输送机永磁同步电机直驱调速系统设计

郭李琴

（霍州煤电集团获宝干河煤矿，山西洪洞041600）

0 引言

煤炭作为我国一次能源消耗的主体，开采过程中需要各种大功率机械设备的配合使用，其中，输送机是煤矿井下运输煤炭的主要机械设备，虽然矿井近几年在电气设备的交流化改造中取得了一定程度的进展，但是设备的运行效率低下、能耗大等问题依旧没有解决[1-4]。目前，异步电机依旧是输送机的主要运行电机，运行效率的低下进一步增加设备的能耗，因此需要及时进行改进[5-6]。本文针对此问题，对输送机永磁同步电机直驱调速系统进行了优化设计，应用效果显示优化后的调速系统运行状况良好，实现了降低能耗的目的，对矿井节能有重要意义。

1 输送机永磁同步电机直驱调速系统设计

1.1 大功率防爆变频器设计

输送机在矿井运输系统中得到广泛应用，根据输送机的实际运行条件，对永磁同步电机直驱调速系统进行设计，达到低损耗、高效率的目的。因为输送机运行条件复杂，为了达到安全运输的目的，系统需具备防爆功能，大功率的防爆变频器在工作过程中产生的热量较多，且变频器主板的运行空间较为封闭，各开关器件的散热成为系统运行的重要因素。因为本节主要针对大功率防爆变频器进行设计。

图1 为变频器逆变器主回路系统图，从图中可以看出，考虑到输送机在实际运行过程中可能存在负载运行的状况，因此变频器的直流回路均采用二极管两象限设计，同时为了满足运载工况和电机1140 V 的电压等级，设计直流母线电压值大于1800 V。逆变器的主回路采用NPC 三电平设计可以缓解直流回路中的电压值，同时提高直流母线回路系统的稳定性，降低了开关器件的电压值和敏感度。相较之前的两电平设计，三电平设计可以降低系统的谐波值，提高电机的稳定性，同时，三电平设计可以保证开关器件在较低的频率下实现控制功能，降低系统散热，达到节能的目的。

图1 变频器逆变器主回路系统图

采用三电平设计时通过调制算法抑制电位波动问题，同时整个整流侧均采用不控整流设计，降低了二极管承受的压力值和中点电位值。

大功率防爆变频器设计原则如下：

（1）选择额定功率为1000 kW 的两台变压器进行供电，考虑到井下空间有限，电压值容易出现小范围的波动，因此变压器的选择采用多抽头设计，同时加强对工作环境以及绝缘等级的控制。

（2）原系统中采用不控整流的设计，因此回路中并没有传感器，无法测量回路电流、电压，系统保护性能差，因此在交流电进线端一侧加设快速熔断器加强对线路的保护，其中，快速熔断器的额定电流为750 A，额定电压为1000 V。

（3）综合考虑到各个器件的安全工作电压，逆变回路中采用三电开拓降低期间的承载电压值。

根据工作环境以及变频器设计原则，对大功率防爆变频器硬件系统进行以下设计：硬件系统是设备稳定运行的必要条件，本次硬件系统芯片算法选用DSPTMS320F2812 核心算法，单一24 V的电源输入可保证硬件板卡在电源波动的情况下实行稳定运行，电源经过变换隔离后分成不同量级的电压供给各个板块以及器件进行运行，值得注意的是，在有强电磁的环境下，需要加强对电源输入的防护设计。

1.2 永磁同步电机直驱调速系统设计

永磁同步电机直驱系统的调速系统设计依赖于对拖实验平台，实验系统中电源进线电压为10 V，随后在调压器的作用下分流给变压器（负载变压器和供电变压器），其中负载变压器为四象限变频器，可以满足电机工作状态的能量供给；负载电机的型号为额定电压为1140 V 的鼠笼电机。

整个系统的软件设计控制方案如下：通过在主中段内加设相关信号处理，提高系统的保护能力并且实现控制策略的调制。复位信号以及外围信号主要通过命令程序进行控制，其中AD 程序主要负责外围信号的采集，保护系统根据采集得到的电流电压值进行系统的保护，当采集信号异常时，系统直接进行停机保护操作；软件系统中的另外一个状态机程序主要负责设备故障信息的采集，初始定位程序负责对电机运行参数的计算，无速度矢量控制算法是计算的核心。

2 实际运行结果分析

系统设计完成后，进行运行，对输送机全载运行状态下工况进行研究，发现当零矢量分配因子为低电平时，数值往往是1 或者-1，相电压数据显示母线可以减少损耗，同时发现输出电流的幅值均较高，已经满足控制需求，证明了即使在全载运行状态，电位仍然能实现平衡控制，因此开关等期间的损耗降低。

为了更直观的观测输送机永磁同步电机直驱调速系统设计后基板的能耗变化，对优化前后的基板进行热成像图的观测，得到图2 所示的结果，从图中可以看出，优化前基板的最高温度达到77℃，优化后基板的最高温度为68℃，整体降幅达到11.69%，而且可以看出，优化后基板各个位置的温度均有明显的降低，热量较为集中的区域明显减少，热损耗降低明显。

本文采用全速域传感器控制永磁同步电机的运行状况，为了验证算法的准确性，对永磁同步电机的实际转速和理论转速进行对比分析，得到图3 所示的永磁同步电机转角、转速等控制效果图，从图中可以看出，额定工况下，永磁同步电机的估计平均转速为60 r/min，实际运行状况下，虽然不同时刻转速值有所波动，但是实际平均转速依旧为60 r/min，与理论值完全吻合，可见，全速域传感器在控制永磁同步电机的运行状况上有良好的应用。

图2 优化前后基板红外热成像图

图3 永磁同步电机转角、转速等控制效果图

3 结语

本文针对永磁同步电机的实际使用状况，对输送机永磁同步电机直驱调速系统以及大功率防爆变频器设计进行了优化设计，在全速域传感器的监测和控制策略的控制下，发现优化后基板的最高温度相较优化后基板的最高温度降低11.69%，热损耗明显降低，同时，全速域传感器控制永磁同步电机的运行状况与理论值完美切合，表明优化后的调速系统可以满足现场工况。