基于转矩控制的矿用电机车调速装置设计

齐 麟

（山西宏厦一建， 山西 阳泉 045000）

引言

煤炭企业对矿用电机车辆的需求不断增加，受技术条件的限制，目前绝大多数矿用的电机车辆均为直流调速装置，在实际运行中虽然其调速范围较广、动态性能较好，但是由于其运行高度依赖于换向环节，其不但给日常的维护、维修带来了极大的困难，同时也使得矿用电机车的调速装置故障率居高不下，且由于煤矿井下粉尘浓度高、路况条件复杂等因素更使得传统矿用电机车辆的应用受到了极大的限制，严重影响了煤炭企业的正常生产[1]。

1 磁阻电机的结构

根据相数可以将磁阻电机分为单相、两相、三相及四相等，图1所示为单相磁阻电机，它的转子和定子结构均为两级结构，因此其不仅具有结构简单、制造成本低廉的优点，也具有无法自启动、转动惯量小，在工作中存在死区的缺点，极大地限制了其应用[2]。

图2所示为两相磁阻电机，从结构上可以看出其具有一对转子和两对定子，此结构同样是缺乏自启动的能力，且在工作中依旧存在转矩的死区，无法大规模应用。

图3所示结构为三相磁阻电机，其具有三对定子和两对转子，该结构最大的优点在于可以方便实现正方向和反方向的自启动。

图4所示的结构为四相磁阻电机，其具有四对定子和三对转子，和其他结构的磁阻电机相比，它的转矩显著降低，具有很好的启动性能，但是其结构相对复杂，制造成本也相对较高，但是为了实现对矿用电机车的精确控制，确保其工作的可靠性和使用寿命，采用四相磁阻电机。

图1 单相磁阻电机

图2 两相磁阻电机

图3 三相磁阻电机

图4 四相磁阻电机

2 转矩控制原理

转矩控制的目的是保持定子磁链幅值的稳定性，实现抑制磁阻电机在工作过程中的转矩脉动，其控制逻辑如下页图5所示，其中坐标变换模块的作用是确保磁阻电机四相绕组的坐标变换，在实现坐标变换后，可以利用扇区判断模块实现反正切函数的运算，继而求出磁链角度，磁链幅值模块利用求磁链的矢量幅值，作为磁链相对比的输入[3]，最后，开关状态就可以根据不同的输入量，计算出在某个时刻所最终输出的电压的矢量值，然后功率转换器将获得的电压矢量转换为开关状态，从而实现对磁阻电机的精确控制。

3 磁阻电机转矩控制装置仿真建模

为了对磁阻电机转矩控制装置的性能进行更直观、更科学的分析研究，利用Matlab仿真分析软件对其进行了建模分析，其主要包括磁阻电机模块、扇区选择模块、滞环对比模块及功率转换模块[4]，其仿真分析建模如下页图6所示。

功率转换模块是将电能转化为机械能的核心，其工作稳定性直接影响到磁阻电机的调速性能，因此功率转换模块应具有电流能快速增加、主绕组的电压和系统电源的电压相一致的特点。在磁阻电机工作的过程中，直接转矩利用对定子磁链的控制，使磁阻电机输出的定子的磁链的波动限定在一个设定的范围内，四相磁阻电机的四相磁链呈垂直交叉分布，A相与C相的连线与B相和D相的连线垂直，且A相与C相方向相反，B相和D相方向相反，当转子转动15°后切换导通相，经过60°后完成一个完整的导通相，由此完成一个四相磁链的坐标变换。

图5 磁阻电机转矩控制装置结构示意图

图6 磁阻电机转矩控制装置仿真模型

4 磁阻电机转矩控制装置仿真分析

为了对磁阻电机转矩控制装置的实际性能进行验证，建立一个25 kW的磁阻电机，其阻抗为1.5 Ω，电感为1.2 mH，转动惯量为0.001 4 kg·m2，电机的额定转速为2 000 rad/s，额定电压为360 VDC。其仿真结果如图7—图10所示。

由图7的磁阻电机转矩控制波形图和图8的传统PI控制的波形图可以看出，直接转矩控制的磁阻电机的响应速度快并且磁阻电机转矩控制输出的脉动较小，运转过程平稳。

由图9的磁阻电机转矩控制的转速波形和图10的传统PI控制的转速波形可知，当对电机的转速设置为2 000 rad/s，示波器的每格设置为500 rad/s，可以看出磁阻电机转矩控制的转速波形的响应速度要远快于传统的PI控制。

5 结论

利用仿真分析软件对基于转矩控制的调速装置进行了仿真分析，结果表明该调速装置在突变负载作用下的输出的脉动小，运转过程稳定性高，且对外界负载的响应速度要高于传统的PI控制。

图7 磁阻电机转矩控制波形图

图8 传统PI控制波形图

图9 磁阻电机转矩控制的转速波形

图10 传统PI控制的转速波形