對無軌膠輪車用防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

余倩倩

摘要：文章簡述無軌膠輪車在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用特點(diǎn)和適用條件，進(jìn)一步探討防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)在無軌膠輪車上的設(shè)計(jì)問題，分別從電動機(jī)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)和控制機(jī)制等角度著手進(jìn)行探討設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有良好的適用性和實(shí)用性，以滿足煤礦井下復(fù)雜工作環(huán)境中使用。

關(guān)鍵詞：無軌膠輪車;電動機(jī)系統(tǒng);控制裝置

引言：無軌膠輪車從其運(yùn)用到煤礦生產(chǎn)活動至今，已歷經(jīng)數(shù)十年，因?yàn)槠錈o軌道的限制，使得其工況適應(yīng)力高，應(yīng)用靈活性突出，為相關(guān)生產(chǎn)活動的應(yīng)用和發(fā)展提供有利條件。迄今為止，無軌膠輪車在國內(nèi)煤礦安全生產(chǎn)活動中，在人員運(yùn)輸、物料運(yùn)輸、實(shí)地指揮、救援等工作中，逐漸發(fā)展成煤礦內(nèi)重要的運(yùn)輸方式之一。而原本所用的柴油機(jī)，不僅成本高，還會形成污染問題。

一、無軌膠輪車應(yīng)用特點(diǎn)及適用條件

（一）應(yīng)用特點(diǎn)

無軌膠輪車是當(dāng)代煤礦生產(chǎn)中重要的運(yùn)輸工具之一，對于實(shí)現(xiàn)礦井機(jī)械化、自動化及智能化生產(chǎn)，有著關(guān)鍵作用。其不僅能運(yùn)送人員，還能輸送設(shè)備及生產(chǎn)物料。無軌膠輪車的特點(diǎn)，概括為：無軌膠輪車沒有軌道的限制，機(jī)動靈活，承載性好，支持運(yùn)送人員、設(shè)備及生產(chǎn)物料，整個(gè)過程不必人工過多干涉，便可實(shí)現(xiàn)從地面到井下工作位置的“點(diǎn)對點(diǎn)”直達(dá)式連續(xù)化運(yùn)輸，和其他輔助運(yùn)輸方式相比，可大大提高運(yùn)輸效率和減少人工勞動量;無軌膠輪車操作便捷、性能優(yōu)良，車身整體較短、靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)曲率半徑在3m～6m空間的轉(zhuǎn)彎移動;再加之，無軌膠輪車離地間隙高，工況適用性強(qiáng)，即使在起伏巷道也具有良好的工作表現(xiàn)性，并且車輛工作可靠、安全性高，在當(dāng)代煤礦生產(chǎn)輔助運(yùn)輸系統(tǒng)中有著明顯優(yōu)勢[1]。

（二）適用條件

無軌膠輪車現(xiàn)有種類較多，以下從巷道要求、溫度環(huán)境、路面條件等幾個(gè)基本方面簡述其適用條件。（1）運(yùn)輸巷寬度和高度要求：運(yùn)輸巷的高度及寬度，必須能夠滿足無軌膠輪車的安全行駛要求。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》（2016版）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對無軌膠輪車的車身和運(yùn)輸巷之間的最小距離，有明確要求，頂部和兩側(cè)均要至少達(dá)到500mm;雙車道行駛，會車時(shí)兩車間隔不得小于500mm;曲線巷道段，應(yīng)當(dāng)在直線巷道允許的安全間隙基礎(chǔ)上，按照車輛內(nèi)外輪曲率半徑，加大巷道寬度。為滿足車輛安全運(yùn)輸要求，運(yùn)輸巷道宜采用無棚腿支護(hù)形式。（2）運(yùn)輸巷道坡度要求：大巷及工作面巷道縱向坡度不大于6°，橫向坡度不大于5°，局部縱向最大坡度不大于14°，且在適當(dāng)區(qū)域設(shè)置行車安全指示標(biāo)識牌。（3）運(yùn)輸巷路面要求：無軌膠輪車的主要行駛路段，需采用混凝土、鋪鋼板等方式進(jìn)行硬化處理，路面不平度需在150mm及其以下，保證路面平整。對此，通常會采用C20及以上強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行鋪設(shè)，且鋪底厚度不宜小于150mm。（4）通風(fēng)要求：無軌膠輪車配風(fēng)必須符合相關(guān)要求。按單位功率的需風(fēng)量指標(biāo)計(jì)算，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，行駛車輛的巷道，應(yīng)按同時(shí)運(yùn)行的最多車輛數(shù)量增加巷道配風(fēng)，配風(fēng)量應(yīng)不小于4m3/min·kW，采用電動型無軌膠輪車，可適當(dāng)減少礦井風(fēng)量輸送。（5）溫度環(huán)境：無軌膠輪車能在-20℃至+40℃、濕度不超過95%的環(huán)境中適用。

