开关磁阻电动机调速系统在煤矿井下输送机上的研究与应用*

杨枢林，冯东升

(1.山西防爆电机(集团)有限公司，山西 长治 046011;2.上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

煤矿井下输送机是煤矿井下主要设备之一，其工况特点是带载起动、输煤量变化较大。为了满足这一工况的需求，把电机功率配的较大，以获得较大的起动转矩，满足特殊大煤量时的需求。根据调查，电机平均工作功率大约只有额定功率的50%，这样不但会造成大量电能的浪费，而且在起动过程中造成的电气、机械冲击会严重影响机电设备的正常使用，缩短了设备的使用寿命，特别是随着煤矿产煤量的增加，这一问题表现的更加突出。因此，近年来，人们在不断探求新型输送机驱动方案，而开关磁阻电动机调速系统(SRD)在煤矿井下输送机中的应用与研究也有了重大突破。

1 工作原理和结构

SRD由开关磁阻电动机(SRM)和控制器组成。系统框图如图1所示。

图1 系统枢图

SRM为定、转子双凸极结构。定子极上装有集中绕组，嵌放容易，端部短而牢固，工作可靠，适用于各种恶劣高温环境;转子既无绕组，也无永磁体，可工作于极高转速。现在开发的产品主要有8/6极、12/8极结构。图2为一三相、12/8极的SRM结构示意图，其定子上每四个极的绕组相连接，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极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，可以改变转矩和转速，还可以实现制动运行。该电动机结构十分简单坚固，控制也十分方便。

图2 SRM结构示意图

为了检测电动机转子的瞬时位置和转速，在SRM上装有传感器，它能及时把转子相对定子的位置反馈给控制电路。

图3表示控制器中的功率电路。三相交流电源经二极管整流桥V转换为直流电源。6个绝缘栅双极晶体管(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(如TA、T′A)导通时，经端子(A1、A2)向电动机绕组(A组)通电。当功率开关断时，该绕组通过续流二极管(DA、D′A)向电容器C续流和回馈能量，并使电流迅速降至零。

图3 功率电路示意图

控制电路的作用是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的通电，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。

2 SRD的特点

SRD具有连续调速范围宽、电动机结构简单、功率电路可靠、系统效率高、起动电流小、转矩大(在30%的额定电流下，起动转矩可高达150%)、SRM的可控参数多、控制方式灵活、容错性好、转矩方向与电流方向无关、堵转电流极小、成本低等优点。但是SRD也存在如振动噪声大、低速转矩脉动大等不足，随着有关研究的深入，这些缺点正在被逐步克服。综上所述，SRD特别适合重载起动和较长时间低速重载运行、频繁起停及反向转换运行的设备，如煤矿设备中的绞车，各种输送机、采掘设备、频繁换向的刨煤机等。

3 SRD在煤矿输送机中的应用

煤矿井下输送机是把井下采掘的原煤输送到井上的一种重要设备，也是井下使用动力最多的设备之一。单台电机功率为22～1 800 kW，其中使用较多的是250～400 kW，研究此功率范围的驱动系统，对煤矿的应用意义重大。首先确定研究课题，第一步为280 kW×2皮带运输机用驱动系统，第二步为400 kW×2皮带输送机用驱动系统，对SRD来讲在国内都是首次。

3.1 SRD在研究过程中存在的问题及解决方案

3.1.1 SRD发热问题

文献[1]对所做的样机进行了试验分析，分析结果为:铜耗占50.6%，铁耗占29.8%，机械损耗和杂散损耗共占19.6%。从这个结论中得出铜耗占主要部分。

由于KCB 40 kW定子槽的利用率较高，绕组的导线截面一般选择较大，因此KCB 400 kW铜耗比一般同功率低压电机小一点，但其损耗主要大在铁耗上。

因为小功率的SRM要比同功率的交流异步电动机的铜耗小，总体效率也较高，所以小功率SRM的温升与同功率的交流异步电动机区别不大，甚至还要低。但是随着功率的增加，体积相应变大，铁耗占的比例也和交流异步电动机一样越来越大，如表1所示。

表1 Y2系列部分三相异步交流电动机铜耗、铁耗所占百分比

从表1中的数据可以看出，随着功率的增加铁耗占的比例越来越大。交流异步电动机的比损耗计算公式为:

SRM与交流异步电动机的结构不同，不能按式(1)计算，但频率的增加，肯定会导致比损耗加大，而且SRM基波频率往往高达200 Hz以上，转子铁耗不能忽略不计。因此，大功率SRM的铁耗是影响其温升的一个主要方面。这就说明现有的SRM设计理论还不够完善，尤其是对铁心损耗的计算还没有形成一种成熟的理论。铁心中磁通的波形及其变化规律与转速、斩波电流、开通角、关断角等关系密切，其变化规律要比异步电动机复杂的多，而且异步电动机的铁耗到目前为止还没有一个很好的数学模型，在相当程度上还要靠经验。因此，更不能预见SRM的铁耗。铁耗的研究将是SRM研究的核心问题。

在本系统的SRM改进设计中，针对其温升问题，适当地增加了铁心长度，采用了H级绝缘，选用了低损耗的硅钢片，对转子冲片进行了绝缘处理，对电机的冷却方式也进行了改进。通过这些措施的实施，满足了本系统SRM的可靠运行。

