永磁同步電動機在蓄電池電機車中的應(yīng)用

吳玉良

上海大屯能源股份有限公司設(shè)備管理中心 江蘇徐州 22161

傳統(tǒng)的煤礦中大部分使用的還是以直流串激電動機為牽引電動機的蓄電池電機車，由于他是通過切換電阻實現(xiàn)電動車的啟停和速度控制的，整體調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，且調(diào)節(jié)不夠靈活。另外，傳統(tǒng)的直流串激電動機還會浪費大量的能源。據(jù)統(tǒng)計，平均一臺電機車浪費電量近四萬千瓦時，是不可忽視的數(shù)額，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，有必要尋找新的電動機對蓄電池電機車進行升級和更新。

1 永磁同步電動機及其驅(qū)動裝置要求

傳統(tǒng)的直流串激電動機是利用通電的方式，讓電磁鐵產(chǎn)生磁性，在這個過程中，會因此產(chǎn)生一部分的電能損耗和熱耗，使用永磁同步電動機則能夠有效的消除這部分的損耗，而且，永磁同步電動機還具有工作效率高、響應(yīng)快、變速靈活、使用壽命長等優(yōu)點，所以更加適合現(xiàn)如今的煤礦企業(yè)的電機車使用。而針對目前的煤礦企業(yè)電機車的實際情況，對永磁同步電動機及其驅(qū)動裝置的需求，主要涉及以下幾個領(lǐng)域：

第一是整體的設(shè)計，包括基礎(chǔ)設(shè)計理論已經(jīng)安全性、穩(wěn)定性、高效性的設(shè)計目標。第二個是其關(guān)鍵裝置調(diào)速器的研發(fā)工作，要求永磁同步電動機中的調(diào)速器具有響應(yīng)迅速、調(diào)速靈活的特點，另外，為了保證其使用的安全性和穩(wěn)定性，還需要考慮其隔爆功能。第三是電機車驅(qū)動和制動的控制電路設(shè)計，要求啟動響應(yīng)速度快，制動距離短。第四是關(guān)于能耗的相關(guān)問題的設(shè)計，主要是工作效率的提高以及散熱方面的問題研究。第五是關(guān)于控制器的抗振性能的研究，運行過程中的振動會威脅到控制器的控制能力，降低其可靠性，如果是抗振性能差的控制器，因為長期工作在高頻率振動工況下，則很有可能降低其使用壽命。最后是蓄電池的設(shè)計技術(shù)，保證蓄電池整體工作更加的平穩(wěn)，提升蓄電池的使用壽命和充放電效率。

2 永磁同步電動機控制系統(tǒng)

2.1 基本組成及原理

永磁同步電動機的組成主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩個部分，定子是電動機不動的部分轉(zhuǎn)子是電動機工作時運動旋轉(zhuǎn)的部分。永磁同步電動機的定子部分與其他電動機組成基本相同，由繞組、鋼片、機殼等構(gòu)成，而其轉(zhuǎn)子部分則是使用磁極鐵芯配合永磁磁鋼的組合[1]。其工作過程中也是在通電后讓鐵芯帶磁性，進而實現(xiàn)了外部磁鋼N極S極交替運動形成旋轉(zhuǎn)的工況。

2.2 硬件電路設(shè)計

針對永磁同步電動機的電路設(shè)計，主要需要實現(xiàn)以下三種功能，第一是控制功能，這是電動機的主要功能，通過控制電路實現(xiàn)電動機的控制工作，包括啟停和調(diào)速，所以控制電路實際上是與調(diào)速器相連的。第二個是可以將直流電變成交流電的逆變電路，要想實現(xiàn)電動機的運轉(zhuǎn)，需要頻率可調(diào)的交流電才能實現(xiàn)鐵芯磁極的翻轉(zhuǎn)[2]。最后是顯示部分，通過與數(shù)字顯示端連接，實時的對電動機的工況進行反饋，包括速度、溫度等情況，以便隨時對電動機進行實時的控制。

