开关磁阻电动机调速系统在煤矿中的应用.pdf

第6期 2009年6月 工矿自动化 Industry and Mine Automation No. 6 Jun. 2009 文章编号1671 - 251X200906 - 0100 - 02 开关磁阻电动机调速系统在煤矿中的应用 刘温暖, 宋 鹏 辽源职业技术学院机电系,吉林 辽源 136201 摘要开关磁阻电动机调速系统是一种新型的调整系统,其性能指标高于普通交流电动机变频调速系统 及直流电动机调速系统。文章给出了开关磁阻电动机调速系统的总体结构,并介绍了该系统在无极绳牵引 车、 电牵引采煤机、 刮板输送机中的应用。 关键词煤矿;开关磁阻电动机;调速系统 中图分类号TD679;TM352 文献标识码B 收稿日期2009 - 02 - 20 作者简介刘温暖1958 - ,男,副教授,1982年毕业于辽源职 业技术学院煤矿电气化专业,现任辽源职业技术学院电气教研室主 任,主要从事煤矿电气专业的教学与研究工作,已发表文章5篇。 Tel 0437 - 3630242 ;E2mail liu19581024 0 引言 开关磁阻电动机Switched Reluctance Driver , SRD调速系统是基于计算机和电力电子技术的控 制器及开关磁阻电动机的新型调速系统,由开关磁 阻电动机与微机智能控制器2个部分组成[1]。开关 磁阻电动机调速系统的突出特点是效率高、 节能效 果好、 调速范围广、 无启动冲击电流、 启动转矩大、 控 制灵活,此外,还具有结构简单、 坚固可靠,成本低等 优点。除可以取代已有的电气传动调速系统如直 流调速系统、 变频调速系统外,开关磁阻电动机调 速系统还十分适用于煤矿井下机电设备需要重载启 动、 频繁启动、 正反转、 长期低速运行的应用场合,如 无极绳牵引车、 电牵引采煤机、 刮板输送机等。本文 主要介绍该系统在上述设备中的应用情况。 1 系统总体结构 开关磁阻电动机调速系统主要由开关磁阻电动 机SRM、 功率变换器、 转子位置检测器、 电流检测 器、 控制器5个部分组成,如图1所示[2]。 1开关磁阻电动机 开关磁阻电动机是定子、 转子双凸极可变磁阻 电动机。定子、 转子均由普通硅钢片叠压而成,转子 上既无绕组也无永磁体,定子极上绕有集中绕组,可 通过改变电动机定子集中绕组的通电顺序实现电动 图1 开关磁阻电动机调速系统组成框图 机的正转、 反转及电动、 制动状态的切换功能,保持 输出特性的对称,实现四象限运行。开关磁阻电动 机运行原理遵循 “磁阻最小原理”,即磁通总要沿着 磁阻最小的路径闭合。该电动机启动转矩大,启动 电流小,低速性能好,调速范围宽,易于实现各种特 殊要求的转矩-速度特性;结构简单、 坚固、 成本低; 可方便进行软启动及四象限运行,是一种新型的高 效节能电动机。缺点是噪声稍大,低速运行时转矩 脉动大。 2功率变换器 功率变换器向开关磁阻电动机提供运行所需的 电能,是连接电源和电动机绕组的功率开关部件。 功率变换器的作用开关作用,给各相绕组提供周期 性的脉冲电流,产生一个移动的磁场,为开关磁阻电 动机提供能量;为绕组的储能提供回馈电能的续流 通道。只有功率变换器向开关磁阻电动机提供 “开 关电源”,才能保证该电动机正常工作。 3转子位置检测器 转子位置检测器提供定、 转子的相对位置信息, 从而使控制器对相应的绕组进行通、 断电控制。转 子位置检测器一般采用光电式位置传感器。 4电流检测器 开关磁阻电动机在低速运行时常采用电流斩波 控制方式,高速运行时常采用单脉冲控制方式。 这2种控制方式均需要进行电流检测,从而为CPU 提供电流反馈信息。电流检测器一般选用霍尔元 件、 磁敏电阻。 5控制器 控制器是系统的核心,用于综合处理转速给定、 速度反馈信号及转子位置检测器和电流检测器的反 馈信息,对功率变换器发出控制信号,实现功率变换 器对开关磁阻电动机的驱动功能。