開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)在選煤廠的應(yīng)用

戚國(guó)亮

（山西焦煤官地選煤廠，山西 太原 030022）

開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) （Switched Reluctance Motor，SRM）系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)嵌的優(yōu)化控制算法使得該系統(tǒng)的運(yùn)行效果更加突出，廣泛應(yīng)用于煤礦、化工、紡織等領(lǐng)域。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的調(diào)速性能優(yōu)越，適合在長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行、頻繁正反轉(zhuǎn)、重載啟動(dòng)等場(chǎng)合使用，也能夠適應(yīng)于高粉塵、易燃易爆等惡劣環(huán)境［1-2］。因此，在選煤廠調(diào)速設(shè)備中，如刮板輸送機(jī)、泵機(jī)、空壓機(jī)等都安裝有開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)。文章基于開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)控制系統(tǒng)，分析其原理、結(jié)構(gòu)以及在選煤廠刮板輸送機(jī)上的應(yīng)用，并拓展至選煤廠其他電機(jī)控制系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能降耗、安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

1 原理及結(jié)構(gòu)

開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)在選煤廠的應(yīng)用主要用于調(diào)速，如對(duì)刮板輸送機(jī)、泵站電機(jī)等進(jìn)行調(diào)速。利用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速同時(shí)具備直流調(diào)速、交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，如效率高、控制靈活、性能優(yōu)越等。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的SRM是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件。系統(tǒng)的供電電源為蓄電池或者直流電，作用于功率變換器，為調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行提供能量。外部轉(zhuǎn)速給定控制指令輸入至控制器，并與獲取的電流檢測(cè)信號(hào)、位置檢測(cè)信號(hào)按照設(shè)計(jì)的控制策略對(duì)IGBT等功率管進(jìn)行通斷控制，從而控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)行時(shí)遵循“磁阻最小原理”，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子持續(xù)向磁阻減小的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行［3-4］。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的基本控制策略有用于控制中低速運(yùn)行的電流斬波控制、電壓斬波控制，有用于控制高速運(yùn)行的角度位置控制。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速時(shí)的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)三段，分別對(duì)應(yīng)不同的控制方式。

2 方案分析

2.1 硬件方案分析

用于選煤廠刮板輸送機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)硬件組成見(jiàn)圖1，由供電電源、功率變換器、控制器、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、電流檢測(cè)器、位置檢測(cè)以及負(fù)載器等組成。

圖1 開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)硬件組成框圖

（1）電源

系統(tǒng)以三相交流電源供電，經(jīng)整流電路整流后將其轉(zhuǎn)換為直流電，直接作用與功率變換器。經(jīng)整流后的直流電壓峰值為平均值為。

（2）功率變換器

功率變換器用于控制開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的A、B、C三相繞組循環(huán)導(dǎo)通，同時(shí)還是繞組能量回饋路徑。功率變換器內(nèi)部采用三相不對(duì)稱(chēng)半橋結(jié)構(gòu)，單相電路由兩只開(kāi)關(guān)管、兩只續(xù)流二極管組成，結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立并有利于繞組快速退磁。根據(jù)直流電壓峰值、平均值，選用的開(kāi)關(guān)管的耐壓為1 200 V，額定電流為75 A。選用的IGBT采用全橋結(jié)構(gòu)，具有安全、穩(wěn)定的特點(diǎn)［5］。

（3）控制器

控制器是開(kāi)關(guān)磁阻智能電機(jī)系統(tǒng)的核心，用于數(shù)據(jù)采集、控制策略識(shí)別與運(yùn)行等?？刂破鬟x用TI的TMS320F28335 數(shù)字信號(hào)處理器［6］，時(shí)鐘頻率為150 MHz，支持32 位浮點(diǎn)運(yùn)算?？刂破飨到y(tǒng)由TMS320F28335 芯片最小系統(tǒng)、位置/ 速度檢測(cè)電路、故障檢測(cè)電路、保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、位置信號(hào)調(diào)理電路、鍵盤(pán)電路以及顯示電路組成。

（4）電流檢測(cè)電路

開(kāi)關(guān)磁阻智能電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩由電流決定，因此電流檢測(cè)運(yùn)行時(shí)的精度直接影響系統(tǒng)運(yùn)行性能。電流檢測(cè)一般有電阻采樣、霍爾傳感器采樣兩種方法。本文選用CHCS-LTSH-25A霍爾電流傳感器對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)，輸出電壓信號(hào)［7-8］。該傳感器的額定電流為25 A，在-25A～+25A之間線性度較好，輸出電壓與檢測(cè)電流滿(mǎn)足式（1）：

