煤矿输送机用开关磁阻电机驱动系统.pdf

第34卷第2期煤 炭 学 报Vol . 34 No. 2 2009年2月JOURNAL OF CH I NA COAL SOCIETYFeb. 2009 文章编号 0253 - 9993 2009 02 - 0280 - 04 煤矿输送机用开关磁阻电机驱动系统 刘 旭,潘再平 浙江大学 电气工程学院,浙江 杭州 310027 摘 要通过对开关磁阻电机SRM原理及特点的介绍,结合煤矿输送机负载特性的分析, 提出SRM应用于煤矿输送机的可行性;并根据煤矿输送机特殊的安全可靠性要求,设计了基于 转速的PI D参数选择的开关磁阻电机驱动系统SRD.对110 kW, 12 /8 SRM样机的仿真研究 和实验结果表明,通过融合现代智能控制检测方法、RDC保护电路和基于转速PI D参数选择器 等方法,保证了SRD安全可靠运行,使其适合应用于煤矿输送机等煤矿机械上. 关键词输送机;开关磁阻电机;开关磁组驱动系统;高压;大容量 中图分类号T M352 文献标识码 A 收稿日期 2008-03-25 责任编辑许书阁 作者简介刘 旭1984 , 男,山西运城人,博士研究生.联系人潘再平,E - mail panzaipingzju1edu1cn Switched reluctance motor driver system for underground m in ing conveyor L I U Xu, PAN Zai2ping College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China Abstract Proposed the ability of using s witched reluctance motor for underground mining conveyor, based on the analysis of SRM’s principle and underground mining conveyor’s characteristic. Designed a particular SRM driver system including PI D parameter selector to meet the safety and robust demand of underground mining conveyor . Through simulation and experiment test on a 110 kW, 12 /8 SRM, the results show that depend on modern intelli2 gent error detector, RDC circuits and PI D parameter selector, SRD can satisfy the application which require good dynamic response and considerable robust in underground mining conveyor . Key words conveyor;s witched reluctance motor SRM ; s witched reluctance driver SRDsystem; high volt2 age;large capacity 开关磁阻电机SRM是一种结构简单、性能可靠、成本低廉且维护方便的新型驱动装置 [1 ]. 此外 开关磁阻电机没有电刷,不会产生火花;转子没有铜耗,运行效率高.由于这些优点,使开关磁阻电机调 速系统SRD成为感应电机调速系统强有力的竞争者.目前,SRD由于具有过载能力强、调速范围宽 的优点已在电动汽车、混合动力汽车得到应用 [2 ]. 除此之外,SRD因具有较高起动转矩的特点使得SRM 起动/发电机被应用于航空燃气涡轮发动机中 [3 ]. SRD在煤矿领域已得到较广泛的应用,被应用于牵引采 煤机、绞车、输送机、电机车等场合 [4 ]. 开关磁阻电机驱动系统技术的日趋提高使SRD系统应用得到拓 展,煤矿领域驱动系统由于应用的特殊性,不仅要求应用于该领域的电机驱动系统性能可靠、具有故障运 行能力,而且要求具有防爆能力.随着电力电子器件的发展,使高压、大容量SRD在煤矿领域的应用成 为可能.煤矿输送机这类对起动转矩和防爆要求较高的应用,对高压、大容量SRD的安全和可靠性提出 更高的要求.