二、無軌膠輪車的防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)

（一）系統(tǒng)概述

如今在煤礦行業(yè)中，磁阻電動機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用較多，不僅有無軌膠輪車，還有采煤設(shè)備、皮帶機(jī)等，其能夠有效提升電動機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，縮短作業(yè)時(shí)間，同時(shí)，因其工作特性，還能避免部分安全事故的出現(xiàn)。其中，此類電動機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用于無軌膠輪車上，表現(xiàn)出的運(yùn)行特征為：電動機(jī)構(gòu)成并不復(fù)雜，日常應(yīng)用中一般無需進(jìn)行維護(hù)，僅需冷卻定子即可，并且在轉(zhuǎn)子上沒有設(shè)定繞組，整體制作性價(jià)比高、運(yùn)算速率快、機(jī)械性強(qiáng)。防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)，額定轉(zhuǎn)速之上屬于恒功率，之下則是恒轉(zhuǎn)矩，以此實(shí)現(xiàn)無軌膠輪車工作速度的可持續(xù)性和可調(diào)性，并避免改變速度的瞬間，形成沖擊力。此外，電動機(jī)內(nèi)部屬于相互獨(dú)立的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其中某處出現(xiàn)問題，不會干擾其他部分，并且不會對電動機(jī)整體造成影響，僅是實(shí)際輸出功率下降，可保證無軌膠輪車使用的可靠性。系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，倘若轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大幅度調(diào)整，也能使系統(tǒng)維持原本九成以上的效率狀態(tài)，所以，無軌膠輪車處于任何工況中，均能擁有較佳的工作狀態(tài)。同時(shí)，此類電動機(jī)系統(tǒng)，可按照無軌膠輪車具體使用需求，選擇控制模式，讓其一直在最優(yōu)狀態(tài)下工作，而且支持多種功能和特性曲線，具有極佳的可調(diào)試能力。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于無軌膠輪車用防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)的設(shè)計(jì)，可選擇雙凸極架構(gòu)，該架構(gòu)磁場變化較為復(fù)雜，控制比較靈活、動態(tài)響應(yīng)較好，同時(shí)具有非線性的特點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需按照設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)車輛性能特點(diǎn)，確定電動機(jī)的技術(shù)參數(shù)，如額定的功率、轉(zhuǎn)速、效率、電壓，還有整體的規(guī)格等，再經(jīng)過仿真模擬等方式，確定其余的技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)外殼選擇防爆結(jié)構(gòu)，正常情況下，可承受住從外部環(huán)境滲入殼體內(nèi)的可燃混合物，即使出現(xiàn)爆炸，也不會對設(shè)備造成損傷，且在相關(guān)氣體及蒸汽構(gòu)成的易爆炸條件下，也具有防爆性能。而且防爆外殼銜接處的縫隙、公差等規(guī)格，均需符合相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

