开关磁阻电动机调速系统在煤矿井下输送机上的研究与应用

煤矿井下输送机作为煤矿井下常用设备,电机工作功率不足容易发生电能浪费问题,直接对机电设备应用情况、应用时间构成直接影响。故此,应将开关磁阻电动机调速系统应用于煤矿井下输送机上。

1.工作原理、结构情况及开关磁阻电动机调速系统特点概述

开关磁阻电动机调速系统SRD通过开关磁阻电动机SRM、控制器构成,其结构为定、转子双凸极,定子极上存在集中绕组,嵌放简便、端部短且牢固,工作比较稳定,即使在比较恶劣环境下应用效果均非常理想,转子没有绕组、永磁体,能在较高转速条件下工作[1]。当前,开发产品结构主要包括:8/6极、12/8极,如果某项绕组为通电的状态易导致四周转子极、这一相绕组轴线为重合状态电磁专柜,按照各项绕组顺序通电,促使转子持续转动。然后,改变通电的次序、电动机转向,对电力大小、通断电进行控制,旨在转变转矩、转速,达到制动运行的效果,这一电动机结构简单、控制简便。测定电动机转子瞬时位置、转速,可在SRM上设有传感器,目的为在第一时间将转子相对定子位置反馈于控制电路。需要注意的是,控制电路时能结合外部操作控制相关标准、电动机运行调节输出信号,经驱动电路、功率电路转变电动机通电,进而能达到稳定运行的状态。

SRD可连续调速,具有调速的范围宽、电动机结构简单,以及启动电流较小和转速大等特点,SRM控制参数较多而且控制方式较多、转矩方向不会受到电流方向、堵转电流影响,利于严格控制成本[2]。不足:SRD振动噪声及低速转矩脉动均较大。因此建议将SRD应用于重载启动、长时间低速重载运行,以及频繁启停、反向转换等设备中,比如:煤矿设备绞车、输送机、采掘设备等设备。

2.SRD应用于煤矿井下输送机中情况的研究

(1)SRD发热问题及其处理对策

通过试验发现,铜耗较大因KCB 400kW定子槽得到较好的应用,绕组导线截面非常大,所以会致使KCB 400kW铜耗低于相同功率低压电机,而损耗高于相同功率低压电机。小功率SRM交流异步电动机铜耗低于同功率相同设备,而且工作效率比较高,采用小功率SRM温升、同功率交流异步电动机的差异减小,功率增加、体积加大,这时铁耗占有率、交流异步电动机均会受到直接影响。SRM、交流异步电动机在结构方面存在较大差异性,频率增加条件下必然会加大损耗,这时SRM基波频率>200Hz,需要认真做好铁耗统计工作。大功率SRM铁耗直接关系到温升,表示当前SRM设计理论尚不完善,特别为铁芯损耗计算无完整理论,铁芯磁通波形、变化规律,和转速、开通角,以及关断角等有直接关联,变化规律较为复杂[3]。通过对SRM完善设计,能重视温升问题加长铁芯长度,通过H级绝缘、低损耗硅钢片处理转子冲片,并且完善电机冷却方式,以此确保系统SRM运行的稳定性、安全性。

(2)SRM定子绕组绝缘问题及其处理对策

SRM电动机试验、应用期间比较常见匝间短路现象,前2台KCB 400kW电动机电压等级为1100V,试验台型式试验中产生匝间短路问题,通过分析发现电动机组绕组温度非常高,选取的为155℃ F级电磁线,导致绕组局部温度过高、匝间绝缘老化。定子绕组选择H级绝缘电磁线浸漆,冷却电动机后实行型式试验,投入地面皮带机6个月左右,2台电动机发生绕组故障问题,通过检查电动机明确为匝间绝缘受损引发故障。绕组匝间短路原因为输出电压高频谐波,开关控制柜、普通变频器比较相似,均使用绝缘栅双极晶体管IGBT功率器件、输出波为脉宽调制PWM技术处理,但变频器输出波形有所差异,开关控制柜输出的为方波,载波频率较高,峰值电压高于基波电压,特别为集中绕组属于散嵌绕组。经试验明确匝间电压达到尖峰电压,漆包线局部为放电的状态,会将绝缘体击穿损坏匝间。与此同时,放电电腐的条件下空气中容易产生空间电荷、形成和外加电场方向的电场,电压极性发生变化这一电场和外接电场方向统一,此时则会形成较高的电场,局部放电量加大、匝间绝缘击穿[4]。需要注意的是,上述绝缘电压冲击程度关系到导线特定性能、PWM驱动电流情况,上升时间<0.1ns绝大部分电势施加于绕组前匝,上升时间更短电压的冲击则会更大,导致匝间绝缘的使用时间减少。针对于此,应避免匝间绝缘击穿可选用防电晕电磁线,这类漆包线多在国外应用耐高频尖峰电压方面的性能较强,我国因为电磁线为起步阶段所以性能无法达到稳定的要求,需选择适合的防电晕漆包线、绝缘工艺处理。SRM存在气隙高频脉冲电压条件下,空隙会出现电荷使得绝缘受损情况。所以,绕组需保证没有气隙,建议选择聚酯无溶剂树脂浸渍漆、VPI整浸工艺,从而减小气隙。KCB 400kW电动机使用防晕电磁线、VPI整浸工艺,浸漆次数为3次旨在减小绕组气隙,为防止发生早间故障问题、功率电动机匝间短路问题奠定基础。

