630 kW開關(guān)磁阻電機驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

張 鑫, 熊立新,2, 程建軍, 張明魁, 徐國玲, 張 云

1.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255087；2.山東理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

0 引 言

作為一種新型高效調(diào)速系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電機(SRM)近年來在鍛壓機械、紡織機械、電動汽車、小家電等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。SRM過載能力強、起動電流小、魯棒性好、可頻繁正反轉(zhuǎn)，特別適合于頻繁起動、正反轉(zhuǎn)和有過載工況的鍛壓機械。2007年，山東理工大學(xué)和山東科匯公司聯(lián)合研發(fā)了中國國內(nèi)第一臺開關(guān)磁阻調(diào)速式數(shù)控螺旋壓力機[1-3]，省去了離合器和液壓回程裝置，結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、打擊效率高，滿足多種材料工藝和變形能量的加工需求，達(dá)到了國際先進技術(shù)水平[4]。近十年，國內(nèi)鍛壓機制造商先后開發(fā)了3～40 MN規(guī)格的開關(guān)磁阻電動螺旋壓力機，市場發(fā)展迅速，SRM驅(qū)動電動螺旋壓力機已成為行業(yè)主流技術(shù)，傳統(tǒng)高能耗的摩擦式壓力機已列入國家淘汰產(chǎn)品目錄。但由于國內(nèi)SRM功率均在400 kW以下，導(dǎo)致80 MN(即8 000 t)以上規(guī)格的電動螺旋壓力機研發(fā)較少。為了解決SRM單機功率小的問題，項目組自2019年聯(lián)合鍛壓機械廠家進行技術(shù)攻關(guān)，2020年研發(fā)了單機630 kW的SRM驅(qū)動系統(tǒng)，并使用雙機同步技術(shù)成功應(yīng)用于8 000 t SRM驅(qū)動電動螺旋壓力機，通過能量柱打擊測試，完全滿足設(shè)計需求，不僅解決了630 kW SRM驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)問題，也標(biāo)志著重型鍛壓設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

1 SRM驅(qū)動電動螺旋壓力機簡介

1.1 SRM工作原理

SRM是雙凸極結(jié)構(gòu)、全磁阻性轉(zhuǎn)矩電機，如圖1所示。轉(zhuǎn)子上沒有永磁體和繞組，僅由硅鋼片疊壓而成，結(jié)構(gòu)堅固、機械強度高。

圖1 SRM結(jié)構(gòu)

該電機安裝有轉(zhuǎn)子位置傳感器，提供給控制器進行高精度數(shù)控伺服控制，可頻繁起停和正反轉(zhuǎn)切換，實現(xiàn)四象限運行。SRM需搭配專用控制器，采用不對稱半橋式功率驅(qū)動拓?fù)洌蒎e性高，不會發(fā)生上下橋直通的短路故障，如圖2所示。

圖2 SRM功率驅(qū)動拓?fù)?/p>

1.2 SRM驅(qū)動電動螺旋壓力機的特點

開關(guān)磁阻數(shù)控螺旋壓力機采用電動螺旋壓力機結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)的摩擦壓力機、離合器式螺旋壓力機等機型的結(jié)構(gòu)改進產(chǎn)品，其整機結(jié)構(gòu)由SRM驅(qū)動系統(tǒng)(連接皮帶或齒輪) 、飛輪、螺桿、螺母、滑塊、制動器和機身組成。由于SRM滿足起動轉(zhuǎn)矩、過載能力、頻繁正反轉(zhuǎn)等要求，因此省去了傳統(tǒng)的摩擦盤或離合器，直接驅(qū)動飛輪，簡化了壓力機的結(jié)構(gòu)，從而降低制造成本。

由于市場缺少400 kW以上大功率SRM，導(dǎo)致SRM驅(qū)動的電動螺旋壓力機只用于4 000 t以下規(guī)格，限制了國產(chǎn)大型壓力機裝備的研發(fā)。8 000 t級電動螺旋壓力機是大型工程機械、航空航天、汽輪機等領(lǐng)域必備的基礎(chǔ)制造設(shè)備，但是長期以來依賴進口，成本高昂。

圖3為本文設(shè)計的630 kW SRM驅(qū)動電動螺旋壓力機的實物圖。經(jīng)測試，該壓力機各項技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進水平，標(biāo)志著中國擁有了大型鍛壓設(shè)備的國產(chǎn)化制造能力。

