輸送機(jī)永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭李琴

（霍州煤電集團(tuán)獲寶干河煤礦，山西洪洞041600）

0 引言

煤炭作為我國一次能源消耗的主體，開采過程中需要各種大功率機(jī)械設(shè)備的配合使用，其中，輸送機(jī)是煤礦井下運(yùn)輸煤炭的主要機(jī)械設(shè)備，雖然礦井近幾年在電氣設(shè)備的交流化改造中取得了一定程度的進(jìn)展，但是設(shè)備的運(yùn)行效率低下、能耗大等問題依舊沒有解決[1-4]。目前，異步電機(jī)依舊是輸送機(jī)的主要運(yùn)行電機(jī)，運(yùn)行效率的低下進(jìn)一步增加設(shè)備的能耗，因此需要及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)[5-6]。本文針對(duì)此問題，對(duì)輸送機(jī)永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)用效果顯示優(yōu)化后的調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好，實(shí)現(xiàn)了降低能耗的目的，對(duì)礦井節(jié)能有重要意義。

1 輸送機(jī)永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 大功率防爆變頻器設(shè)計(jì)

輸送機(jī)在礦井運(yùn)輸系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，根據(jù)輸送機(jī)的實(shí)際運(yùn)行條件，對(duì)永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到低損耗、高效率的目的。因?yàn)檩斔蜋C(jī)運(yùn)行條件復(fù)雜，為了達(dá)到安全運(yùn)輸?shù)哪康?，系統(tǒng)需具備防爆功能，大功率的防爆變頻器在工作過程中產(chǎn)生的熱量較多，且變頻器主板的運(yùn)行空間較為封閉，各開關(guān)器件的散熱成為系統(tǒng)運(yùn)行的重要因素。因?yàn)楸竟?jié)主要針對(duì)大功率防爆變頻器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 為變頻器逆變器主回路系統(tǒng)圖，從圖中可以看出，考慮到輸送機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中可能存在負(fù)載運(yùn)行的狀況，因此變頻器的直流回路均采用二極管兩象限設(shè)計(jì)，同時(shí)為了滿足運(yùn)載工況和電機(jī)1140 V 的電壓等級(jí)，設(shè)計(jì)直流母線電壓值大于1800 V。逆變器的主回路采用NPC 三電平設(shè)計(jì)可以緩解直流回路中的電壓值，同時(shí)提高直流母線回路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了開關(guān)器件的電壓值和敏感度。相較之前的兩電平設(shè)計(jì)，三電平設(shè)計(jì)可以降低系統(tǒng)的諧波值，提高電機(jī)的穩(wěn)定性，同時(shí)，三電平設(shè)計(jì)可以保證開關(guān)器件在較低的頻率下實(shí)現(xiàn)控制功能，降低系統(tǒng)散熱，達(dá)到節(jié)能的目的。

圖1 變頻器逆變器主回路系統(tǒng)圖

采用三電平設(shè)計(jì)時(shí)通過調(diào)制算法抑制電位波動(dòng)問題，同時(shí)整個(gè)整流側(cè)均采用不控整流設(shè)計(jì)，降低了二極管承受的壓力值和中點(diǎn)電位值。

大功率防爆變頻器設(shè)計(jì)原則如下：

（1）選擇額定功率為1000 kW 的兩臺(tái)變壓器進(jìn)行供電，考慮到井下空間有限，電壓值容易出現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，因此變壓器的選擇采用多抽頭設(shè)計(jì)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)工作環(huán)境以及絕緣等級(jí)的控制。

（2）原系統(tǒng)中采用不控整流的設(shè)計(jì)，因此回路中并沒有傳感器，無法測(cè)量回路電流、電壓，系統(tǒng)保護(hù)性能差，因此在交流電進(jìn)線端一側(cè)加設(shè)快速熔斷器加強(qiáng)對(duì)線路的保護(hù)，其中，快速熔斷器的額定電流為750 A，額定電壓為1000 V。

（3）綜合考慮到各個(gè)器件的安全工作電壓，逆變回路中采用三電開拓降低期間的承載電壓值。

根據(jù)工作環(huán)境以及變頻器設(shè)計(jì)原則，對(duì)大功率防爆變頻器硬件系統(tǒng)進(jìn)行以下設(shè)計(jì)：硬件系統(tǒng)是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，本次硬件系統(tǒng)芯片算法選用DSPTMS320F2812 核心算法，單一24 V的電源輸入可保證硬件板卡在電源波動(dòng)的情況下實(shí)行穩(wěn)定運(yùn)行，電源經(jīng)過變換隔離后分成不同量級(jí)的電壓供給各個(gè)板塊以及器件進(jìn)行運(yùn)行，值得注意的是，在有強(qiáng)電磁的環(huán)境下，需要加強(qiáng)對(duì)電源輸入的防護(hù)設(shè)計(jì)。

