开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的研究与应用

王德龙

摘  要：主要介绍了开关磁阻电机调速系统的优点和在刮板输送机上的研究应用。

关键词：开关磁阻电机;开关磁阻电机调速系统;刮板输送机

一、开关磁阻电机调速系统的简介

开关磁阻电机调速系统（简称“SRD”）是80年代中期发展起来的新型调速系统。它融新颖的电动机结构——开关磁阻电动机（简称“SR”）与现代电力电子技术、电气控制技术为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，因此它具有交流变频调速系统及直流调速系统不可比拟的优势。其电机本身结构简单、成本低，整个系统具有效率高、可控参数多、起动电流小、起动转矩大等特点，因而可以在超高速的状态下运行，而且坚固耐用，适合于恶劣条件下应用[1]。

随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现、大功率开关磁阻电机的发展成熟，新型开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的应用，能大幅提高刮板输送机的使用性能，具备其他驱动控制系统达不到的优势。

（1）起动转矩可达额定转矩的150%，起动电流仅为额定电流的30%，适用于重载频繁起动。（2）系统为可逆调速系统，给定量为转速，依据负载情况，电机可自动处于正向电动、制动，反向电动、制动状态。（3）系统闭环调节，机械电气时间常数小，调速精度高（4）“SR”电动机无刷无整流子，控制电器及电路结构简单可靠，适用于恶劣的工矿条件，“SR”电动机损耗小、效率高，转子不存在励磁及转差率，因此在很宽的调速范围内效率高达87%以上。

二、刮板输送机现有几种控制方式的分析

目前我国煤矿用刮板输送机、皮带机使用的驱动控制方式主要有四种：（1）交流变频调速;（2）软启动开关控制;（3）真空开关直接启动;（4）双速电机启动。表1对几种驱动控制方式优缺点做了一简单比较。

表1  几种驱动控制方式优缺点对比

从表1几种驱动控制方式对比中可以看出，开关磁阻电机调速技术与四种驱动控制方式相比具有无可比拟的技术优势，与刮板输送机配合使用能够保证刮板输送机宽范围调速、高转矩大重载频繁启动、高可靠性等性能的实现。

三、开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的应用原理

（1）刮板输送机用开关磁阻调速系统主要由刮板输送机隔爆调速柜（图1）与矿用隔爆型开关磁阻电动机构成。

图1  调速柜结构图

（2）隔爆调速柜主要为开关磁阻控制器和工控部分两部分组成，开关磁阻控制器又分为功率电路和控制电路。控制器中的功率电路，整流回馈部分电路将三相交流电源转换为直流电，六个IGBT功率开关和续流二极管组成三相半桥式逆变电路，分别向电动机三相绕组供电。当一相功率开关导通时，经端子向电动机绕组通电;当功率开关关断时，该绕组通过续流二极管向电容器C 续流和回馈能量，并使电流迅速降至零。这里功率开关同电动机绕组相串联，避免了桥式逆变电路（如变频器）易发生上下桥臂元件直通短路的危险，故工作可靠性高，保护电路也可简化。

（3）开关磁阻控制器控制电路根据外部操作控制要求和电动机实际运行情况连续调节输出信号，以通过驱动电路和功率电路改变电动机绕组的通电时刻，使之达到规定的运行要求，如转向、转矩、转速、电动与制动等，并处于最佳工作状态。控制电路由一个DSP及数字、模拟电路组成，工作稳定、抗干扰能力强、响应快。

（4）工控部分主要由PLC、接触器、继电器、按钮、电流显示器等元件组成，是开关磁阻控制器的外围控制系统。PLC是工控部分的核心控制单元，外部操作台，柜门按钮，旋转开关等控制信号输入给PLC，PLC按照预定程序对这些控制信号进行处理，输出控制信号给开关磁阻控制器，以实现对开关磁阻电机的启动、停止、调速等操作，同时PLC也接受开关磁阻控制器反馈信号，以判断开关磁阻控制器当前运行状态，并将运行状态通过继电器或485通讯输出至外部操作台。

