基于开关磁阻电机的矿用梭车牵引系统的设计

基于开关磁阻电机的矿用梭车牵引系统的设计

                ,高鹏

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，煤矿采掘机械装备国家工程实验室，太原030006

摘要：矿用梭车穿梭往返于连采工作面，起着转运煤的作用，其运行的高效与否直接关系到煤的转运速度，从而影响连采装备的效率。分析了梭车牵引用开关磁阻电机代替交流异步电机的可能性，提出梭车牵引系统采用开关磁阻电机的方案，通过设计开关磁阻电机硬件电路，提升了梭车牵引的启动转矩及运行速度，提高了梭车的运煤速率。

关键字：开关磁阻电机；梭车；转矩；运行速度

引言：

开关磁阻电机（简称SRM）以其调速范围宽、可以频繁起停、制动、频繁正反切换等诸多的优点，成为新一代的调速系统，梭车也是一种频繁前进、后退的煤矿井下设备，需要频繁的启停、制动等，因此开关磁阻电机的性能完全能够满足矿井下再用的梭车异步电机的替换，本文通过设计梭车用开关磁阻电机牵引调速系统，提高了梭车牵引系统的可靠性，提升了梭车的运煤效率。

1. 梭车电气控制系统组成

    梭车电气控制系统主要由卷电缆、电控箱、操作箱、显示箱、油泵电机、两个牵引电机和转载电机以及一些外围的传感器、报警装置、照明装置等组成。其中电控箱用于实现外围传感器数据的采集、分析及处理，以此来作为整机正常运行的条件，同时电控箱内安装着整机控制中心枢纽PLC，通过采用开关量实现对油泵电机、转载电机的控制，采用CAN总线实现对梭车牵引电机的控制。其通过采集操作箱的数据，用于综合分析判断处理控制梭车的各个动作，显示箱用于显示梭车各个关键部位的状态显示及故障预警。其系统框图如图1所示：

                       图1 梭车电气系统图

2. 梭车牵引用开关磁阻电机设计

     由于梭车的供电系统为三相交流AC1140V供电，因此本文采用AC-DC-AC的开关磁阻电机功率变换器，首先进行电压整流，然后进行逆变。其功率部分

硬件电路图如下：

                           图2 功率硬件电路

开关磁阻电机的整流侧采用三相全控整流电路，开关磁阻电机的的逆变控制电路采用三相不对称半桥电路如图2中的右半部分所示，其三相绕组接在每一相的上下桥臂之间，不会出现像异步电机上下桥臂直通的可能，也不需要进行功率管死区的设置。从图2可以看出其中的电阻电容用于平衡滤波直流侧的电压，以及泄放制动时产生的能量，VT1-VT6为IGBT开关管，VD1-VD6为快恢复续流二极管，这样的驱动电路结构相对简单，且其中某一路的电气故障不会引起其他两相电路的危险。电机在额定运行下的电压为1140V，功率为65KW，根据经验公式，其电流额定值近似为

               （2.1）

最大峰值电流近似为

              （2.2）

在这里IGBT取额定容量的2倍左右，考虑到经济性，本文选用IGBT 3000V/200A，IGBT在开通的瞬间可能由于开通、关断过程中的过电压损坏，于是采取了一定的保护措施，设计了缓冲电路，缓冲电路也称为吸收电路，缓冲电路由电阻、电容、快恢复二极管组成，即在每一个IGBT两端并接RCD电路，其原理如图3所示。

图3 RCD缓冲电路

缓冲吸收电路的好坏与其内部的组成元器件电容、电阻有很大的关系，如果选择的电阻与电容不恰当，在吸收过电压的时候不仅吸收效果不好，而且甚至可能引起振荡的效果，IGBT在施加关断信号的情况下，内部的电流将会迅速降低，同时RCD吸收电路中的电流将会以相同的变化率上升。在这一过程当中，当器件内部的电流转移到RCD电路后，电路中存在的寄生电感能量将会释放并转换成电容中储存的能量。因此在实际应用使用过程中，由于杂散电感估计不准确，且吸收效果不佳，只能通过不断地实验进行改善。本文最终选择薄膜电容0.22，电阻5Ω。

将整个功率器件布置有带有水循环的梭车电控系统，以此来满足功率器件的散热，功率器件及电机作为梭车牵引的执行部件，该功率组件接收来自主箱控制器的控制命令来执行相应的操作，其主要依靠采集梭车脚踏板的开度，获取梭车给定转矩大小，控制IGBT的开通大小，进而控制电机的转矩、转速。功率器件可调频率大小为0-100HZ,满足梭车牵引转速及转矩要求。

3. 梭车电气系统网络组网

    梭车作为煤矿井下的短距离运输车辆，整个电气系统采用CAN总线通信模式，梭车主控制器采用德国Intelcontrol PLC控制器，与操作箱EPEC控制器PLC,开关磁阻电机控制箱体内的控制器DSP建立起CAN通信。考虑到电机运行中，IGBT开关的导通与关断可能造成电磁干扰，因此在CAN总线通信线中采用屏蔽双绞线，同时在屏蔽线上加装磁环装置，用于屏蔽高频产生的干扰，根据实际的使用情况，确保控制系统中的PLC都采用单独供电的方式，即电源采用隔离电源，保证了数据传输的可靠性，确保了梭车牵引能够正常工作。

4. 结论

1.梭车牵引系统中采用开关磁阻电机，提升了梭车的牵引性能，有效的解决了梭车启动性能，极大的提高了梭车运煤的效率。

   2.同时梭车具有缺相也能运行的优势，提高了梭车整机的可靠性，为梭车的正常运行提供了保证。

   3.整机采用CAN总线通信方式，减小了线缆的布置，为其他元部件留下了空间，减少了线缆多可能带来的故障点，极大的提升了梭车整机运行的可靠性。

参考文献：

[1]盛况，任传敏，贺志超，李阳，矿用梭车电气系统设计[J],山西焦煤科技，2010（4）:4-7.

[2]郑海峰。变频调速系统在牵引梭车的应用[J],现代工业经济和信息化.2022[8]

[3]唐会成.1140V变频调速系统在梭车的应用[J],装备制造技术，2013[5].

作者简介：高鹏（1989.11-）,山西省太原市，研究生，助理研究员。2017年毕业于西安科技大学电力电子与电力传动专业，就职于中国煤炭科工集团太原研究员/山西天地煤机装备有限公司，研究方向:电力电子技术及煤机设备电气自动化，地址：山西省太原市科荟路，煤科院。