1、永 磁 同 步 电动 机 在 矿 用蓄 电 池 电 机车 上 的应用 李建 淮 北 矿业 集 团有 限 责任 公 司 摘 要： 永磁同步电动机有传统电机不具备的很多优点。 本文分析了永磁同步电机的优点, 设计了一款矿用永磁同步电机并应用于实际生产。 关键词 ： 永磁同步; 电动机; 蓄电池电机车; 一、传统矿用蓄电池电机车牵引方式的特点及其问题 矿用蓄电池电机车作为一种煤矿生产运输工具, 在煤矿生产中被广泛应用。 目前 传统蓄电池电机车的牵引动力普遍采用直流串激电动机。 直流串激电动机具有以 下几个特点:牵引特性好;较大的启动转矩;较强的过载能力;简单的多机并联等。 但是直流串激电动机存在诸多
2、维护和安全方面的问题。 采用有级调速, 启动不够 平稳;大量的电能浪费在电阻上;维护工作量大;蓄电池充电频繁, 不仅浪费电能 和时间, 而且电池容易损坏, 寿命短。 二、永磁同步电动机特点及与直流串激电动机系统性能比较 1. 永 磁同 步电机 的特点 永磁同步电动机比传统电动机具有更多优点, 在自动化程度较高的如数控机床、 智能机器人领域应用广泛。 特别是采用钕铁硼稀土材料作为励磁源的永磁同步电 动机, 其效率、 功率因数均有很大的提高, 节能效果十分明显。 我国是稀土材料 生产大国, 发展稀土永磁电动机有着得天独厚的条件, 可以预见, 在调速驱动 的场合, 将会是永磁同步电动机的天下。 永磁
3、同步电动机因为使用了稀土材料, 可以做到体积更小, 重量更轻, 而且密 闭性好, 不易受潮; 永磁同步电动机不产生传统直流串激电动机的励磁损耗、铁 耗, 不需要吸取滞后的励磁电流, 节约了无功功率消耗的能量, 功率因数高;永磁同步电动机质量惯性矩小, 瞬间最大扭矩大, 可在很短时间内获得较高速度, 加速度高;永磁同步电动机可靠性高, 运行稳定。 2. 与 直流 串激电 动机系 统性 能比较 安全性。 直流牵引电动机系统制动, 完全依靠机械摩擦完成, 司机的反应时间较 长, 制动距离长;永磁同步牵引电动机具有电制动功能, 制动力矩大, 制动的反 应时间短, 在相同的条件下, 短距离范围内完成制动
4、, 安全性能大大提高。 可靠性。 直流牵引电动机结构复杂, 转子线圈易烧损, 转子换向铜头、 碳刷等易 磨损, 可靠性低、寿命短;永磁同步牵引电动机的转子由永磁稀土材料及硅钢片 等组成, 没有换向铜头、 线圈, 密闭性好, 不产生碳刷的消耗, 故障率低, 可靠 性高。 电力消耗。 直流牵引斩波调速机车, 没有在下坡或刹车时对蓄电池机车的电源装 置的发电反馈功能, 机车在减速和制动的过程中, 大量电力消耗在电阻上;采用 永磁同步电动机的蓄电池机车, 在机车减速的过程中可以对电池组进行充电, 大部分的机车势能得到回馈, 可以延长电池组的放电时间, 提高续航里程, 既 节约了电力又节省了充电作业时间
5、, 电池的使用寿命也得到延长。 调速性能。 直流牵引电机的转速随负载发生改变, 手动制动控制减速停车, 下坡 运行时容易发生飞车出轨事故, 操作者突然加速可造成调速器及牵引电机的损 坏;永磁同步电动机为无级调速, 调速均匀, 可使用调速手柄控制电动机系统的 力矩, 相当于汽车的油门控制, 同时可以设定最高车速限制, 即使下坡轻载也 不会造成超速飞车。 牵引力。 直流牵引电机转速随负载 变化, 过载能力小, 相同负载条件下, 牵引力 小;永磁同步电动机系统过载能力比较强, 机车在相同的负载下具有较大的牵引 力。 维修保养。 直流牵引机车采用凸轮控制器或斩波调速控制器实现机车的启动、 调 速、 停
6、车, 直流牵引电动机转子线圈易因绝缘下降、 过流等原因烧损, 还存在转 子换向铜头磨损、 碳刷磨耗、 碳粉清理不及时等情况, 致使故障率高, 易损件需 经常更换, 维修费用大;永磁同步电动机采用无级调速, 控制器采用集成度和可 靠性极高的DSP 控制芯片及 IPM 驱动模块, 对传动系统的冲击小, 有换向铜头、 碳刷, 电动机几乎 免维修, 调速器集成度高, 内部几乎没有机械开关, 维护工 作量小, 在正常运行过程中机械手制动几乎可以不用, 车辆的机械损坏少。 基于以上优势, 设计适合于蓄电池电机车的永磁同步电动机和控制系统, 是保 障煤矿运输安全、提高经济效益的有效途径。 三、矿用永磁同步电
7、动机设计及技术实现 1. 矿 用永 磁同步 电动机 的设 计 结构设计。永磁同步电动机具有很高的矫顽力, 其设计准则都是通过增加磁通、 减弱电枢来提高功率密度和效率。 项目设计的技术和设备要求安全可靠、 先进实 用。 优化设计。 考虑稀土永磁材料价格成本, 在能够满足使 用的要求下, 要使所用的 永磁材料最少。 2. 永 磁同 步电动 机驱动 系统 设计 永磁同步电动机驱动系统由控制电路和驱动电路组成。本文设计了基于 MS320F2812 的控制系统, 以DSP 为控制核心, 由位置检测、相电流检测、光电 编码器组成的信号调理电路以及综合逻辑电路等组成。DSP 的功率具有驱动保护 中断功能,
8、可以保证控制系统安全、可靠地工作, 当DSP 的引脚PDPINT 被置为 低电平时, 外部中断, 很方便地实现各种故障的综合保护功能。 整个控制系统充分利用了 DSP 丰富的硬件资源对各种输入信号分别进行处理, 利用DSP 快速的运算能力来实现永磁同步电机的双闭环控制。DSP 要读取给定的 转速, 通过中断实现相电流的采样, 通过对光电编码器的信号进行捕获处理来 确定转子的位置和电机的速度, DSP 要产生相通断的信号, 要综合各种保护信息, 来使系统具有良好的可靠性和安全性。 3. 主 系统 程序设 计 主系统程序设计包括电动机的电磁理论设计、 低电压条件下大扭矩的永磁同步电 动机的设计、
9、永磁同步电动机隔爆设计等, 驱动系统设计采用直接转矩控制和电 机车控制的调速器控制电路。图 1 是主程序流程图。 图1 主程序流程图 下载原图 四、应用效果 电机车采用永磁同步电动机及其控制系统后, 矿用蓄电池电机车的安全性、 节能 性大大提高。 经过对比, 一台8t 的传统电机车, 会有大量的电能消耗在电阻上, 每年浪费的电能约为 38000k Wh, 而采用永磁同步电动机系统的蓄电池式机车, 节电率在40%以上。 该机车在淮北矿业集团许疃煤矿使用以来, 运行稳定, 充分 发挥出其体积小、重量轻、低速转矩大、高效率、高力矩惯量比、高能量密度、 低噪音、低碳环保等优点, 年节约维修费用 50%以上, 具有广阔的推广应用 前 景。