本文所设计的SRD系统针对应用场合的特点,设计了主电路保护电路及对控制电压、母线 电压的过压和欠压、电机位置信号错误等故障的智能检测电路,提高了系统的可靠性. 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期刘 旭等煤矿输送机用开关磁阻电机驱动系统 1 开关磁阻电机原理 开关磁阻电机SRM是按照磁阻最小原理运行的,转子由于凸极结构使转子齿趋向转动到与定子 齿相对的位置图 1 从而产生顺时针方向的转矩.这样不断顺 次导通定子绕组,转子齿就会不断趋向运动到与定子齿相对的位 置,使电机旋转起来.由于开关磁阻电机相间互感很小,可以忽 略,因而SRM各相互相独立,SRM电压方程在忽略相间电感的 情况下可表示为 Uj Rjij dψj dt Rjij dLjij dt j 1～3 , 其中,Rj,ij,ψj, Lj分别为j相电阻、电流、磁链和自感.自感 Lj具有非线性的特性,是绕组电流ij和转子位置 θ 的函数.根据 电磁转矩产生的原理,SRM的转矩为 T ∑ dWj dθ i const j 1～3 . 实验样机为一台110 kW,12/8 SRM,额定电压为1 140 V AC ,恒转矩区与恒功率区如图 2所示.由图2可知SRM低速 段具有大转矩的特性,虽然由于控制器输出特性所限,但仍具有 较高的起动转矩.效率最高区段位于750～1 000 r/min,为煤炭 输送机稳定运行区间,因而在这个区段内调速将产生最大的节能 效果. 图3 SRD主电路拓扑结构 Fig13 Topology structure of SRD convert 2 功率主电路及保护 SRM控制器主电路采用不对称桥式拓扑结构,如 图3所示,图中S1～S6为IGBT, D1～D12为快恢复 大功率二极管.这种主电路拓扑结构没有上下桥臂直 通的危险,且结构简单,是一种具有高可靠性和容错 能力的电路拓扑结构,适合于高性能的SRM控制 器 [5 ]. 当SRD的某相桥臂发生故障时,故障并不会影 响到SRD其余各相,也就是说具有故障隔离的作用. 这样就可以在发生故障时尽可能小地减小损失,将故障限制在一定的范围之内. 这里用到的IGBT单管容量一般取电流峰值的215倍左右,这样的选择余量不仅可以满足控制器容量 的要求,而且具有一定过载能力.大功率二极管的容量可以取与IGBT相同的容量.直流母线电压由 1 140 V AC经过不控整流得到, 电压值为 Ud 3 π∫ 2π/3 π/3 32UVΦsinωtdω t ≈1 540 V, 其中,UVΦ为供电电网电压有效值.由于SRD功率主电路具有高压、大容量的特点,在设计中必须考虑对 功率模块单元进行有效的保护.采用传统电子电路检测并进行保护的方法,对高压、大功率SRD不能进 行可靠的保护.因为采用电子电路检测故障进行保护,保护的时间是几十微秒到几毫秒,而且还不包括硬 件本身的延时.这样的保护对于高压大功率SRD是不够的,因为故障发生几微秒IGBT就足以超出短路安 全工作区SCSOA ,这样的损坏是不可逆的.因此,为了保证IGBT能够可靠的运行,需要设计直接连 接在功率主电路中的保护电路,并参与功率变换. 182 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 煤 炭 学 报 2009年第34卷 图4 IGBT模块单元保护电路 Fig14 RDC protection for IGBTmodule IGBT模块单元的保护电路一般是由电阻、快恢复二极管和 电容器RDC组成的snabber电路,接线方式如图4所示.将 RDC保护电路接在直流母线上,母线电压的影响使RDC保护电 路中电容的电荷在IGBT下一次开通前将多余的电荷释放,不会 在IGBT开通时产生额外的电荷,同时在IGBT关断时具有过压 吸收的效果.IGBT关断时,只有当IGBT产生高于直流母线电压 后, RDC才会参于功率变换.关断时的暂态过程为 C[ lce- lD ls dice dt - Ud] ∫ t t 0 icdt,ice iL- ic,ic t 0 0, 其中,ic为流过电容和快恢复二极管两端的电流;lce,lD,ls分别为IGBT集射极之间、二极管两端的等 效电感和引线电感.当IGBT开通时由于RDC电容上的电荷已经释放,所以将不起任何作用. 3 控制系统设计 图5 系统结构 Fig15 System structure 311 SRD硬件设计 SRD控制系统的硬件主要由功率主电路、 控制电路、位置和电流传感器组成.