永磁同步電動(dòng)機(jī)在蓄電池電機(jī)車中的應(yīng)用

吳玉良

上海大屯能源股份有限公司設(shè)備管理中心 江蘇徐州 22161

傳統(tǒng)的煤礦中大部分使用的還是以直流串激電動(dòng)機(jī)為牽引電動(dòng)機(jī)的蓄電池電機(jī)車，由于他是通過(guò)切換電阻實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的啟停和速度控制的，整體調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，且調(diào)節(jié)不夠靈活。另外，傳統(tǒng)的直流串激電動(dòng)機(jī)還會(huì)浪費(fèi)大量的能源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，平均一臺(tái)電機(jī)車?yán)速M(fèi)電量近四萬(wàn)千瓦時(shí)，是不可忽視的數(shù)額，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有必要尋找新的電動(dòng)機(jī)對(duì)蓄電池電機(jī)車進(jìn)行升級(jí)和更新。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置要求

傳統(tǒng)的直流串激電動(dòng)機(jī)是利用通電的方式，讓電磁鐵產(chǎn)生磁性，在這個(gè)過(guò)程中，會(huì)因此產(chǎn)生一部分的電能損耗和熱耗，使用永磁同步電動(dòng)機(jī)則能夠有效的消除這部分的損耗，而且，永磁同步電動(dòng)機(jī)還具有工作效率高、響應(yīng)快、變速靈活、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以更加適合現(xiàn)如今的煤礦企業(yè)的電機(jī)車使用。而針對(duì)目前的煤礦企業(yè)電機(jī)車的實(shí)際情況，對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)裝置的需求，主要涉及以下幾個(gè)領(lǐng)域：

第一是整體的設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論已經(jīng)安全性、穩(wěn)定性、高效性的設(shè)計(jì)目標(biāo)。第二個(gè)是其關(guān)鍵裝置調(diào)速器的研發(fā)工作，要求永磁同步電動(dòng)機(jī)中的調(diào)速器具有響應(yīng)迅速、調(diào)速靈活的特點(diǎn)，另外，為了保證其使用的安全性和穩(wěn)定性，還需要考慮其隔爆功能。第三是電機(jī)車驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)的控制電路設(shè)計(jì)，要求啟動(dòng)響應(yīng)速度快，制動(dòng)距離短。第四是關(guān)于能耗的相關(guān)問(wèn)題的設(shè)計(jì)，主要是工作效率的提高以及散熱方面的問(wèn)題研究。第五是關(guān)于控制器的抗振性能的研究，運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)會(huì)威脅到控制器的控制能力，降低其可靠性，如果是抗振性能差的控制器，因?yàn)殚L(zhǎng)期工作在高頻率振動(dòng)工況下，則很有可能降低其使用壽命。最后是蓄電池的設(shè)計(jì)技術(shù)，保證蓄電池整體工作更加的平穩(wěn)，提升蓄電池的使用壽命和充放電效率。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)

2.1 基本組成及原理

永磁同步電動(dòng)機(jī)的組成主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分，定子是電動(dòng)機(jī)不動(dòng)的部分轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)工作時(shí)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的部分。永磁同步電動(dòng)機(jī)的定子部分與其他電動(dòng)機(jī)組成基本相同，由繞組、鋼片、機(jī)殼等構(gòu)成，而其轉(zhuǎn)子部分則是使用磁極鐵芯配合永磁磁鋼的組合[1]。其工作過(guò)程中也是在通電后讓鐵芯帶磁性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了外部磁鋼N極S極交替運(yùn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)的工況。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的電路設(shè)計(jì)，主要需要實(shí)現(xiàn)以下三種功能，第一是控制功能，這是電動(dòng)機(jī)的主要功能，通過(guò)控制電路實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制工作，包括啟停和調(diào)速，所以控制電路實(shí)際上是與調(diào)速器相連的。第二個(gè)是可以將直流電變成交流電的逆變電路，要想實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，需要頻率可調(diào)的交流電才能實(shí)現(xiàn)鐵芯磁極的翻轉(zhuǎn)[2]。最后是顯示部分，通過(guò)與數(shù)字顯示端連接，實(shí)時(shí)的對(duì)電動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行反饋，包括速度、溫度等情況，以便隨時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制。

2.3 矢量控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

矢量控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，一般來(lái)講，會(huì)在輸入端輸入一個(gè)搭載了轉(zhuǎn)子位置和速度的矢量信息，轉(zhuǎn)子上自帶傳感器，會(huì)拾取目前轉(zhuǎn)子的位置及速度的實(shí)時(shí)矢量信息，兩者進(jìn)行比較后，比較結(jié)果進(jìn)入調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，由于指令要求與實(shí)際工況之間的對(duì)比判斷可能出現(xiàn)三種結(jié)果（指令＞實(shí)際、指令＜實(shí)際以及指令=實(shí)際），如果指令信號(hào)與實(shí)際工況信號(hào)相符，則不需要控制，如果指令信號(hào)不等于實(shí)際工況，需要增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或者減少轉(zhuǎn)速的情況，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)指令電流經(jīng)過(guò)三相逆變電路的處理，形成頻率可調(diào)的交流電輸入到定子當(dāng)中，形成一個(gè)相對(duì)封閉的控制系統(tǒng)。