3.1.2 SRM的定子绕组绝缘问题及解决方案

在SRM电动机的试验和使用过程中发生了严重的匝间短路问题。前两台KCBS 400 kW电动机，电压等级1 140 V，在试验台做型式试验过程中，先后发生匝间短路事故，开始分析认为是电动机绕组温度高，而电磁线选用了一般的155℃F级电磁线。因此，绕组局部温度高，造成匝间绝缘老化而损坏。事实证明这个分析判断是错误的。

当对定子绕组采用H级绝缘电磁线两次浸漆，并对电动机的冷却进行改进后，型式试验顺利通过。但将其投入一地面皮带机使用不到半年时间，两台电动机几乎在同一时间发生绕组故障，打开电动机对其进行检查分析，仍然是匝间绝缘破坏所致。最后经过认真分析，把绕组匝间短路的原因初步确定为输出电压的高频谐波所为。开关控制柜与一般变频器有许多类似之处，它也采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率器件，输出波形采用脉宽调制(PWM)技术，所不同的是变频器输出波形为近似正弦波，开关控制柜输出的是近似方波，但它们有一个共同点，就是载波频率极高，可达20 kHz，产生的峰值电压约为基波电压的3倍，尤其是既是集中绕组又是散嵌绕组，相邻两匝可能是一个线圈的前匝与后匝的线圈。根据有关试验可知，当匝间电压达到尖峰电压并超过800 V时，一般的漆包线将开始局部放电，击穿绝缘体造成匝间损坏，如图4所示。

图4 漆包线局部放电图

另外，由于放电产生的电腐作用，在空气隙中又会产生空间电荷，从而形成一个与外加电场反向的感应电场。当电压极性改变时，该反向电场与外加电场方向一致。这样一个更高的电场产生，它会导致局部放电数量增加，导致匝间绝缘击穿。测试表明，作用于这些绝缘的电压冲击严酷程度取决于导线特定的性能和PWM驱动电流的上升时间。如果上升时间小于0.1 ns，那么将有80%的电势加在绕组的前两匝上，即上升时间越短，电压冲击就越大，匝间绝缘的寿命就越短。

通过上述分析，要提高电机的寿命，须防止匝间绝缘击穿。目前，国内外许多生产厂家都采用防电晕电磁线，其漆膜结构基本含盖两种技术，一种是复合膜技术、一种是混含膜技术，防晕机理各生产厂家均有论述。此类漆包线在市场销售的主要有美国杜邦公司的Dvpont Reliawire TM、日本日立公司的 KMKED-20E，中国的 Q(ZY/XX)-2 200C等。在这些漆包线中，国外产品优势较大，尤其是在耐高频尖峰电压方面，性能优越。国产的电磁线刚起步，指标基本能满足，但性能不稳定。

除选用防电晕漆包线，绝缘工艺也是关键之一。如前所述，SRM如果存在气隙，在高频脉冲电压的作用下，在空隙中就会产生电荷，引起绝缘损坏。因此，在绕组中要尽量做到无气隙。目前，解决的办法主要是选用聚脂无溶剂树脂浸渍漆，并与VPI整浸工艺相配套，可使气隙最小化。

按照上文分析，KCB 400 kW电动机选择了防电晕电磁线，并采用VPI整浸工艺，3次浸漆，使绕组中气隙尽可能的小，经过这样处理的绕组，KCB 400 kW电动机已使用一年多，未见匝间故障，而且以后生产的各种功率的电动机都没有匝间短路。

3.1.3 防爆开关控制柜的过冷凝露问题及处理

随着SRD在井上皮带机的成功使用，已经具备了在井下输送机的试验条件，井下皮带机最初选择KCBS 280 kW×2双驱系统，在试验运行时，电动机几乎没有出什么问题，但开关柜使用一段时间后连续发生IGBT爆裂的问题。经分析，导致器件爆裂的原因是其周围的冷凝水造成对地击穿。对冷却结构进行了改进:一是增加循环风冷，使腔体内的温度均匀;二是根据腔体内温度来控制冷却水的通断，使腔内温度保持在规定范围。这些措施的采用，避免了功率器件对地击穿现象的发生。KCBS 280 kW×2双驱系统的研制成功，为下一步KCBS 400 kW×2双驱系统用于井下输送机创造了条件。

3.2 SRD取得的成果

KCBS 400 kW电动机调速系统成功解决了电动机的发热问题、绕组匝间短路问题、控制柜的温度恒定均匀问题，以及在井下应用的隔爆问题。解决了井下皮带机在起动过程中的电气冲击、机械冲击，延长了使用寿命、减少了维护保养时间，实现了根据出煤量的大小调整转速，实现了节能。

4 结语

随着煤矿的发展，使用大功率输送机的场合越来越多，进一步研究电动机的发热问题，是SRD能否向更大功率发展的一个关键因素。研制出难度更大的在井下刨煤机上使用的SRD来替代价格昂贵的进口产品，研制出集控制器和电动机为一体的产品，更加方便用户使用，提高产品的可靠性，使SRD的技术优势真正转化为井下输送机驱动系统的产品优势。

[1]吴建华.开关型磁阻电机设计与应用[M].北京:机械工业出版社，2000.

[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社，2004.

[3]黄国治，傅丰礼.Y2系列三相异步电动机技术手册[M].北京:机械工业出版社，2005.

[4]GB/T 21209—2007，变频器供电笼型感应电动机设计和性能导则[S].2007.