式中：IPN為霍爾傳感器的標(biāo)定額定電流，IP為被檢測(cè)電流。

（5）位置檢測(cè)電路

開(kāi)關(guān)磁阻智能電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的換相過(guò)程與位置參數(shù)息息相關(guān)。位置檢測(cè)電路由P521 光耦、7414 反相器、3384 電平轉(zhuǎn)換芯片組成。開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)內(nèi)嵌8 槽遮光盤(pán)、3 個(gè)光電開(kāi)關(guān)，電機(jī)運(yùn)行每隔7.5°輸出一個(gè)上升沿或者下降沿信號(hào)；每45°為一個(gè)周期，所有信號(hào)重復(fù)，共8 個(gè)周期。位置檢測(cè)電路必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行光耦隔離，避免多脈沖跳以及環(huán)境干擾，提高位置檢測(cè)精度，方便計(jì)數(shù)并精確電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2 軟件方案分析

用于選煤廠刮板輸送機(jī)的開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)軟件基于Keil ARM軟件平臺(tái)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行模塊化編程。按照開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)硬件設(shè)計(jì)框圖，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化模塊、主程序模塊、控制策略模塊、中斷服務(wù)模塊、顯示模塊以及鍵盤(pán)處理模塊組成。軟件系統(tǒng)通過(guò)定義全局變量、標(biāo)志位、函數(shù)塊實(shí)現(xiàn)各模塊之間的關(guān)聯(lián)與有序執(zhí)行。系統(tǒng)初始化模塊完成對(duì)TMS320F28335 參數(shù)設(shè)置、SRM參數(shù)設(shè)置、變量初始化、用到的內(nèi)存空間初始化以及允許中斷等，最后啟動(dòng)主程序。主程序用于運(yùn)行實(shí)時(shí)性不強(qiáng)的程序，同時(shí)等待定時(shí)器中斷；主程序中還包括轉(zhuǎn)速計(jì)算、液晶顯示、輸入輸出程序、故障判斷程序、鍵盤(pán)掃描程序以及調(diào)用子程序等?？刂撇呗阅K中實(shí)現(xiàn)PR、PI以及電流斬波控制、電壓斬波控制以及角度位置控制三種方法。中斷服務(wù)用于處理實(shí)時(shí)性強(qiáng)的程序，如電流檢測(cè)程序、位置檢測(cè)程序、轉(zhuǎn)速控制、標(biāo)志位更新等功能；采用定時(shí)器0 控制中斷頻率為50 kHz、10 kHz以及1 kHz程序；定時(shí)器1 用于完成標(biāo)志位更新功能，每0.5 s更新一次。開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)主程序流程見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)軟件流程框圖

3 應(yīng)用分析

西山煤電官地礦選煤廠生產(chǎn)車(chē)間431 刮板輸送機(jī)原電機(jī)系統(tǒng)采用三相異步電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為Y-160L-4。采用開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)上述兩電機(jī)系統(tǒng)的核心參數(shù)，如功率、電壓、總用電量、小時(shí)耗電等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 選煤廠刮板輸送機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)的刮板輸送機(jī)小時(shí)耗電量由原來(lái)的6.86 下降至3.98，節(jié)電率可由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：W1為原方案小時(shí)耗電量，W2為優(yōu)化后方案小時(shí)耗電量，η為節(jié)電率?？芍?，該選煤廠刮板輸送機(jī)電機(jī)控制系統(tǒng)替換為開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)后的節(jié)電率η為41.9%，節(jié)電效果明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)關(guān)磁阻式智能電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于選煤廠刮板輸送機(jī)后，減少了系統(tǒng)啟動(dòng)的電量損耗，且產(chǎn)生了良好的節(jié)能效果。優(yōu)化后的選煤廠刮板輸送機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻智能電機(jī)系統(tǒng)具有啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，開(kāi)關(guān)磁阻智能電機(jī)系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于選煤廠的磁選機(jī)入料泵、清水泵、下料溜槽打料系統(tǒng)、底流回收泵等電機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能降耗、安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。