开关磁阻式智能电机在选煤厂的应用

戚国亮

（山西焦煤官地选煤厂，山西 太原 030022）

开关磁阻电机 （Switched Reluctance Motor，SRM）系统具有结构简单、启动转矩大、运行效率高等优点，同时内嵌的优化控制算法使得该系统的运行效果更加突出，广泛应用于煤矿、化工、纺织等领域。开关磁阻电机的调速性能优越，适合在长时间低速运行、频繁正反转、重载启动等场合使用，也能够适应于高粉尘、易燃易爆等恶劣环境［1-2］。因此，在选煤厂调速设备中，如刮板输送机、泵机、空压机等都安装有开关磁阻电机系统。文章基于开关磁阻式智能电机控制系统，分析其原理、结构以及在选煤厂刮板输送机上的应用，并拓展至选煤厂其他电机控制系统，达到节能降耗、安全稳定生产的目的。

1 原理及结构

开关磁阻式智能电机在选煤厂的应用主要用于调速，如对刮板输送机、泵站电机等进行调速。利用开关磁阻电机调速同时具备直流调速、交流调速系统的优点，如效率高、控制灵活、性能优越等。开关磁阻电机调速系统中的SRM是实现能量转换的核心部件。系统的供电电源为蓄电池或者直流电，作用于功率变换器，为调速系统运行提供能量。外部转速给定控制指令输入至控制器，并与获取的电流检测信号、位置检测信号按照设计的控制策略对IGBT等功率管进行通断控制，从而控制开关磁阻电机的运行状态。开关磁阻电机运行时遵循“磁阻最小原理”，使得电机转子持续向磁阻减小的方向运动，进而驱动电机运行［3-4］。开关磁阻电机的基本控制策略有用于控制中低速运行的电流斩波控制、电压斩波控制，有用于控制高速运行的角度位置控制。开关磁阻电机调速时的转速-转矩特性曲线分为恒转矩区、恒功率区、自然特性区三段，分别对应不同的控制方式。

2 方案分析

2.1 硬件方案分析

用于选煤厂刮板输送机的开关磁阻式智能电机系统硬件组成见图1，由供电电源、功率变换器、控制器、开关磁阻电机、电流检测器、位置检测以及负载器等组成。

图1 开关磁阻式智能电机系统硬件组成框图

（1）电源

系统以三相交流电源供电，经整流电路整流后将其转换为直流电，直接作用与功率变换器。经整流后的直流电压峰值为平均值为。

（2）功率变换器

功率变换器用于控制开关磁阻电机的A、B、C三相绕组循环导通，同时还是绕组能量回馈路径。功率变换器内部采用三相不对称半桥结构，单相电路由两只开关管、两只续流二极管组成，结构相互独立并有利于绕组快速退磁。根据直流电压峰值、平均值，选用的开关管的耐压为1 200 V，额定电流为75 A。选用的IGBT采用全桥结构，具有安全、稳定的特点［5］。

（3）控制器

控制器是开关磁阻智能电机系统的核心，用于数据采集、控制策略识别与运行等。控制器选用TI的TMS320F28335 数字信号处理器［6］，时钟频率为150 MHz，支持32 位浮点运算。控制器系统由TMS320F28335 芯片最小系统、位置/ 速度检测电路、故障检测电路、保护电路、IGBT驱动电路、电流采样电路、位置信号调理电路、键盘电路以及显示电路组成。

（4）电流检测电路

开关磁阻智能电机系统运行时的转速以及转矩由电流决定，因此电流检测运行时的精度直接影响系统运行性能。电流检测一般有电阻采样、霍尔传感器采样两种方法。本文选用CHCS-LTSH-25A霍尔电流传感器对电流进行检测，输出电压信号［7-8］。该传感器的额定电流为25 A，在-25A～+25A之间线性度较好，输出电压与检测电流满足式（1）：

式中：IPN为霍尔传感器的标定额定电流，IP为被检测电流。

（5）位置检测电路

开关磁阻智能电机系统运行时的换相过程与位置参数息息相关。位置检测电路由P521 光耦、7414 反相器、3384 电平转换芯片组成。开关磁阻电机内嵌8 槽遮光盘、3 个光电开关，电机运行每隔7.5°输出一个上升沿或者下降沿信号；每45°为一个周期，所有信号重复，共8 个周期。位置检测电路必须对输入信号进行光耦隔离，避免多脉冲跳以及环境干扰，提高位置检测精度，方便计数并精确电机转速。

2.2 软件方案分析

用于选煤厂刮板输送机的开关磁阻式智能电机系统软件基于Keil ARM软件平台，采用C语言进行模块化编程。按照开关磁阻式智能电机硬件设计框图，软件系统由系统初始化模块、主程序模块、控制策略模块、中断服务模块、显示模块以及键盘处理模块组成。软件系统通过定义全局变量、标志位、函数块实现各模块之间的关联与有序执行。系统初始化模块完成对TMS320F28335 参数设置、SRM参数设置、变量初始化、用到的内存空间初始化以及允许中断等，最后启动主程序。主程序用于运行实时性不强的程序，同时等待定时器中断；主程序中还包括转速计算、液晶显示、输入输出程序、故障判断程序、键盘扫描程序以及调用子程序等。控制策略模块中实现PR、PI以及电流斩波控制、电压斩波控制以及角度位置控制三种方法。中断服务用于处理实时性强的程序，如电流检测程序、位置检测程序、转速控制、标志位更新等功能；采用定时器0 控制中断频率为50 kHz、10 kHz以及1 kHz程序；定时器1 用于完成标志位更新功能，每0.5 s更新一次。开关磁阻式智能电机系统主程序流程见图2。

图2 开关磁阻式智能电机系统软件流程框图

3 应用分析

西山煤电官地矿选煤厂生产车间431 刮板输送机原电机系统采用三相异步电动机，型号为Y-160L-4。采用开关磁阻式智能电机系统，并对上述两电机系统的核心参数，如功率、电压、总用电量、小时耗电等进行统计分析，形成数据见表1。

表1 选煤厂刮板输送机电机控制系统优化前后数据对比

通过对比发现，应用开关磁阻式智能电机系统的刮板输送机小时耗电量由原来的6.86 下降至3.98，节电率可由式（2）进行计算：

式中：W1为原方案小时耗电量，W2为优化后方案小时耗电量，η为节电率。可知，该选煤厂刮板输送机电机控制系统替换为开关磁阻式智能电机系统后的节电率η为41.9%，节电效果明显。

4 结语

开关磁阻式智能电机系统应用于选煤厂刮板输送机后，减少了系统启动的电量损耗，且产生了良好的节能效果。优化后的选煤厂刮板输送机开关磁阻智能电机系统具有启动电流小、启动转矩大的优点。同时，开关磁阻智能电机系统还可广泛应用于选煤厂的磁选机入料泵、清水泵、下料溜槽打料系统、底流回收泵等电机系统，达到节能降耗、安全稳定生产的目的。