圖3 80 MN SRM驅(qū)動電動螺旋壓力機

2 630 kW SRM的設(shè)計

2.1 電機參數(shù)設(shè)計

經(jīng)系統(tǒng)計算，80 MN電動螺旋壓力機使用2臺KSM-ES1-6308型630 kW SRM同步驅(qū)動。為了滿足低速大轉(zhuǎn)矩，電機定轉(zhuǎn)子采用24/16極配置，而不是市場常見的12/8極。電機設(shè)計參數(shù)如表1所示，滿足壓力機對過載能力的要求。

表1 630 kW SRM參數(shù)

2.2 電機機械設(shè)計

為了確保電機在電動螺旋壓力機高強度的沖擊振動下可靠運行，機座采用鋼板焊接的特殊設(shè)計，輔以散熱筋，兼顧散熱并提高機械強度。軸設(shè)計成輻筋結(jié)構(gòu)，輻筋外熱套圓筒，圓筒外套轉(zhuǎn)子沖片，可有效減小轉(zhuǎn)子重量，降低成本，結(jié)構(gòu)如圖4所示。轉(zhuǎn)子鐵心一端使用軸擋肩，另一端使用環(huán)鍵固定。由于轉(zhuǎn)軸直徑比較大，為了操作方便，將環(huán)鍵平均分為多塊，牢固焊接在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)軸上設(shè)計有4個均布的鍵槽，用平鍵固定轉(zhuǎn)子沖片。

圖4 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

考慮到現(xiàn)場為打擊運行頻率較低的斷續(xù)工作制，電機整機采用軸流風(fēng)機強迫風(fēng)冷方式冷卻，通過檢測內(nèi)部溫度控制風(fēng)機起停。

電機整機質(zhì)量為7.9 t，底腳螺栓、端蓋螺栓等連接件均經(jīng)過強度計算[5-6]，采用足夠數(shù)量的高強度螺栓。定子沖片外徑990 mm，若疊壓不當(dāng)很容易漲齒、變形，從而影響電機使用性能，故定子鐵心采用24個扣條固定，比扣片固定更牢固，并能保證機械強度。

電機采用H級絕緣材料以提高電氣可靠性，在線圈和軸承中分別埋置鉑熱電阻，以檢測電機實時溫度，提供必要的溫度保護。

車田里渡口因車田里村而得名，它位于廣西區(qū)全州縣全州鎮(zhèn)湘江上，由于地處湘江源頭河段，雖然是七級航道，但長期以來處于非通航狀態(tài)。渡口設(shè)立之時水流平緩，當(dāng)時使用木質(zhì)渡船，用槳擺渡。近幾年河道采砂對下游淺灘進行開采，水流變急，擺渡困難。

3 SRM控制器設(shè)計

3.1 控制器的主要功能

SRM控制器完成電機的控制與驅(qū)動，所設(shè)計的630 kW電機控制器采用三相交流1 140 V供電，功率半導(dǎo)體輸出最大峰值電流為1 900 A，輸出容量為1 260 kVA，具備2臺電機同步功能?？刂破骺蓪崿F(xiàn)50～1 000 r/min范圍內(nèi)無級調(diào)速；利用電流、位置等反饋量實現(xiàn)電流及速度的閉環(huán)控制；可以驅(qū)動電機運行在電動和發(fā)電狀態(tài)，具備單獨放電單元，實現(xiàn)能耗制動功能；具有過熱、過壓、欠壓、過流、過載、超速等保護功能。

3.2 控制器的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 多臺電機轉(zhuǎn)矩同步技術(shù)

與單電機系統(tǒng)相比，多電機同步驅(qū)動一臺設(shè)備可降低電機的體積、功率等級或電壓等級，有利于降低成本和生產(chǎn)難度。8 000 t級以上的大型鍛壓設(shè)備為降低生產(chǎn)難度通常用2臺630 kW以上或4臺315 kW以上電機同時驅(qū)動主軸，要求多臺電機同時提供轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的一致性程度將影響設(shè)備運行工況。

圖5為主從機示意圖，本文設(shè)計的控制器使用CAN隔離模塊傳輸控制信號，以主從機方式實現(xiàn)多臺電機電流的實時同步性。

圖5 主從機示意圖

任意一臺控制器可以設(shè)置為主機，并跟隨系統(tǒng)給定，同時向多臺從機提供設(shè)置轉(zhuǎn)速、起停、轉(zhuǎn)矩等信息。主機受到擾動或工況影響產(chǎn)生的運動狀態(tài)變化也會傳遞給從機，有利于減小從機與主機的同步誤差。兩者之間的同步是單向的。上位機采用DSP，下位機為FPGA，兩者通過CAN協(xié)議進行通信。高速CAN隔離模塊傳輸速率高，隔離等級高，集隔離與總線保護于一身，能有效減少多臺設(shè)備間的同步時間延遲，有效地提高轉(zhuǎn)矩同步能力。

