续10小时的续航能力。