1.2 永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)直驅(qū)系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)依賴于對(duì)拖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中電源進(jìn)線電壓為10 V，隨后在調(diào)壓器的作用下分流給變壓器（負(fù)載變壓器和供電變壓器），其中負(fù)載變壓器為四象限變頻器，可以滿足電機(jī)工作狀態(tài)的能量供給；負(fù)載電機(jī)的型號(hào)為額定電壓為1140 V 的鼠籠電機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)控制方案如下：通過在主中段內(nèi)加設(shè)相關(guān)信號(hào)處理，提高系統(tǒng)的保護(hù)能力并且實(shí)現(xiàn)控制策略的調(diào)制。復(fù)位信號(hào)以及外圍信號(hào)主要通過命令程序進(jìn)行控制，其中AD 程序主要負(fù)責(zé)外圍信號(hào)的采集，保護(hù)系統(tǒng)根據(jù)采集得到的電流電壓值進(jìn)行系統(tǒng)的保護(hù)，當(dāng)采集信號(hào)異常時(shí)，系統(tǒng)直接進(jìn)行停機(jī)保護(hù)操作；軟件系統(tǒng)中的另外一個(gè)狀態(tài)機(jī)程序主要負(fù)責(zé)設(shè)備故障信息的采集，初始定位程序負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的計(jì)算，無速度矢量控制算法是計(jì)算的核心。

2 實(shí)際運(yùn)行結(jié)果分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行運(yùn)行，對(duì)輸送機(jī)全載運(yùn)行狀態(tài)下工況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)零矢量分配因子為低電平時(shí)，數(shù)值往往是1 或者-1，相電壓數(shù)據(jù)顯示母線可以減少損耗，同時(shí)發(fā)現(xiàn)輸出電流的幅值均較高，已經(jīng)滿足控制需求，證明了即使在全載運(yùn)行狀態(tài)，電位仍然能實(shí)現(xiàn)平衡控制，因此開關(guān)等期間的損耗降低。

為了更直觀的觀測(cè)輸送機(jī)永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)后基板的能耗變化，對(duì)優(yōu)化前后的基板進(jìn)行熱成像圖的觀測(cè)，得到圖2 所示的結(jié)果，從圖中可以看出，優(yōu)化前基板的最高溫度達(dá)到77℃，優(yōu)化后基板的最高溫度為68℃，整體降幅達(dá)到11.69%，而且可以看出，優(yōu)化后基板各個(gè)位置的溫度均有明顯的降低，熱量較為集中的區(qū)域明顯減少，熱損耗降低明顯。

本文采用全速域傳感器控制永磁同步電機(jī)的運(yùn)行狀況，為了驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性，對(duì)永磁同步電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比分析，得到圖3 所示的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等控制效果圖，從圖中可以看出，額定工況下，永磁同步電機(jī)的估計(jì)平均轉(zhuǎn)速為60 r/min，實(shí)際運(yùn)行狀況下，雖然不同時(shí)刻轉(zhuǎn)速值有所波動(dòng)，但是實(shí)際平均轉(zhuǎn)速依舊為60 r/min，與理論值完全吻合，可見，全速域傳感器在控制永磁同步電機(jī)的運(yùn)行狀況上有良好的應(yīng)用。

圖2 優(yōu)化前后基板紅外熱成像圖

圖3 永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等控制效果圖

3 結(jié)語

本文針對(duì)永磁同步電機(jī)的實(shí)際使用狀況，對(duì)輸送機(jī)永磁同步電機(jī)直驅(qū)調(diào)速系統(tǒng)以及大功率防爆變頻器設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在全速域傳感器的監(jiān)測(cè)和控制策略的控制下，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后基板的最高溫度相較優(yōu)化后基板的最高溫度降低11.69%，熱損耗明顯降低，同時(shí)，全速域傳感器控制永磁同步電機(jī)的運(yùn)行狀況與理論值完美切合，表明優(yōu)化后的調(diào)速系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)場(chǎng)工況。