系统结构 如图5所示,内环为电流闭环,外环为速度闭 环,控制方式采用电流PWM.首先给定速度与 反馈速度进行比较,将得到误差eω进行PI D运 算,而系统的PI D参数是通过PI D参数选择器 给定.之后经过电流控制器,对电流实现闭环 控制并产生PWM控制脉冲驱动SRM运行.换 相控制器以转子位置和SRM转速为给定量,不 但控制SRM的换相逻辑,而且根据转速控制导 通提前角 [6] ,与电流控制器一同控制SRD的功 率输出.由于煤炭输送机的负载特性需要较高 的起动转矩,而在电机运行过程中需要较快的 动态响应,这就使得煤炭输送机不同速度区间所要求的调速特性不尽相同,所以在控制器中加入PI D参数 选择器以满足不同速度区间对SRD系统的要求. 312 SRD软件设计 在保证SRD正常工作的同时,增加对控制器状态的检测以实现在故障可能发生前,完成容错或停机 以免SRD的硬件出现损坏.控制器软件对SRD系统的检测包括①对控制电路板级电压、短路的实时检 测.这是保证控制电路可靠工作的前提,一旦控制电路的板级电压出现较大波动,SRD会立即停止SRM 运行并给出报警信号.②利用IGBT集电极与发射极之间饱和电压来检测IGBT的状态,以保证IGBT模 块单元安全可靠运行.这是对IGBT短路检测的传统方法,应用该方法可以在短路电流上升较慢时实现 IGBT可靠关断,以保护IGBT的安全.③主电路的保护.通过对主电路电源电压的检测实现对主电路中 元件和电机的保护.当电源电压的波动超出一定范围,如主电路过压时将电源直接切除,而当主电路欠压 时将正常停机,而后给出报警信号.因为在欠压时,可以在电机出力达不到要求时使SRM停转,否则将 使电机效率下降,发热增大,有烧毁电机的危险. 4 系统仿真结果分析 在以上设计的基础上对SRD系统进行仿真分析,SRM为110 kW, 12 /8.母线电压1 540 V, RDC保 282 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第2期刘 旭等煤矿输送机用开关磁阻电机驱动系统 图6 SRD系统调速仿真 Fig16 Speed control simulation 护电路中电阻为10Ω,电容为0101μF,仿真SRM接恒转矩 负载由于SRM采用风冷,因而在恒转矩负载的仿真中仍将加 入一个摩擦因数为011 Nms /rad的风机负载 , 图6为 SRD系统调速时速度响应曲线,仿真时的负载为20 Nm的恒 转矩转负载,转速给定的初始值为100 rad/s, 2 s时给定转速 上升为150 rad/s, 4 s时给定转速下降为100 rad/s . 5 实验结果 SRD实验系统以德州仪器的T MS320LF240 x为控制核心, 功率主电路与仿真时的拓扑结构一致,电机的参数与仿真参数 图7 A相仿真电流和实验电流 Fig17 Current of phase A in simulated and experi ment 相同.控制策略通过软件编程实现, 实验的电流波形如图7所示通过 对A相电流的比较,可以看到仿真 结果可较准确地反映电机的实际情 况,其中电流霍尔传感器转换率为 20 A∶3 V.通过动态PI D参数选择 使SRM起动电流下降25左右,并 使起动转矩平稳增大从而保证IGBT 工作安全,提高系统可靠性. 6 结 语 通过对开关磁阻电机转矩特性和煤矿输送机负载特点的研究,证实了开关磁阻电机应用于煤矿输送机 的可行性.结合电力电子技术的最新技术,设计完成了SRD驱动器的功率主电路及其保护电路.为保证 SRD系统具有较高的安全可靠性,控制器的设计融入了智能控制的一些方法,如母线电压、控制电路状 态实时检测等,以满足煤矿输送机这样的应用场合.通过硬件保护与软件保护方法的综合应用使得SRD 系统能在故障发生之前预先发现可能的故障,最大程度地避免可能故障的发生,减小器件损坏的风险. 参考文献 [1] 王宏华.开关磁阻电机调速控制技术[M ].北京机械工业出版社, 1995. Wang Honghua.Switched reluctance motor variable speed control technology [M ]. Beijing ChinaMachine Press, 1995. 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