3.2.2 層疊式母排的應(yīng)用

由于主回路雜散電感的影響，大電流、高頻工況下IGBT關(guān)斷時CE極間峰值電壓較高，容易造成功率器件損壞。采用低雜散電感特性的疊層母線銅排作為功率驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)連接件具有很大優(yōu)勢。疊層母排將多層母排疊壓，各層之間由聚酰亞胺絕緣層隔離。因為相鄰層母排電流相反，兩者感應(yīng)磁場相互抵消，所以降低了母排的總體雜散電感。層疊母排的寬度、間距、回路長度、過孔均對雜散電感量有影響。雙層母排雜散電感的理論計算式[7]如下：

(1)

式中：μ0、μr分別為真空磁導(dǎo)率和母排導(dǎo)體的相對磁導(dǎo)率；d為層間距；I為導(dǎo)體流過的電流；w為導(dǎo)體寬度；ω為激勵電流頻率；δ為該頻率下的集膚效應(yīng)深度;σ為導(dǎo)體電阻率。

由式(1)和有限元仿真可知，當(dāng)層間間距遠(yuǎn)小于母排寬度時，雜散電感與母排間距近似成正比，與母排寬度近似成反比，與回路長度近似成正比。過孔會降低母排間的交疊程度，應(yīng)避免布置在交流密度較高的區(qū)域。

根據(jù)理論計算和仿真分析，本設(shè)計定制了層疊式復(fù)合母排，如圖6所示。結(jié)構(gòu)緊湊，有效減小了主回路雜散電感及回流面積，確保CE極間電壓在安全范圍之內(nèi)，以減少電壓尖峰對元器件的損害，提高電子元件的使用壽命。

3.2.3 IGBT的光纖驅(qū)動

IGBT驅(qū)動信號的可靠性及故障保護功能尤為重要。傳統(tǒng)的光耦隔離、變壓器隔離適用于中小功率驅(qū)動器，在高壓大電流工況下，低壓驅(qū)動信號容易受到外部強磁場的干擾，引起導(dǎo)通時序錯誤，造成IGBT損壞。光纖隔離驅(qū)動是光耦隔離的技術(shù)升級，光纖收發(fā)器之間不存在直接連接的電氣關(guān)系，因此電磁兼容性能極佳。光線驅(qū)動系統(tǒng)原理示意圖如圖7所示。

圖7 光纖驅(qū)動系統(tǒng)原理示意圖

大功率控制系統(tǒng)IGBT的開關(guān)頻率一般設(shè)置在10 kHz以下，且傳輸距離短，主控制電路與IGBT主電路間光纖的傳輸速率0.5～1.0 MB/s即可以滿足要求，傳輸速率越低，功耗越低。IGBT和光纖接收板如圖8所示。光纖接收板抗干擾能力強，信號傳輸延遲小，能有效提高驅(qū)動信號和系統(tǒng)的可靠性。

圖8 IGBT和光纖接收板

4 整機臺架測試

630 kW SRM驅(qū)動系統(tǒng)的測試在淄博市開關(guān)磁阻電機及控制技術(shù)重點實驗室的1 000 kW開關(guān)磁阻電機專用試驗平臺完成，測試環(huán)境如圖9、圖10所示。負(fù)載為1 000 kW直流發(fā)電機。

圖9 電機測試環(huán)境

圖10 電機控制器

經(jīng)臺架測試，電機起動性能如圖11所示。在控制器IGBT所允許的最大峰值電流下，起動轉(zhuǎn)矩最高可以達(dá)到3.4倍額定轉(zhuǎn)矩。

圖11 電機最大起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

電機和控制器整體驅(qū)動系統(tǒng)效率如圖12所示。系統(tǒng)效率可以達(dá)到93%?？刂破黝~定負(fù)載下滿足溫升小于40 K的要求。

圖12 電機額定轉(zhuǎn)速效率曲線

5 結(jié) 語

在8 000 t電動螺旋壓力機的整機能量柱打擊測試中，本文設(shè)計的SRM驅(qū)動系統(tǒng)各項功能指標(biāo)水平較高。630 kW SRM驅(qū)動系統(tǒng)的成功設(shè)計和應(yīng)用，不僅為大功率SRM和控制器開發(fā)提供了創(chuàng)新性的經(jīng)驗，還為高性能、高能效、直驅(qū)式萬噸級電動螺旋壓力機的國產(chǎn)化制造奠定了基礎(chǔ)，對推動國產(chǎn)大型裝備制造的發(fā)展具有重要意義。