（5）开关磁阻电动机结构十分简单坚固，控制也十分方便，该型电机为定转子双凸极12/8齿结构。定子齿上有集中绕组，每四个齿的绕组相连接，构成A、B、C三相绕组。当某相绕组通电时，将产生一个使邻近转子齿与该相绕组轴线相重合的电磁转矩。顺序对各相绕组通电（如A-B-C-A……），则可使转子连续转动。改变通电次序，可改变电动机转向。控制该电流的大小和通断电时刻，可以改变转矩，改变转速，还可以实现制动运行。

四、开关磁阻调速技术应用在刮板输送机上的技术优势

（1）在能耗利用方面，由于开关磁阻调速系统具有非常小的控制器输入电流和电机绕组电流，在正常运行下开关磁阻调速系统比同等功率变频调速节能20%左右。（2）起动转矩大、升速平稳、起动电流小，起动转矩可达额定转矩的150%，起动电流仅为额定电流的30%，能够保证刮板输送机重载、频繁启动，提高刮板输送机在不同工况条件下的使用性能。（3）电机运行时不产生高次谐波，对电网无污染，起动电流小，能减小启动时系统对电网的大电流冲击。（4）基于CAN实现双机同步控制，两台电机可通过转速/转矩同步运行实现主机、从机双机功率平衡。内置PLC，双机通过I/O口及485通讯实现互锁，主机或从机故障时自动停机保护，关闭故障电机，可以实现单机运行。（5）控制器与电机之间距离可达到800米，减少了设备挪移次数，提高了生产效率。（6）结构简单坚固，无电刷无整流子，无转子鼠笼，耐震动，耐冲击负载;无机械冲击，刮板机关键部件—链轮轴组、刮板、链条以及减速箱的使用寿命明显提升2-4倍，从而降低了刮板机的使用成本和设备维护难度，生产效率提高了1倍多，具有显著的经济效益。

结论：开关磁阻电机调速技术在刮板运输机上的应用，实现了刮板输送机运行速度的快速调节以及重载状态下的可靠启动，较好的适应了刮板输送机运行状态多变的情况，不仅减少了刮板输送机运行故障和关键部件的损耗，而且提高了整个综采系统的开机率[2]，将为现有煤矿机械设备的技术配套和技术更新改造提供强有力的技术支持和可靠的设备保障。

参考文献：

[1] 周永勤，王旭东.开关磁阻电动机调速技术研究.哈尔滨理工大学，2002.

[2] 张淑芳，韩君，欧阳一鸣.开关磁阻电机调速系统及其应用.合肥工业大学，宿州学院.endprint

摘  要：主要介绍了开关磁阻电机调速系统的优点和在刮板输送机上的研究应用。

关键词：开关磁阻电机;开关磁阻电机调速系统;刮板输送机

一、开关磁阻电机调速系统的简介

开关磁阻电机调速系统（简称“SRD”）是80年代中期发展起来的新型调速系统。它融新颖的电动机结构——开关磁阻电动机（简称“SR”）与现代电力电子技术、电气控制技术为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，因此它具有交流变频调速系统及直流调速系统不可比拟的优势。其电机本身结构简单、成本低，整个系统具有效率高、可控参数多、起动电流小、起动转矩大等特点，因而可以在超高速的状态下运行，而且坚固耐用，适合于恶劣条件下应用[1]。

随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现、大功率开关磁阻电机的发展成熟，新型开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的应用，能大幅提高刮板输送机的使用性能，具备其他驱动控制系统达不到的优势。

（1）起动转矩可达额定转矩的150%，起动电流仅为额定电流的30%，适用于重载频繁起动。（2）系统为可逆调速系统，给定量为转速，依据负载情况，电机可自动处于正向电动、制动，反向电动、制动状态。（3）系统闭环调节，机械电气时间常数小，调速精度高（4）“SR”电动机无刷无整流子，控制电器及电路结构简单可靠，适用于恶劣的工矿条件，“SR”电动机损耗小、效率高，转子不存在励磁及转差率，因此在很宽的调速范围内效率高达87%以上。

