矿用带式输送机用永磁同步电机控制器研究

苏 元

(山西兰花集团 东峰煤矿有限公司，山西 晋城 048400)

0 引言

解决能源危机是21世纪最重要的课题之一，对于煤炭等矿山企业，节能也是提高企业生产效率、实现低碳可持续发展的重要途径。矿用带式输送机采用永磁同步电机进行拖动，其功率大，能源利用率低，企业每年支出大量电费。本文研究了一种三电平变频器拖动的矿用带式输送机用永磁同步电机控制器，设计的控制器能够提高电机的运行效率，减少电能消耗。

1 带式输送机调速系统概述

1.1 三电平变频器

带式输送机的作用是将变频器提供的电能转化为将煤从低处运输到高处的机械能，因此变频器工作在两象限模式，通过移相变压器从井下高爆开关取电，经过快速熔断器，将三相交流电输送给整流单元，通过整流单元将三相交流电转换为直流电，然后经直流母线电容滤波后得到直流母线电压，再通过逆变单元将直流母线电压转换成频率可变的三相交流电，供永磁同步电机使用。三电平变频器主电路如图1所示。

图1 三电平变频器主电路

1.2 永磁同步电机

与其他类型的交流电机相比，永磁同步电机的定子并无特殊之处，其主要区别在转子结构，永磁同步电机转子行程的磁链是固定的。根据永磁体布置在转子的位置不同，永磁同步电机分为内埋式和表贴式，由于带式输送机功率较大，因此多采用抗去磁能力更强的内埋式结构。

1.3 矿用带式输送机

本文研究的矿用带式输送机采用永磁同步电机直接驱动，电机轴与滚筒直接相连，无需配置减速器，其传动系统的效率和可靠性较高。驱动电机的轴带动滚筒定向旋转，滚筒带动皮带定向前进，实现带式输送机的正常运行。对于运输距离较大的带式输送机，需要多个电机驱动多个滚筒，包括驱动滚筒、机尾换向滚筒和改向滚筒。矿用带式输送机要求在满载时能够平稳启动，因此要求变频器的启动加速度限制在一定范围内，且能够识别是否过载。带式输送机启动时的速度曲线一般为“S”型。

2 三电平变频器硬件设计

2.1 主电路参数设计

变频器额定功率选择为1 000 kW,考虑煤炭行业额定电压等级10 kV和直流母线1 800 V的情况，供电变压器采用两台容量1 000 kVA的10 kV/660 V移向变压器。变频器主电路如图1所示，由于整流环节采用二极管不控整流，且未采取任何电流互感器进行软件保护，因此采用交流侧1 000 V/750 A的快速熔断器进行电流保护。经计算样机额定容量为510 A，考虑1.5倍～2倍过载运行裕度，整流二极管的额定电压选择为1 600 V，额定电流为400 A。逆变模块的IGBT额定电压为1 700 V，额定电流为1 400 A。根据直流母线电压波动范围10%～15%，直流侧电容值选择为15 000 uF。

2.2 控制器系统设计

控制器硬件系统框图如图2所示，以TI公司生产的DSPTMS320F2812为核心，FPGA负责外围信号的处理，CPLD负责逆变器故障时封锁脉冲驱动，以保护系统安全运行。模拟信号经FPGA处理后，发送给DSP，经DSP运算后得到PWM脉冲信号，脉冲信号经CPLD桥发送给驱动模块，实现IGBT的开关控制。该控制器具有较高的集成度，除了3个控制芯片需要供电外，外围器件和各类控制器件均需要配置不同电压等级的电源。电源的输入电压为24 V，这样的设计可以保证硬件板卡不受电源扰动影响，更加稳定。后级的各类型电源经过不同DC/DC变换器得到，并加以MEC电路对其进行防护。

图2 控制器硬件系统框图

2.3 信号采集调理电路设计

系统需要采集的信号包括直流母线电压、逆变器输出三相电流，经过模拟信号处理后，输送到ADC模块进一步进行软件处理。模拟信号的处理包括二级运算放大器滤波和信号增强，具体电路图如图3所示。

图3 信号采集调理电路

2.4 其他控制电路

其他控制电路包括电源系统EMC电路和IGBT驱动脉冲触发电路。由于AD端口只能接收正电压，且其安全电压较低，因此必须设计两级运放引入标准抬升电压，将未经处理的模拟信号滤波处理后，发送给AD芯片端口输入端。PWM脉冲电路是控制电路的最后一个环节，也是关系到逆变器能否安全运行的重要环节，PWM口脉冲占空比的改变通过修改事件管理器CMR值实现，图4为IGBT驱动脉冲触发电路。

图4 IGBT驱动脉冲触发电路

3 带式输送机直驱调速试验

样机的各项电气性能指标需要通过试验进行验证，在试验室设计了对拖试验平台，试验系统连接如图5所示。通过调压器从10 kV电源取电，分别经过1号驱动高压柜和2号负载高压柜，1号驱动高压柜经过变压器将10 kV电压转换为660 kV，经开关柜送给变频器供电。2号负载高压柜经变压器转换为1 140 V电源，再经电抗器送给开关柜，开关柜给负载变频器供电。负载变频器为容量1 MW的四象限运行变频器，能够满足模拟电机能量回馈的工况要求。

图5 试验系统连接示意图

图6给出了对拖试验平台的软件主程序流程和主中断流程。主程序开始后进行系统初始化和I/O初始化，然后清除所有中断，中断向量表初始化，配置各种外设，变量初始化后打开中断，等待DA输出或保护等中断请求。主中断请求命令响应后，开始进行AD转换，将外部采样信号换算成为标幺值，保护程序可根据电流或电压值进行保护动作，一旦电压电流产生异常则发出停机信号。状态机程序判断出系统的状态后，如正常运行状态，则开始执行无速度矢量控制算法。

图6 控制系统软件流程

图7给出了对拖试验的波形图，其中Uc1、Uc2分别为电容C1、C2的电压，ia为A相电流，Uao为A相相电压，k为零矢量分配因子，低电平数值为-1，高电平数值为1，通过A相电压波形可以看出母线减少了开关损耗。由试验结果可以看出：变频器输出电流正弦度较好，实现了单位功率因数。图中中点电位的低频脉动是由连续钳位引起的。试验结果表明：设计的控制系统能够实现预定目标，永磁同步电机的各项电气性能满足现场运行工况。

图7 对拖试验的波形图

4 结论

以矿用带式输送机用永磁同步电机为研究对象，设计了一种高效率、高可靠性的三电平防爆变频器，重点介绍了变频器主电路设计选型和控制器的软硬件设计，并进行了实验室对拖试验。从对拖试验的波形图可知，三电平变频器输出的电流波形正弦度较高，谐波含量小，验证了控制器的各项电气指标，对大功率矿用带式输送机电驱改进技术具有重要意义。