2.3 矢量控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

矢量控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)子情況的實時監(jiān)控和控制，一般來講，會在輸入端輸入一個搭載了轉(zhuǎn)子位置和速度的矢量信息，轉(zhuǎn)子上自帶傳感器，會拾取目前轉(zhuǎn)子的位置及速度的實時矢量信息，兩者進行比較后，比較結(jié)果進入調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，由于指令要求與實際工況之間的對比判斷可能出現(xiàn)三種結(jié)果（指令＞實際、指令＜實際以及指令=實際），如果指令信號與實際工況信號相符，則不需要控制，如果指令信號不等于實際工況，需要增加轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速或者減少轉(zhuǎn)速的情況，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)指令電流經(jīng)過三相逆變電路的處理，形成頻率可調(diào)的交流電輸入到定子當中，形成一個相對封閉的控制系統(tǒng)。

3 應(yīng)用效果分析

本次研究選取了某煤礦的電機車升級前后的各方面數(shù)據(jù)進行對比，如下表1：

表 1 電機車升級前后性能對比

3.1 安全性

經(jīng)過改造之后，電機車的制動距離從原本的12米下降到了8.4米，制動距離的縮短說明升級后的永磁同步電動機在制動方面響應(yīng)更快，減少了事故發(fā)生的幾率。

3.2 節(jié)能性

國家規(guī)定煤礦電機車的工作效率需要在60%以上，經(jīng)過升級改造之后，使用永磁同步電動機的電機車工作效率在90%～93%之間，遠遠超出了國家的規(guī)定，極大的提升了能源的轉(zhuǎn)化效率，節(jié)約了使用成本。經(jīng)檢測，同樣的蓄電池在此前使用直流串激電動機時，續(xù)航里程只有三十五公里（續(xù)航里程指一次充滿電能之后運行的總里程數(shù)），而改造為永磁同步電動機電機車后，同樣的蓄電池供電續(xù)航里程達到了五十八公里，極大的提升了能源的利用率，僅電池這一項開資，每臺電機車每年可為公司節(jié)省兩萬五千元左右，極大的節(jié)省了企業(yè)的開資。

3.3 延長蓄電池的使用壽命

傳統(tǒng)的直流串激電動機在工作工程中，可能會使蓄電池處于過放狀態(tài)而導(dǎo)致蓄電池的報廢，新設(shè)計的調(diào)速器，能夠?qū)π铍姵仄鸬奖Ｗo作用，避免蓄電池工作在過放狀態(tài)。

3.4 降低維護費用

永磁同步電動機本身基本上是不用維護的，對于電機車的其他部件來講，由于傳統(tǒng)的斬波調(diào)速方式振動較大，強大的機械振動波對于其他部件的損傷很大，而其他部件處在安全的工況之下是保證整個電機車正常運轉(zhuǎn)、避免事故發(fā)生的先決條件，在傳統(tǒng)的直流串激電動機電機車中，就需要投入更多的人力物力對其進行頻繁的檢修以確保電機車的穩(wěn)定工作[3]。改用永磁同步電動機電機車之后，除去一些磨損耗材，每臺電機車在維護和修理方面能夠節(jié)省近20萬元的費用，可謂是一筆不菲的開資。

3.5 增大了牽引力

電動機的牽引力增加，就意味著電機車每次能夠承載的貨物質(zhì)量得到了提升，貨物承載能力的提升，就意味著其工作效率的提升，整體工作效率的提升就能夠為企業(yè)創(chuàng)造更多的產(chǎn)值和財富，提升了企業(yè)的競爭力和發(fā)展前景，影響非常深遠。

4 結(jié)語

總之，對于煤礦企業(yè)來講，電機車的重要性不言而喻，在往返礦井中運輸?shù)V石的過程中，其工作的效率和安全性至關(guān)重要。傳統(tǒng)的電機車采用直流串激電動機作用動力系統(tǒng)，其安全性差、壽命短、效率低，導(dǎo)致了能源的浪費和工作效率的下降，每年在電機車維護修理、蓄電池更換以及電能的消耗方面，企業(yè)需要為此付出大量的人力物力和財力，這與企業(yè)的經(jīng)濟效益和發(fā)展目標顯然不相符[4]。相關(guān)的研究者經(jīng)過了各種各樣的嘗試，包括引入晶閘管技術(shù)改良電機車，最終均以失敗告終。永磁同步電動機的問世，可謂是傳統(tǒng)電機車的福音，不僅極大程度的增加了其工作效率，而且實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的實時控制，有效延長了機組和蓄電池的使用壽命，極大的減少了維護費用，為企業(yè)節(jié)省了不小的開支，并極大的提升了工作效率。