二、刮板输送机现有几种控制方式的分析

目前我国煤矿用刮板输送机、皮带机使用的驱动控制方式主要有四种：（1）交流变频调速;（2）软启动开关控制;（3）真空开关直接启动;（4）双速电机启动。表1对几种驱动控制方式优缺点做了一简单比较。

表1  几种驱动控制方式优缺点对比

从表1几种驱动控制方式对比中可以看出，开关磁阻电机调速技术与四种驱动控制方式相比具有无可比拟的技术优势，与刮板输送机配合使用能够保证刮板输送机宽范围调速、高转矩大重载频繁启动、高可靠性等性能的实现。

三、开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的应用原理

（1）刮板输送机用开关磁阻调速系统主要由刮板输送机隔爆调速柜（图1）与矿用隔爆型开关磁阻电动机构成。

图1  调速柜结构图

（2）隔爆调速柜主要为开关磁阻控制器和工控部分两部分组成，开关磁阻控制器又分为功率电路和控制电路。控制器中的功率电路，整流回馈部分电路将三相交流电源转换为直流电，六个IGBT功率开关和续流二极管组成三相半桥式逆变电路，分别向电动机三相绕组供电。当一相功率开关导通时，经端子向电动机绕组通电;当功率开关关断时，该绕组通过续流二极管向电容器C 续流和回馈能量，并使电流迅速降至零。这里功率开关同电动机绕组相串联，避免了桥式逆变电路（如变频器）易发生上下桥臂元件直通短路的危险，故工作可靠性高，保护电路也可简化。

（3）开关磁阻控制器控制电路根据外部操作控制要求和电动机实际运行情况连续调节输出信号，以通过驱动电路和功率电路改变电动机绕组的通电时刻，使之达到规定的运行要求，如转向、转矩、转速、电动与制动等，并处于最佳工作状态。控制电路由一个DSP及数字、模拟电路组成，工作稳定、抗干扰能力强、响应快。

（4）工控部分主要由PLC、接触器、继电器、按钮、电流显示器等元件组成，是开关磁阻控制器的外围控制系统。PLC是工控部分的核心控制单元，外部操作台，柜门按钮，旋转开关等控制信号输入给PLC，PLC按照预定程序对这些控制信号进行处理，输出控制信号给开关磁阻控制器，以实现对开关磁阻电机的启动、停止、调速等操作，同时PLC也接受开关磁阻控制器反馈信号，以判断开关磁阻控制器当前运行状态，并将运行状态通过继电器或485通讯输出至外部操作台。

（5）开关磁阻电动机结构十分简单坚固，控制也十分方便，该型电机为定转子双凸极12/8齿结构。定子齿上有集中绕组，每四个齿的绕组相连接，构成A、B、C三相绕组。当某相绕组通电时，将产生一个使邻近转子齿与该相绕组轴线相重合的电磁转矩。顺序对各相绕组通电（如A-B-C-A……），则可使转子连续转动。改变通电次序，可改变电动机转向。控制该电流的大小和通断电时刻，可以改变转矩，改变转速，还可以实现制动运行。

四、开关磁阻调速技术应用在刮板输送机上的技术优势

（1）在能耗利用方面，由于开关磁阻调速系统具有非常小的控制器输入电流和电机绕组电流，在正常运行下开关磁阻调速系统比同等功率变频调速节能20%左右。（2）起动转矩大、升速平稳、起动电流小，起动转矩可达额定转矩的150%，起动电流仅为额定电流的30%，能够保证刮板输送机重载、频繁启动，提高刮板输送机在不同工况条件下的使用性能。（3）电机运行时不产生高次谐波，对电网无污染，起动电流小，能减小启动时系统对电网的大电流冲击。（4）基于CAN实现双机同步控制，两台电机可通过转速/转矩同步运行实现主机、从机双机功率平衡。内置PLC，双机通过I/O口及485通讯实现互锁，主机或从机故障时自动停机保护，关闭故障电机，可以实现单机运行。（5）控制器与电机之间距离可达到800米，减少了设备挪移次数，提高了生产效率。（6）结构简单坚固，无电刷无整流子，无转子鼠笼，耐震动，耐冲击负载;无机械冲击，刮板机关键部件—链轮轴组、刮板、链条以及减速箱的使用寿命明显提升2-4倍，从而降低了刮板机的使用成本和设备维护难度，生产效率提高了1倍多，具有显著的经济效益。