控制器常采用以 高性能微控制器为核心的数字化控制系统,由具有 较强信息处理功能的CPU和数字逻辑电路及接口 电路等部分组成,配合系统软件实现各种控制功能, 使得开关磁阻电动机在成本、 效率、 调速性能等与当 前广泛应用的变频调速感应电动机系统相比,具有 明显的优势及竞争力。 2 在煤矿设备中的应用 1在无极绳牵引车中的应用 无极绳牵引车是一种用钢丝绳牵引梭车运送设 备或人员的煤矿轨道运输装置。传统的无极绳牵引 车大多采用普通交流异步电动机驱动牵引绞车,电 动机不能调速,仅能实现降压启动功能,其牵引的梭 车在启动、 停车时冲击大,易出现梭车掉道现象,使 司机操作不方便,工作效率低。采用开关磁阻电动 机调速系统后,电动机启动转矩为额定转矩的 150 时,启动电流小于额定电流的30 ,而且启动 转矩大,连续运行平稳,非常适合频繁启动的工作状 况;电动机在制动运行时产生的电能还可以回馈至 交流电网,节约了电能。该系统完全满足了无极绳 牵引车的启动、 调速、 电气制动等性能要求。目前, 开关磁阻电动机调速系统已经在一些煤矿现场安装 使用了几十套,使用效果较好。 2在电牵引采煤机中的应用 无锡盛达机械有限公司于2002年研制成功国 内首台采用开关磁阻电动机调速技术的MG200/ 500 - WD型电牵引采煤机,并将1 140 V电压直接 供电的开关磁阻电动机调速系统成功安装在 MG160/ 380 - WD型电牵引采煤机中。目前更大 功率、 可用于大倾角煤层开采的MG300/ 700 - WD 型、 可四象限运行的基于开关磁阻电动机调速系统 的电牵引采煤机已通过鉴定,并投入生产。其主要 技术参数如下 系统电源电压三相1 140 V/ 50 Hz; 牵引电动机额定功率222 kW; 电动机额定输出转矩175 Nm ; 电动机额定转速1 200 r/ min ; 电动机最高转速1 600 r/ min ; 升降时间升速为25 s ,降速为10 s; 输出特征额定转速以下恒转矩输出,额定转 速以上恒功率输出; 2台电动机输出转矩差≤10 ; 启动转矩≥150 额定转矩。 开关磁阻电动机调速系统在电牵引采煤机中的 应用虽然起步较晚,但具有发展潜力。该系统既有 交流变频调速系统结构简单、 无刷无整流子的优点, 也有直流调速系统调速性能好、 控制电路简单、 节约 能源、 经济可靠等优势。开关磁阻电动机调速系统 正在进行噪声问题及转子位置检测器可靠性方面的 改进,随着这些问题的解决,其在煤矿井下采掘机械 中将得到广泛的应用。 3在刮板输送机中的应用 开关磁阻电动机调速系统具有启动电流小、 启 动转矩大等显著特点,将该系统应用于刮板输送机 的驱动,可有效解决煤矿井下刮板输送机重载启动 电流大、 启动困难的问题,并提高刮板输送机的使用 寿命。经有关设计单位的努力,开关磁阻电动机调 速系统在刮板输送机中的应用已经从仿真分析、 设 计、 生产到试运行阶段。 3 结语 目前,开关磁阻电动机调速系统在无极绳牵引 车中的应用效果很好,在电牵引采煤机、 刮板输送机 中的应用正进行改进及优化设计。潞安矿业集团与 北京摩迪通调速电机开发有限公司联合开发研制了 大功率隔爆型开关磁阻电动机调速系统,在煤矿 井下使用效果很好,为国产煤矿机械设备的技术改 造与配套提供了技术支持,推动了国内开关磁阻电 动机调速系统向更高水平发展。 由于开关磁阻电动机调速技术是一种新的应用 技术,还需要在减小转矩脉动及噪声、 改进位置检测 乃至无转子位置检测技术、 实现多目标优化控制功 能、 优化功率变换器拓扑结构设计等方面作进一步 的改进。相信这一新技术会随着它的逐步完善而得 到广泛应用。 参考文献 [1] 张启元.开关磁阻电动机调速系统研究[D].哈尔滨 哈尔滨工程大学,2007. [2] 金 英. 3 kW开关磁阻电动机调速系统设计[D].杭 州浙江大学,2005. 1012009年第6期刘温暖等开关磁阻电动机调速系统在煤矿中的应用