開關磁阻式智能電機在選煤廠的應用

戚國亮

（山西焦煤官地選煤廠，山西 太原 030022）

開關磁阻電機 （Switched Reluctance Motor，SRM）系統具有結構簡單、啟動轉矩大、運行效率高等優點，同時內嵌的優化控制算法使得該系統的運行效果更加突出，廣泛應用于煤礦、化工、紡織等領域。開關磁阻電機的調速性能優越，適合在長時間低速運行、頻繁正反轉、重載啟動等場合使用，也能夠適應于高粉塵、易燃易爆等惡劣環境［1-2］。因此，在選煤廠調速設備中，如刮板輸送機、泵機、空壓機等都安裝有開關磁阻電機系統。文章基于開關磁阻式智能電機控制系統，分析其原理、結構以及在選煤廠刮板輸送機上的應用，并拓展至選煤廠其他電機控制系統，達到節能降耗、安全穩定生產的目的。

1 原理及結構

開關磁阻式智能電機在選煤廠的應用主要用于調速，如對刮板輸送機、泵站電機等進行調速。利用開關磁阻電機調速同時具備直流調速、交流調速系統的優點，如效率高、控制靈活、性能優越等。開關磁阻電機調速系統中的SRM是實現能量轉換的核心部件。系統的供電電源為蓄電池或者直流電，作用于功率變換器，為調速系統運行提供能量。外部轉速給定控制指令輸入至控制器，并與獲取的電流檢測信號、位置檢測信號按照設計的控制策略對IGBT等功率管進行通斷控制，從而控制開關磁阻電機的運行狀態。開關磁阻電機運行時遵循“磁阻最小原理”，使得電機轉子持續向磁阻減小的方向運動，進而驅動電機運行［3-4］。開關磁阻電機的基本控制策略有用于控制中低速運行的電流斬波控制、電壓斬波控制，有用于控制高速運行的角度位置控制。開關磁阻電機調速時的轉速-轉矩特性曲線分為恒轉矩區、恒功率區、自然特性區三段，分別對應不同的控制方式。

2 方案分析

2.1 硬件方案分析

用于選煤廠刮板輸送機的開關磁阻式智能電機系統硬件組成見圖1，由供電電源、功率變換器、控制器、開關磁阻電機、電流檢測器、位置檢測以及負載器等組成。

圖1 開關磁阻式智能電機系統硬件組成框圖

（1）電源

系統以三相交流電源供電，經整流電路整流后將其轉換為直流電，直接作用與功率變換器。經整流后的直流電壓峰值為平均值為。

（2）功率變換器

功率變換器用于控制開關磁阻電機的A、B、C三相繞組循環導通，同時還是繞組能量回饋路徑。功率變換器內部采用三相不對稱半橋結構，單相電路由兩只開關管、兩只續流二極管組成，結構相互獨立并有利于繞組快速退磁。根據直流電壓峰值、平均值，選用的開關管的耐壓為1 200 V，額定電流為75 A。選用的IGBT采用全橋結構，具有安全、穩定的特點［5］。

（3）控制器

控制器是開關磁阻智能電機系統的核心，用于數據采集、控制策略識別與運行等。控制器選用TI的TMS320F28335 數字信號處理器［6］，時鐘頻率為150 MHz，支持32 位浮點運算。控制器系統由TMS320F28335 芯片最小系統、位置/ 速度檢測電路、故障檢測電路、保護電路、IGBT驅動電路、電流采樣電路、位置信號調理電路、鍵盤電路以及顯示電路組成。

（4）電流檢測電路

開關磁阻智能電機系統運行時的轉速以及轉矩由電流決定，因此電流檢測運行時的精度直接影響系統運行性能。電流檢測一般有電阻采樣、霍爾傳感器采樣兩種方法。本文選用CHCS-LTSH-25A霍爾電流傳感器對電流進行檢測，輸出電壓信號［7-8］。該傳感器的額定電流為25 A，在-25A～+25A之間線性度較好，輸出電壓與檢測電流滿足式（1）：

式中：IPN為霍爾傳感器的標定額定電流，IP為被檢測電流。

（5）位置檢測電路

開關磁阻智能電機系統運行時的換相過程與位置參數息息相關。位置檢測電路由P521 光耦、7414 反相器、3384 電平轉換芯片組成。開關磁阻電機內嵌8 槽遮光盤、3 個光電開關，電機運行每隔7.5°輸出一個上升沿或者下降沿信號；每45°為一個周期，所有信號重復，共8 個周期。位置檢測電路必須對輸入信號進行光耦隔離，避免多脈沖跳以及環境干擾，提高位置檢測精度，方便計數并精確電機轉速。

2.2 軟件方案分析

用于選煤廠刮板輸送機的開關磁阻式智能電機系統軟件基于Keil ARM軟件平臺，采用C語言進行模塊化編程。按照開關磁阻式智能電機硬件設計框圖，軟件系統由系統初始化模塊、主程序模塊、控制策略模塊、中斷服務模塊、顯示模塊以及鍵盤處理模塊組成。軟件系統通過定義全局變量、標志位、函數塊實現各模塊之間的關聯與有序執行。系統初始化模塊完成對TMS320F28335 參數設置、SRM參數設置、變量初始化、用到的內存空間初始化以及允許中斷等，最后啟動主程序。主程序用于運行實時性不強的程序，同時等待定時器中斷；主程序中還包括轉速計算、液晶顯示、輸入輸出程序、故障判斷程序、鍵盤掃描程序以及調用子程序等。控制策略模塊中實現PR、PI以及電流斬波控制、電壓斬波控制以及角度位置控制三種方法。中斷服務用于處理實時性強的程序，如電流檢測程序、位置檢測程序、轉速控制、標志位更新等功能；采用定時器0 控制中斷頻率為50 kHz、10 kHz以及1 kHz程序；定時器1 用于完成標志位更新功能，每0.5 s更新一次。開關磁阻式智能電機系統主程序流程見圖2。

圖2 開關磁阻式智能電機系統軟件流程框圖

3 應用分析

西山煤電官地礦選煤廠生產車間431 刮板輸送機原電機系統采用三相異步電動機，型號為Y-160L-4。采用開關磁阻式智能電機系統，并對上述兩電機系統的核心參數，如功率、電壓、總用電量、小時耗電等進行統計分析，形成數據見表1。

表1 選煤廠刮板輸送機電機控制系統優化前后數據對比

通過對比發現，應用開關磁阻式智能電機系統的刮板輸送機小時耗電量由原來的6.86 下降至3.98，節電率可由式（2）進行計算：

式中：W1為原方案小時耗電量，W2為優化后方案小時耗電量，η為節電率。可知，該選煤廠刮板輸送機電機控制系統替換為開關磁阻式智能電機系統后的節電率η為41.9%，節電效果明顯。

4 結語

開關磁阻式智能電機系統應用于選煤廠刮板輸送機后，減少了系統啟動的電量損耗，且產生了良好的節能效果。優化后的選煤廠刮板輸送機開關磁阻智能電機系統具有啟動電流小、啟動轉矩大的優點。同時，開關磁阻智能電機系統還可廣泛應用于選煤廠的磁選機入料泵、清水泵、下料溜槽打料系統、底流回收泵等電機系統，達到節能降耗、安全穩定生產的目的。