结论：开关磁阻电机调速技术在刮板运输机上的应用，实现了刮板输送机运行速度的快速调节以及重载状态下的可靠启动，较好的适应了刮板输送机运行状态多变的情况，不仅减少了刮板输送机运行故障和关键部件的损耗，而且提高了整个综采系统的开机率[2]，将为现有煤矿机械设备的技术配套和技术更新改造提供强有力的技术支持和可靠的设备保障。

参考文献：

[1] 周永勤，王旭东.开关磁阻电动机调速技术研究.哈尔滨理工大学，2002.

[2] 张淑芳，韩君，欧阳一鸣.开关磁阻电机调速系统及其应用.合肥工业大学，宿州学院.endprint

摘  要：主要介绍了开关磁阻电机调速系统的优点和在刮板输送机上的研究应用。

关键词：开关磁阻电机;开关磁阻电机调速系统;刮板输送机

一、开关磁阻电机调速系统的简介

开关磁阻电机调速系统（简称“SRD”）是80年代中期发展起来的新型调速系统。它融新颖的电动机结构——开关磁阻电动机（简称“SR”）与现代电力电子技术、电气控制技术为一体，兼有异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统的优点，因此它具有交流变频调速系统及直流调速系统不可比拟的优势。其电机本身结构简单、成本低，整个系统具有效率高、可控参数多、起动电流小、起动转矩大等特点，因而可以在超高速的状态下运行，而且坚固耐用，适合于恶劣条件下应用[1]。

随着智能技术的不断成熟及高速高效低价格的数字信号处理芯片（DSP）的出现、大功率开关磁阻电机的发展成熟，新型开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的应用，能大幅提高刮板输送机的使用性能，具备其他驱动控制系统达不到的优势。

（1）起动转矩可达额定转矩的150%，起动电流仅为额定电流的30%，适用于重载频繁起动。（2）系统为可逆调速系统，给定量为转速，依据负载情况，电机可自动处于正向电动、制动，反向电动、制动状态。（3）系统闭环调节，机械电气时间常数小，调速精度高（4）“SR”电动机无刷无整流子，控制电器及电路结构简单可靠，适用于恶劣的工矿条件，“SR”电动机损耗小、效率高，转子不存在励磁及转差率，因此在很宽的调速范围内效率高达87%以上。

二、刮板输送机现有几种控制方式的分析

目前我国煤矿用刮板输送机、皮带机使用的驱动控制方式主要有四种：（1）交流变频调速;（2）软启动开关控制;（3）真空开关直接启动;（4）双速电机启动。表1对几种驱动控制方式优缺点做了一简单比较。

表1  几种驱动控制方式优缺点对比

从表1几种驱动控制方式对比中可以看出，开关磁阻电机调速技术与四种驱动控制方式相比具有无可比拟的技术优势，与刮板输送机配合使用能够保证刮板输送机宽范围调速、高转矩大重载频繁启动、高可靠性等性能的实现。

三、开关磁阻电机调速技术在刮板输送机上的应用原理

（1）刮板输送机用开关磁阻调速系统主要由刮板输送机隔爆调速柜（图1）与矿用隔爆型开关磁阻电动机构成。

图1  调速柜结构图

（2）隔爆调速柜主要为开关磁阻控制器和工控部分两部分组成，开关磁阻控制器又分为功率电路和控制电路。控制器中的功率电路，整流回馈部分电路将三相交流电源转换为直流电，六个IGBT功率开关和续流二极管组成三相半桥式逆变电路，分别向电动机三相绕组供电。当一相功率开关导通时，经端子向电动机绕组通电;当功率开关关断时，该绕组通过续流二极管向电容器C 续流和回馈能量，并使电流迅速降至零。这里功率开关同电动机绕组相串联，避免了桥式逆变电路（如变频器）易发生上下桥臂元件直通短路的危险，故工作可靠性高，保护电路也可简化。