（三）控制機(jī)制

防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)控制裝置需安設(shè)于無軌膠輪車上的防爆接線盒內(nèi)。此類控制裝置可選擇具有功率、驅(qū)動、接口、控制的電路，還包括控制電源。其中，控制電路可選擇高性能的DSP，確保應(yīng)用便利穩(wěn)定，同時(shí)功率電路選用雙開關(guān)的形式，可起到保證系統(tǒng)使用穩(wěn)定性的作用。驅(qū)動電路則可選擇集成化的單元，支持保護(hù)、警報(bào)、軟關(guān)斷等。接口電路連接CAN總線，能保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，速率高，最后的控制電源，可選擇隔離結(jié)構(gòu)的斬波器，以獲取弱電電源。以控制電路來說，可選擇C28內(nèi)核的DSP，經(jīng)過有效認(rèn)證后，解算速率可至150MHz，在搭配若干外設(shè)，應(yīng)用簡單穩(wěn)定。DSP借助CAP采集到電動機(jī)的角位置數(shù)據(jù)，分析設(shè)備轉(zhuǎn)速，用于反饋輸入，并得到開通角與關(guān)斷角的數(shù)值。并可利用A/D轉(zhuǎn)換器，獲得繞組電流數(shù)據(jù)，同樣用于反饋輸入，完成過流保護(hù)的分析工作。在速度環(huán)與電流環(huán)一同運(yùn)作的條件下，控制兩個(gè)角以及PWM脈寬，繼而把控電流，使整機(jī)設(shè)備得以穩(wěn)定工作，在出現(xiàn)故障后，DSP能借助中斷處理，確保無軌膠輪車能維持安全狀態(tài)。功率電路中，單個(gè)相可分別設(shè)置IGBT與續(xù)流二極管各兩個(gè)，前者與連接設(shè)備繞組，但不會直通，以維護(hù)控制裝置的穩(wěn)定。在單相的IGBT全部開啟，會通過電源往設(shè)備繞組輸送電量，而在斷開后，相電流會經(jīng)過二極管反壓，進(jìn)行續(xù)流，保障磁場儲能可快速完成回饋，達(dá)到換相的目的。在僅有一個(gè)IGBT開啟時(shí)，會通過開啟的IGBT與二極管，支持續(xù)流，保證設(shè)備運(yùn)行效率，降低轉(zhuǎn)矩脈動。

設(shè)備裝置可選擇電流斬波、電壓斬波與單脈沖三類控制方法。無軌膠輪車裝配的電動機(jī)系統(tǒng)，要求轉(zhuǎn)速及負(fù)載變化區(qū)間較寬，以求能在各類工況環(huán)境中能保持良好的工作性能，因此可選擇綜合控制法。具體來說，低速段對應(yīng)電流斬波，可控制電流峰值，以穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩;中速度對應(yīng)電壓斬波，能避免負(fù)載帶來的問題，響應(yīng)速率佳;高速度對應(yīng)單脈沖，支持大幅度的轉(zhuǎn)矩調(diào)整，保障設(shè)備效率。在不同控制方法綜合應(yīng)用下，對應(yīng)轉(zhuǎn)換操作中，如果設(shè)置不適宜的參數(shù)，會導(dǎo)致輸出轉(zhuǎn)矩波動，對此一般會把升速與降速的回差幅度控制在5%左右，以避免出現(xiàn)頻繁調(diào)整的現(xiàn)象。

綜合總體設(shè)計(jì)分析來看，選擇雙凸極結(jié)構(gòu)的防爆開關(guān)磁阻電動機(jī)，使得無軌膠輪車電動機(jī)系統(tǒng)整體簡單穩(wěn)定，并且工作性能良好，加之選擇綜合法的控制裝置，使得電動機(jī)在各類工況環(huán)境中能始終保持優(yōu)良的性能，以滿足車輛在各種工作環(huán)境使用。此外，經(jīng)研究，此類電動機(jī)裝置的溫升小，能夠適應(yīng)大負(fù)荷作業(yè)狀態(tài)的平穩(wěn)運(yùn)行要求。

結(jié)束語：總之，具備礦用產(chǎn)品性能要求的開關(guān)磁阻電動機(jī)系統(tǒng)，運(yùn)用在無軌膠輪車上，具備良好運(yùn)行性能和工況適用性，同時(shí)該系統(tǒng)環(huán)保節(jié)能，無尾氣排放，利于改善工作環(huán)境、控制生產(chǎn)成本和避免相關(guān)污染問題。借助裝配此種電動機(jī)系統(tǒng)，能提高此無軌膠輪車的輔助運(yùn)輸效果，值得大范圍推廣運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王仁群，李海霞，張甲瑞.12座電動防爆無軌膠輪車電驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技視界，2019，（11）：11-12+23.

[2]吳紅星.開關(guān)磁阻電機(jī)系統(tǒng)理論與控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2010.