3 應(yīng)用效果分析

本次研究選取了某煤礦的電機(jī)車升級(jí)前后的各方面數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如下表1：

表 1 電機(jī)車升級(jí)前后性能對(duì)比

3.1 安全性

經(jīng)過(guò)改造之后，電機(jī)車的制動(dòng)距離從原本的12米下降到了8.4米，制動(dòng)距離的縮短說(shuō)明升級(jí)后的永磁同步電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)方面響應(yīng)更快，減少了事故發(fā)生的幾率。

3.2 節(jié)能性

國(guó)家規(guī)定煤礦電機(jī)車的工作效率需要在60%以上，經(jīng)過(guò)升級(jí)改造之后，使用永磁同步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)車工作效率在90%～93%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國(guó)家的規(guī)定，極大的提升了能源的轉(zhuǎn)化效率，節(jié)約了使用成本。經(jīng)檢測(cè)，同樣的蓄電池在此前使用直流串激電動(dòng)機(jī)時(shí)，續(xù)航里程只有三十五公里（續(xù)航里程指一次充滿電能之后運(yùn)行的總里程數(shù)），而改造為永磁同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)車后，同樣的蓄電池供電續(xù)航里程達(dá)到了五十八公里，極大的提升了能源的利用率，僅電池這一項(xiàng)開資，每臺(tái)電機(jī)車每年可為公司節(jié)省兩萬(wàn)五千元左右，極大的節(jié)省了企業(yè)的開資。

3.3 延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命

傳統(tǒng)的直流串激電動(dòng)機(jī)在工作工程中，可能會(huì)使蓄電池處于過(guò)放狀態(tài)而導(dǎo)致蓄電池的報(bào)廢，新設(shè)計(jì)的調(diào)速器，能夠?qū)π铍姵仄鸬奖Ｗo(hù)作用，避免蓄電池工作在過(guò)放狀態(tài)。

3.4 降低維護(hù)費(fèi)用

永磁同步電動(dòng)機(jī)本身基本上是不用維護(hù)的，對(duì)于電機(jī)車的其他部件來(lái)講，由于傳統(tǒng)的斬波調(diào)速方式振動(dòng)較大，強(qiáng)大的機(jī)械振動(dòng)波對(duì)于其他部件的損傷很大，而其他部件處在安全的工況之下是保證整個(gè)電機(jī)車正常運(yùn)轉(zhuǎn)、避免事故發(fā)生的先決條件，在傳統(tǒng)的直流串激電動(dòng)機(jī)電機(jī)車中，就需要投入更多的人力物力對(duì)其進(jìn)行頻繁的檢修以確保電機(jī)車的穩(wěn)定工作[3]。改用永磁同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)車之后，除去一些磨損耗材，每臺(tái)電機(jī)車在維護(hù)和修理方面能夠節(jié)省近20萬(wàn)元的費(fèi)用，可謂是一筆不菲的開資。

3.5 增大了牽引力

電動(dòng)機(jī)的牽引力增加，就意味著電機(jī)車每次能夠承載的貨物質(zhì)量得到了提升，貨物承載能力的提升，就意味著其工作效率的提升，整體工作效率的提升就能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造更多的產(chǎn)值和財(cái)富，提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展前景，影響非常深遠(yuǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，對(duì)于煤礦企業(yè)來(lái)講，電機(jī)車的重要性不言而喻，在往返礦井中運(yùn)輸?shù)V石的過(guò)程中，其工作的效率和安全性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電機(jī)車采用直流串激電動(dòng)機(jī)作用動(dòng)力系統(tǒng)，其安全性差、壽命短、效率低，導(dǎo)致了能源的浪費(fèi)和工作效率的下降，每年在電機(jī)車維護(hù)修理、蓄電池更換以及電能的消耗方面，企業(yè)需要為此付出大量的人力物力和財(cái)力，這與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展目標(biāo)顯然不相符[4]。相關(guān)的研究者經(jīng)過(guò)了各種各樣的嘗試，包括引入晶閘管技術(shù)改良電機(jī)車，最終均以失敗告終。永磁同步電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，可謂是傳統(tǒng)電機(jī)車的福音，不僅極大程度的增加了其工作效率，而且實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，有效延長(zhǎng)了機(jī)組和蓄電池的使用壽命，極大的減少了維護(hù)費(fèi)用，為企業(yè)節(jié)省了不小的開支，并極大的提升了工作效率。