（3）开关磁阻控制器控制电路根据外部操作控制要求和电动机实际运行情况连续调节输出信号，以通过驱动电路和功率电路改变电动机绕组的通电时刻，使之达到规定的运行要求，如转向、转矩、转速、电动与制动等，并处于最佳工作状态。控制电路由一个DSP及数字、模拟电路组成，工作稳定、抗干扰能力强、响应快。

（4）工控部分主要由PLC、接触器、继电器、按钮、电流显示器等元件组成，是开关磁阻控制器的外围控制系统。PLC是工控部分的核心控制单元，外部操作台，柜门按钮，旋转开关等控制信号输入给PLC，PLC按照预定程序对这些控制信号进行处理，输出控制信号给开关磁阻控制器，以实现对开关磁阻电机的启动、停止、调速等操作，同时PLC也接受开关磁阻控制器反馈信号，以判断开关磁阻控制器当前运行状态，并将运行状态通过继电器或485通讯输出至外部操作台。

（5）开关磁阻电动机结构十分简单坚固，控制也十分方便，该型电机为定转子双凸极12/8齿结构。定子齿上有集中绕组，每四个齿的绕组相连接，构成A、B、C三相绕组。当某相绕组通电时，将产生一个使邻近转子齿与该相绕组轴线相重合的电磁转矩。顺序对各相绕组通电（如A-B-C-A……），则可使转子连续转动。改变通电次序，可改变电动机转向。控制该电流的大小和通断电时刻，可以改变转矩，改变转速，还可以实现制动运行。

四、开关磁阻调速技术应用在刮板输送机上的技术优势

（1）在能耗利用方面，由于开关磁阻调速系统具有非常小的控制器输入电流和电机绕组电流，在正常运行下开关磁阻调速系统比同等功率变频调速节能20%左右。（2）起动转矩大、升速平稳、起动电流小，起动转矩可达额定转矩的150%，起动电流仅为额定电流的30%，能够保证刮板输送机重载、频繁启动，提高刮板输送机在不同工况条件下的使用性能。（3）电机运行时不产生高次谐波，对电网无污染，起动电流小，能减小启动时系统对电网的大电流冲击。（4）基于CAN实现双机同步控制，两台电机可通过转速/转矩同步运行实现主机、从机双机功率平衡。内置PLC，双机通过I/O口及485通讯实现互锁，主机或从机故障时自动停机保护，关闭故障电机，可以实现单机运行。（5）控制器与电机之间距离可达到800米，减少了设备挪移次数，提高了生产效率。（6）结构简单坚固，无电刷无整流子，无转子鼠笼，耐震动，耐冲击负载;无机械冲击，刮板机关键部件—链轮轴组、刮板、链条以及减速箱的使用寿命明显提升2-4倍，从而降低了刮板机的使用成本和设备维护难度，生产效率提高了1倍多，具有显著的经济效益。

结论：开关磁阻电机调速技术在刮板运输机上的应用，实现了刮板输送机运行速度的快速调节以及重载状态下的可靠启动，较好的适应了刮板输送机运行状态多变的情况，不仅减少了刮板输送机运行故障和关键部件的损耗，而且提高了整个综采系统的开机率[2]，将为现有煤矿机械设备的技术配套和技术更新改造提供强有力的技术支持和可靠的设备保障。

参考文献：

[1] 周永勤，王旭东.开关磁阻电动机调速技术研究.哈尔滨理工大学，2002.

[2] 张淑芳，韩君，欧阳一鸣.开关磁阻电机调速系统及其应用.合肥工业大学，宿州学院.endprint