基于轉矩控制的礦用電機車調速裝置設計

齊 麟

（山西宏廈一建， 山西 陽泉 045000）

引言

煤炭企業對礦用電機車輛的需求不斷增加，受技術條件的限制，目前絕大多數礦用的電機車輛均為直流調速裝置，在實際運行中雖然其調速范圍較廣、動態性能較好，但是由于其運行高度依賴于換向環節，其不但給日常的維護、維修帶來了極大的困難，同時也使得礦用電機車的調速裝置故障率居高不下，且由于煤礦井下粉塵濃度高、路況條件復雜等因素更使得傳統礦用電機車輛的應用受到了極大的限制，嚴重影響了煤炭企業的正常生產[1]。

1 磁阻電機的結構

根據相數可以將磁阻電機分為單相、兩相、三相及四相等，圖1所示為單相磁阻電機，它的轉子和定子結構均為兩級結構，因此其不僅具有結構簡單、制造成本低廉的優點，也具有無法自啟動、轉動慣量小，在工作中存在死區的缺點，極大地限制了其應用[2]。

圖2所示為兩相磁阻電機，從結構上可以看出其具有一對轉子和兩對定子，此結構同樣是缺乏自啟動的能力，且在工作中依舊存在轉矩的死區，無法大規模應用。

圖3所示結構為三相磁阻電機，其具有三對定子和兩對轉子，該結構最大的優點在于可以方便實現正方向和反方向的自啟動。

圖4所示的結構為四相磁阻電機，其具有四對定子和三對轉子，和其他結構的磁阻電機相比，它的轉矩顯著降低，具有很好的啟動性能，但是其結構相對復雜，制造成本也相對較高，但是為了實現對礦用電機車的精確控制，確保其工作的可靠性和使用壽命，采用四相磁阻電機。

圖1 單相磁阻電機

圖2 兩相磁阻電機

圖3 三相磁阻電機

圖4 四相磁阻電機

2 轉矩控制原理

轉矩控制的目的是保持定子磁鏈幅值的穩定性，實現抑制磁阻電機在工作過程中的轉矩脈動，其控制邏輯如下頁圖5所示，其中坐標變換模塊的作用是確保磁阻電機四相繞組的坐標變換，在實現坐標變換后，可以利用扇區判斷模塊實現反正切函數的運算，繼而求出磁鏈角度，磁鏈幅值模塊利用求磁鏈的矢量幅值，作為磁鏈相對比的輸入[3]，最后，開關狀態就可以根據不同的輸入量，計算出在某個時刻所最終輸出的電壓的矢量值，然后功率轉換器將獲得的電壓矢量轉換為開關狀態，從而實現對磁阻電機的精確控制。

3 磁阻電機轉矩控制裝置仿真建模

為了對磁阻電機轉矩控制裝置的性能進行更直觀、更科學的分析研究，利用Matlab仿真分析軟件對其進行了建模分析，其主要包括磁阻電機模塊、扇區選擇模塊、滯環對比模塊及功率轉換模塊[4]，其仿真分析建模如下頁圖6所示。

功率轉換模塊是將電能轉化為機械能的核心，其工作穩定性直接影響到磁阻電機的調速性能，因此功率轉換模塊應具有電流能快速增加、主繞組的電壓和系統電源的電壓相一致的特點。在磁阻電機工作的過程中，直接轉矩利用對定子磁鏈的控制，使磁阻電機輸出的定子的磁鏈的波動限定在一個設定的范圍內，四相磁阻電機的四相磁鏈呈垂直交叉分布，A相與C相的連線與B相和D相的連線垂直，且A相與C相方向相反，B相和D相方向相反，當轉子轉動15°后切換導通相，經過60°后完成一個完整的導通相，由此完成一個四相磁鏈的坐標變換。

圖5 磁阻電機轉矩控制裝置結構示意圖

圖6 磁阻電機轉矩控制裝置仿真模型

4 磁阻電機轉矩控制裝置仿真分析

為了對磁阻電機轉矩控制裝置的實際性能進行驗證，建立一個25 kW的磁阻電機，其阻抗為1.5 Ω，電感為1.2 mH，轉動慣量為0.001 4 kg·m2，電機的額定轉速為2 000 rad/s，額定電壓為360 VDC。其仿真結果如圖7—圖10所示。

由圖7的磁阻電機轉矩控制波形圖和圖8的傳統PI控制的波形圖可以看出，直接轉矩控制的磁阻電機的響應速度快并且磁阻電機轉矩控制輸出的脈動較小，運轉過程平穩。

由圖9的磁阻電機轉矩控制的轉速波形和圖10的傳統PI控制的轉速波形可知，當對電機的轉速設置為2 000 rad/s，示波器的每格設置為500 rad/s，可以看出磁阻電機轉矩控制的轉速波形的響應速度要遠快于傳統的PI控制。

5 結論

利用仿真分析軟件對基于轉矩控制的調速裝置進行了仿真分析，結果表明該調速裝置在突變負載作用下的輸出的脈動小，運轉過程穩定性高，且對外界負載的響應速度要高于傳統的PI控制。

圖7 磁阻電機轉矩控制波形圖

圖8 傳統PI控制波形圖

圖9 磁阻電機轉矩控制的轉速波形

圖10 傳統PI控制的轉速波形