戚國亮

（山西焦煤官地選煤廠，山西 太原 030022）

開關(guān)磁阻電機 （Switched Reluctance Motor，SRM）系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動轉(zhuǎn)矩大、運行效率高等優(yōu)點，同時內(nèi)嵌的優(yōu)化控制算法使得該系統(tǒng)的運行效果更加突出，廣泛應用于煤礦、化工、紡織等領(lǐng)域。開關(guān)磁阻電機的調(diào)速性能優(yōu)越，適合在長時間低速運行、頻繁正反轉(zhuǎn)、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(huán)境［1-2］。因此，在選煤廠調(diào)速設(shè)備中，如刮板輸送機、泵機、空壓機等都安裝有開關(guān)磁阻電機系統(tǒng)。文章基于開關(guān)磁阻式智能電機控制系統(tǒng)，分析其原理、結(jié)構(gòu)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(tǒng)，達到節(jié)能降耗、安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

1 原理及結(jié)構(gòu)

開關(guān)磁阻式智能電機在選煤廠的應用主要用于調(diào)速，如對刮板輸送機、泵站電機等進行調(diào)速。利用開關(guān)磁阻電機調(diào)速同時具備直流調(diào)速、交流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，如效率高、控制靈活、性能優(yōu)越等。開關(guān)磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)中的SRM是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的核心部件。系統(tǒng)的供電電源為蓄電池或者直流電，作用于功率變換器，為調(diào)速系統(tǒng)運行提供能量。外部轉(zhuǎn)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(shè)計的控制策略對IGBT等功率管進行通斷控制，從而控制開關(guān)磁阻電機的運行狀態(tài)。開關(guān)磁阻電機運行時遵循“磁阻最小原理”，使得電機轉(zhuǎn)子持續(xù)向磁阻減小的方向運動，進而驅(qū)動電機運行［3-4］。開關(guān)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(guān)磁阻電機調(diào)速時的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)、恒功率區(qū)、自然特性區(qū)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(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)硬件組成見圖1，由供電電源、功率變換器、控制器、開關(guān)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(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)硬件組成框圖

（1）電源

系統(tǒng)以三相交流電源供電，經(jīng)整流電路整流后將其轉(zhuǎn)換為直流電，直接作用與功率變換器。經(jīng)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(guān)磁阻電機的A、B、C三相繞組循環(huán)導通，同時還是繞組能量回饋路徑。功率變換器內(nèi)部采用三相不對稱半橋結(jié)構(gòu)，單相電路由兩只開關(guān)管、兩只續(xù)流二極管組成，結(jié)構(gòu)相互獨立并有利于繞組快速退磁。根據(jù)直流電壓峰值、平均值，選用的開關(guān)管的耐壓為1 200 V，額定電流為75 A。選用的IGBT采用全橋結(jié)構(gòu)，具有安全、穩(wěn)定的特點［5］。

（3）控制器

控制器是開關(guān)磁阻智能電機系統(tǒng)的核心，用于數(shù)據(jù)采集、控制策略識別與運行等?？刂破鬟x用TI的TMS320F28335 數(shù)字信號處理器［6］，時鐘頻率為150 MHz，支持32 位浮點運算?？刂破飨到y(tǒng)由TMS320F28335 芯片最小系統(tǒng)、位置/ 速度檢測電路、故障檢測電路、保護電路、IGBT驅(qū)動電路、電流采樣電路、位置信號調(diào)理電路、鍵盤電路以及顯示電路組成。

（4）電流檢測電路

開關(guān)磁阻智能電機系統(tǒng)運行時的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩由電流決定，因此電流檢測運行時的精度直接影響系統(tǒng)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(guān)磁阻智能電機系統(tǒng)運行時的換相過程與位置參數(shù)息息相關(guān)。位置檢測電路由P521 光耦、7414 反相器、3384 電平轉(zhuǎn)換芯片組成。開關(guān)磁阻電機內(nèi)嵌8 槽遮光盤、3 個光電開關(guān)，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(huán)境干擾，提高位置檢測精度，方便計數(shù)并精確電機轉(zhuǎn)速。

2.2 軟件方案分析

用于選煤廠刮板輸送機的開關(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)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(guān)磁阻式智能電機硬件設(shè)計框圖，軟件系統(tǒng)由系統(tǒng)初始化模塊、主程序模塊、控制策略模塊、中斷服務(wù)模塊、顯示模塊以及鍵盤處理模塊組成。軟件系統(tǒng)通過定義全局變量、標志位、函數(shù)塊實現(xiàn)各模塊之間的關(guān)聯(lián)與有序執(zhí)行。系統(tǒng)初始化模塊完成對TMS320F28335 參數(shù)設(shè)置、SRM參數(shù)設(shè)置、變量初始化、用到的內(nèi)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(zhuǎn)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(diào)用子程序等。控制策略模塊中實現(xiàn)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(wù)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(zhuǎn)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(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)主程序流程見圖2。

圖2 開關(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)軟件流程框圖

3 應用分析

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

表1 選煤廠刮板輸送機電機控制系統(tǒng)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，應用開關(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)的刮板輸送機小時耗電量由原來的6.86 下降至3.98，節(jié)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(yōu)化后方案小時耗電量，η為節(jié)電率?？芍?，該選煤廠刮板輸送機電機控制系統(tǒng)替換為開關(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)后的節(jié)電率η為41.9%，節(jié)電效果明顯。

4 結(jié)語

開關(guān)磁阻式智能電機系統(tǒng)應用于選煤廠刮板輸送機后，減少了系統(tǒng)啟動的電量損耗，且產(chǎn)生了良好的節(jié)能效果。優(yōu)化后的選煤廠刮板輸送機開關(guān)磁阻智能電機系統(tǒng)具有啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點。同時，開關(guān)磁阻智能電機系統(tǒng)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(tǒng)、底流回收泵等電機系統(tǒng)，達到節(jié)能降耗、安全穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。