(3)防爆开关控制柜过冷凝露问题及其处理对策

SRD在井下输送机上应用能满足相关试验条件,井下皮带机初期选用KCBS 280kW*2双驱系统,试验的过程电动机未见异常,然而开关柜应用一段时间后出现IGBT爆裂方面情况,究其原因和四周冷凝水击穿地面有关,因此应增加循环风冷,确保腔体内温度保持均匀状态[5]。同时,需要结合腔体温度对冷却水通断加以控制,严格控制腔体内的温度达到具体标准。上述双驱系统研制效果较好,可为KCBS 400kW*2双驱系统研制提供支持,为双驱系统在井下输送机应用奠定良好基础。

(4)SRD应用成果

KCBS 400kW点定级调速系统的应用,能够很好的处理电动机发热、绕组匝间短路,以及控制柜温度等方面问题,不仅如此还能在皮带机启动时处理电气冲击问题、机械冲击问题,避免设备应用时间受到严重影响,结合出煤量合理调节转速,达到节能的效果。

(5)实行系统硬件设计

系统应用电机使用的为1台三相12/8极开关磁阻电动机,额定转速、重量分别为:每分钟1500r、88kg,SRM自带位置检测模块为光电式位置传感器。系统功率通过智能功率模块IPM构成,IPM将功率开关器件、驱动电路集成,应用IGBT作为功率开关,涉及电流传感器、驱动电路、过电压及过电流等,能及时将检测信号传输于CPU[6]。经高速低功耗管芯、门极驱动电路、极速保护电路所组成,负载事故/应用不当条件下IPM受到损害,IPM属于电力电子器件可在驱动电机变频器、不同逆变电源中应用。

(6)系统软件设计要点

系统软件设计,即为在硬件电路之上对主控制芯片DSP编程形成整体系统,对系统加以严格控制。软件启动时DSP控制芯片需进行初始化操作,这时主程序运行良好,能对系统实时控制,进到定时器周期中断运行速度PI调节运算,捕获中断服务子程序对捕获程序评判,以此读取捕获数据、存储数据,结合捕获数据信息达到换相控制的目的[7]。DSP经SCI接收中断接收器外接键盘系统控制,达到电机正反转、快进和快退等效果。

3.结语

煤矿业的良好发展下大功率输送机需求较大,为避免发生防爆开关控制柜过冷凝露问题、SRD发热问题、SRM定子绕组绝缘问题等,应合理使用SRD替代进口产品,并且研制电动机和集控器一体设备,进而提高工作效率。

摘要：本文对工作原理、结构情况及开关磁阻电动机调速系统特点概述后,对SRD应用于煤矿井下输送机中情况进行研究,通过研究发现SRD存在发热、SRM定子绕组绝缘、防爆开关控制柜过冷凝露等方面问题,然后采取对应措施处理问题,并合理设计系统软硬件,以便使SRD可以正常运行。

关键词：开关磁阻电动机,调速系统,煤矿井下,输送机上,应用

参考文献

[1] 郝雪兵.煤矿井下带式输送机自动控制系统设计研究[J].中国化工贸易,2018,010(036):217.

[2] 王聪,石虎,蒋晓燕.自动化无人值守技术在煤矿井下带式输送机上的应用[J].建筑工程技术与设计,2018,000(014):907.

[3] 刘行.煤矿井下带式输送机电机控制系统理论及仿真模拟研究[J].煤炭与化工,2019,42(7):90-93.

[4] 李志鸿.煤矿井下带式输送机自动控制系统设计研究[J].机电工程技术,2018,47(09):228-230.

[5] 赵建勇.永磁变频电动机直驱带式输送机在煤矿井下的应用研究[J].内蒙古煤炭经济,2018,000(024):14-15.

[6] 蔡云领.浅析煤矿井下皮带自动化控制系统及其应用[J].黑龙江科技信息,2018,000(008):183-184.

[7] 段伟峰.煤矿井下带式输送机自动控制系统改进设计研究[J].机械管理开发,2018,033(006):196-197.