630 kW開關磁阻電機驅動系統的研發與應用

張 鑫, 熊立新,2, 程建軍, 張明魁, 徐國玲, 張 云

1.山東科匯電力自動化股份有限公司，山東 淄博 255087；2.山東理工大學 電氣與電子工程學院,山東 淄博 255049)

0 引 言

作為一種新型高效調速系統，開關磁阻電機(SRM)近年來在鍛壓機械、紡織機械、電動汽車、小家電等行業得到了廣泛應用。SRM過載能力強、起動電流小、魯棒性好、可頻繁正反轉，特別適合于頻繁起動、正反轉和有過載工況的鍛壓機械。2007年，山東理工大學和山東科匯公司聯合研發了中國國內第一臺開關磁阻調速式數控螺旋壓力機[1-3]，省去了離合器和液壓回程裝置，結構簡單、制造成本低、打擊效率高，滿足多種材料工藝和變形能量的加工需求，達到了國際先進技術水平[4]。近十年，國內鍛壓機制造商先后開發了3～40 MN規格的開關磁阻電動螺旋壓力機，市場發展迅速，SRM驅動電動螺旋壓力機已成為行業主流技術，傳統高能耗的摩擦式壓力機已列入國家淘汰產品目錄。但由于國內SRM功率均在400 kW以下，導致80 MN(即8 000 t)以上規格的電動螺旋壓力機研發較少。為了解決SRM單機功率小的問題，項目組自2019年聯合鍛壓機械廠家進行技術攻關，2020年研發了單機630 kW的SRM驅動系統，并使用雙機同步技術成功應用于8 000 t SRM驅動電動螺旋壓力機，通過能量柱打擊測試，完全滿足設計需求，不僅解決了630 kW SRM驅動系統研發生產的關鍵技術問題，也標志著重型鍛壓設備實現了國產化。

1 SRM驅動電動螺旋壓力機簡介

1.1 SRM工作原理

SRM是雙凸極結構、全磁阻性轉矩電機，如圖1所示。轉子上沒有永磁體和繞組，僅由硅鋼片疊壓而成，結構堅固、機械強度高。

圖1 SRM結構

該電機安裝有轉子位置傳感器，提供給控制器進行高精度數控伺服控制，可頻繁起停和正反轉切換，實現四象限運行。SRM需搭配專用控制器，采用不對稱半橋式功率驅動拓撲，容錯性高，不會發生上下橋直通的短路故障，如圖2所示。

圖2 SRM功率驅動拓撲

1.2 SRM驅動電動螺旋壓力機的特點

開關磁阻數控螺旋壓力機采用電動螺旋壓力機結構，是傳統的摩擦壓力機、離合器式螺旋壓力機等機型的結構改進產品，其整機結構由SRM驅動系統(連接皮帶或齒輪) 、飛輪、螺桿、螺母、滑塊、制動器和機身組成。由于SRM滿足起動轉矩、過載能力、頻繁正反轉等要求，因此省去了傳統的摩擦盤或離合器，直接驅動飛輪，簡化了壓力機的結構，從而降低制造成本。

由于市場缺少400 kW以上大功率SRM，導致SRM驅動的電動螺旋壓力機只用于4 000 t以下規格，限制了國產大型壓力機裝備的研發。8 000 t級電動螺旋壓力機是大型工程機械、航空航天、汽輪機等領域必備的基礎制造設備，但是長期以來依賴進口，成本高昂。

圖3為本文設計的630 kW SRM驅動電動螺旋壓力機的實物圖。經測試，該壓力機各項技術指標達到國際先進水平，標志著中國擁有了大型鍛壓設備的國產化制造能力。

圖3 80 MN SRM驅動電動螺旋壓力機

2 630 kW SRM的設計

2.1 電機參數設計

經系統計算，80 MN電動螺旋壓力機使用2臺KSM-ES1-6308型630 kW SRM同步驅動。為了滿足低速大轉矩，電機定轉子采用24/16極配置，而不是市場常見的12/8極。電機設計參數如表1所示，滿足壓力機對過載能力的要求。

表1 630 kW SRM參數

2.2 電機機械設計

為了確保電機在電動螺旋壓力機高強度的沖擊振動下可靠運行，機座采用鋼板焊接的特殊設計，輔以散熱筋，兼顧散熱并提高機械強度。軸設計成輻筋結構，輻筋外熱套圓筒，圓筒外套轉子沖片，可有效減小轉子重量，降低成本，結構如圖4所示。轉子鐵心一端使用軸擋肩，另一端使用環鍵固定。由于轉軸直徑比較大，為了操作方便，將環鍵平均分為多塊，牢固焊接在轉軸上。轉軸上設計有4個均布的鍵槽，用平鍵固定轉子沖片。

圖4 轉子結構圖

考慮到現場為打擊運行頻率較低的斷續工作制，電機整機采用軸流風機強迫風冷方式冷卻，通過檢測內部溫度控制風機起停。

電機整機質量為7.9 t，底腳螺栓、端蓋螺栓等連接件均經過強度計算[5-6]，采用足夠數量的高強度螺栓。定子沖片外徑990 mm，若疊壓不當很容易漲齒、變形，從而影響電機使用性能，故定子鐵心采用24個扣條固定，比扣片固定更牢固，并能保證機械強度。

電機采用H級絕緣材料以提高電氣可靠性，在線圈和軸承中分別埋置鉑熱電阻，以檢測電機實時溫度，提供必要的溫度保護。

車田里渡口因車田里村而得名，它位于廣西區全州縣全州鎮湘江上，由于地處湘江源頭河段，雖然是七級航道，但長期以來處于非通航狀態。渡口設立之時水流平緩，當時使用木質渡船，用槳擺渡。近幾年河道采砂對下游淺灘進行開采，水流變急，擺渡困難。

