基于轉(zhuǎn)矩控制的礦用電機(jī)車調(diào)速裝置設(shè)計(jì)

齊 麟

（山西宏廈一建， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤炭企業(yè)對(duì)礦用電機(jī)車輛的需求不斷增加，受技術(shù)條件的限制，目前絕大多數(shù)礦用的電機(jī)車輛均為直流調(diào)速裝置，在實(shí)際運(yùn)行中雖然其調(diào)速范圍較廣、動(dòng)態(tài)性能較好，但是由于其運(yùn)行高度依賴于換向環(huán)節(jié)，其不但給日常的維護(hù)、維修帶來了極大的困難，同時(shí)也使得礦用電機(jī)車的調(diào)速裝置故障率居高不下，且由于煤礦井下粉塵濃度高、路況條件復(fù)雜等因素更使得傳統(tǒng)礦用電機(jī)車輛的應(yīng)用受到了極大的限制，嚴(yán)重影響了煤炭企業(yè)的正常生產(chǎn)[1]。

1 磁阻電機(jī)的結(jié)構(gòu)

根據(jù)相數(shù)可以將磁阻電機(jī)分為單相、兩相、三相及四相等，圖1所示為單相磁阻電機(jī)，它的轉(zhuǎn)子和定子結(jié)構(gòu)均為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，因此其不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，也具有無(wú)法自啟動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在工作中存在死區(qū)的缺點(diǎn)，極大地限制了其應(yīng)用[2]。

圖2所示為兩相磁阻電機(jī)，從結(jié)構(gòu)上可以看出其具有一對(duì)轉(zhuǎn)子和兩對(duì)定子，此結(jié)構(gòu)同樣是缺乏自啟動(dòng)的能力，且在工作中依舊存在轉(zhuǎn)矩的死區(qū)，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。

圖3所示結(jié)構(gòu)為三相磁阻電機(jī)，其具有三對(duì)定子和兩對(duì)轉(zhuǎn)子，該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以方便實(shí)現(xiàn)正方向和反方向的自啟動(dòng)。

圖4所示的結(jié)構(gòu)為四相磁阻電機(jī)，其具有四對(duì)定子和三對(duì)轉(zhuǎn)子，和其他結(jié)構(gòu)的磁阻電機(jī)相比，它的轉(zhuǎn)矩顯著降低，具有很好的啟動(dòng)性能，但是其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，制造成本也相對(duì)較高，但是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦用電機(jī)車的精確控制，確保其工作的可靠性和使用壽命，采用四相磁阻電機(jī)。

圖1 單相磁阻電機(jī)

圖2 兩相磁阻電機(jī)

圖3 三相磁阻電機(jī)

圖4 四相磁阻電機(jī)

2 轉(zhuǎn)矩控制原理

轉(zhuǎn)矩控制的目的是保持定子磁鏈幅值的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)抑制磁阻電機(jī)在工作過程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其控制邏輯如下頁(yè)圖5所示，其中坐標(biāo)變換模塊的作用是確保磁阻電機(jī)四相繞組的坐標(biāo)變換，在實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換后，可以利用扇區(qū)判斷模塊實(shí)現(xiàn)反正切函數(shù)的運(yùn)算，繼而求出磁鏈角度，磁鏈幅值模塊利用求磁鏈的矢量幅值，作為磁鏈相對(duì)比的輸入[3]，最后，開關(guān)狀態(tài)就可以根據(jù)不同的輸入量，計(jì)算出在某個(gè)時(shí)刻所最終輸出的電壓的矢量值，然后功率轉(zhuǎn)換器將獲得的電壓矢量轉(zhuǎn)換為開關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁阻電機(jī)的精確控制。

3 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置仿真建模

為了對(duì)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置的性能進(jìn)行更直觀、更科學(xué)的分析研究，利用Matlab仿真分析軟件對(duì)其進(jìn)行了建模分析，其主要包括磁阻電機(jī)模塊、扇區(qū)選擇模塊、滯環(huán)對(duì)比模塊及功率轉(zhuǎn)換模塊[4]，其仿真分析建模如下頁(yè)圖6所示。

功率轉(zhuǎn)換模塊是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心，其工作穩(wěn)定性直接影響到磁阻電機(jī)的調(diào)速性能，因此功率轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)具有電流能快速增加、主繞組的電壓和系統(tǒng)電源的電壓相一致的特點(diǎn)。在磁阻電機(jī)工作的過程中，直接轉(zhuǎn)矩利用對(duì)定子磁鏈的控制，使磁阻電機(jī)輸出的定子的磁鏈的波動(dòng)限定在一個(gè)設(shè)定的范圍內(nèi)，四相磁阻電機(jī)的四相磁鏈呈垂直交叉分布，A相與C相的連線與B相和D相的連線垂直，且A相與C相方向相反，B相和D相方向相反，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)15°后切換導(dǎo)通相，經(jīng)過60°后完成一個(gè)完整的導(dǎo)通相，由此完成一個(gè)四相磁鏈的坐標(biāo)變換。

圖5 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置仿真模型

4 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置仿真分析

為了對(duì)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制裝置的實(shí)際性能進(jìn)行驗(yàn)證，建立一個(gè)25 kW的磁阻電機(jī)，其阻抗為1.5 Ω，電感為1.2 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.001 4 kg·m2，電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 000 rad/s，額定電壓為360 VDC。其仿真結(jié)果如圖7—圖10所示。

由圖7的磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制波形圖和圖8的傳統(tǒng)PI控制的波形圖可以看出，直接轉(zhuǎn)矩控制的磁阻電機(jī)的響應(yīng)速度快并且磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制輸出的脈動(dòng)較小，運(yùn)轉(zhuǎn)過程平穩(wěn)。

由圖9的磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速波形和圖10的傳統(tǒng)PI控制的轉(zhuǎn)速波形可知，當(dāng)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 rad/s，示波器的每格設(shè)置為500 rad/s，可以看出磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速波形的響應(yīng)速度要遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)的PI控制。

5 結(jié)論

利用仿真分析軟件對(duì)基于轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速裝置進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明該調(diào)速裝置在突變負(fù)載作用下的輸出的脈動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)過程穩(wěn)定性高，且對(duì)外界負(fù)載的響應(yīng)速度要高于傳統(tǒng)的PI控制。

圖7 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制波形圖

圖8 傳統(tǒng)PI控制波形圖

圖9 磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)速波形

圖10 傳統(tǒng)PI控制的轉(zhuǎn)速波形