3 SRM控制器設計

3.1 控制器的主要功能

SRM控制器完成電機的控制與驅動，所設計的630 kW電機控制器采用三相交流1 140 V供電，功率半導體輸出最大峰值電流為1 900 A，輸出容量為1 260 kVA，具備2臺電機同步功能。控制器可實現50～1 000 r/min范圍內無級調速；利用電流、位置等反饋量實現電流及速度的閉環控制；可以驅動電機運行在電動和發電狀態，具備單獨放電單元，實現能耗制動功能；具有過熱、過壓、欠壓、過流、過載、超速等保護功能。

3.2 控制器的關鍵技術

3.2.1 多臺電機轉矩同步技術

與單電機系統相比，多電機同步驅動一臺設備可降低電機的體積、功率等級或電壓等級，有利于降低成本和生產難度。8 000 t級以上的大型鍛壓設備為降低生產難度通常用2臺630 kW以上或4臺315 kW以上電機同時驅動主軸，要求多臺電機同時提供轉矩，轉矩的一致性程度將影響設備運行工況。

圖5為主從機示意圖，本文設計的控制器使用CAN隔離模塊傳輸控制信號，以主從機方式實現多臺電機電流的實時同步性。

圖5 主從機示意圖

任意一臺控制器可以設置為主機，并跟隨系統給定，同時向多臺從機提供設置轉速、起停、轉矩等信息。主機受到擾動或工況影響產生的運動狀態變化也會傳遞給從機，有利于減小從機與主機的同步誤差。兩者之間的同步是單向的。上位機采用DSP，下位機為FPGA，兩者通過CAN協議進行通信。高速CAN隔離模塊傳輸速率高，隔離等級高，集隔離與總線保護于一身，能有效減少多臺設備間的同步時間延遲，有效地提高轉矩同步能力。

3.2.2 層疊式母排的應用

由于主回路雜散電感的影響，大電流、高頻工況下IGBT關斷時CE極間峰值電壓較高，容易造成功率器件損壞。采用低雜散電感特性的疊層母線銅排作為功率驅動電路的結構連接件具有很大優勢。疊層母排將多層母排疊壓，各層之間由聚酰亞胺絕緣層隔離。因為相鄰層母排電流相反，兩者感應磁場相互抵消，所以降低了母排的總體雜散電感。層疊母排的寬度、間距、回路長度、過孔均對雜散電感量有影響。雙層母排雜散電感的理論計算式[7]如下：

(1)

式中：μ0、μr分別為真空磁導率和母排導體的相對磁導率；d為層間距；I為導體流過的電流；w為導體寬度；ω為激勵電流頻率；δ為該頻率下的集膚效應深度;σ為導體電阻率。

由式(1)和有限元仿真可知，當層間間距遠小于母排寬度時，雜散電感與母排間距近似成正比，與母排寬度近似成反比，與回路長度近似成正比。過孔會降低母排間的交疊程度，應避免布置在交流密度較高的區域。

根據理論計算和仿真分析，本設計定制了層疊式復合母排，如圖6所示。結構緊湊，有效減小了主回路雜散電感及回流面積，確保CE極間電壓在安全范圍之內，以減少電壓尖峰對元器件的損害，提高電子元件的使用壽命。

3.2.3 IGBT的光纖驅動

IGBT驅動信號的可靠性及故障保護功能尤為重要。傳統的光耦隔離、變壓器隔離適用于中小功率驅動器，在高壓大電流工況下，低壓驅動信號容易受到外部強磁場的干擾，引起導通時序錯誤，造成IGBT損壞。光纖隔離驅動是光耦隔離的技術升級，光纖收發器之間不存在直接連接的電氣關系，因此電磁兼容性能極佳。光線驅動系統原理示意圖如圖7所示。

圖7 光纖驅動系統原理示意圖

大功率控制系統IGBT的開關頻率一般設置在10 kHz以下，且傳輸距離短，主控制電路與IGBT主電路間光纖的傳輸速率0.5～1.0 MB/s即可以滿足要求，傳輸速率越低，功耗越低。IGBT和光纖接收板如圖8所示。光纖接收板抗干擾能力強，信號傳輸延遲小，能有效提高驅動信號和系統的可靠性。

圖8 IGBT和光纖接收板

4 整機臺架測試

630 kW SRM驅動系統的測試在淄博市開關磁阻電機及控制技術重點實驗室的1 000 kW開關磁阻電機專用試驗平臺完成，測試環境如圖9、圖10所示。負載為1 000 kW直流發電機。

圖9 電機測試環境

圖10 電機控制器

經臺架測試，電機起動性能如圖11所示。在控制器IGBT所允許的最大峰值電流下，起動轉矩最高可以達到3.4倍額定轉矩。

圖11 電機最大起動轉矩倍數

電機和控制器整體驅動系統效率如圖12所示。系統效率可以達到93%。控制器額定負載下滿足溫升小于40 K的要求。

圖12 電機額定轉速效率曲線

5 結 語

在8 000 t電動螺旋壓力機的整機能量柱打擊測試中，本文設計的SRM驅動系統各項功能指標水平較高。630 kW SRM驅動系統的成功設計和應用，不僅為大功率SRM和控制器開發提供了創新性的經驗，還為高性能、高能效、直驅式萬噸級電動螺旋壓力機的國產化制造奠定了基礎，對推動國產大型裝備制造的發展具有重要意義。