课程设计矿大机电1班朱友苗汇总.docx

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课程设计矿大机电1班朱友苗汇总

中国矿业大学

课程设计

题目：

永磁同步变频调速蓄电池电机车的设计

姓名：

朱友苗

专业年级：

2012级机电一体化

学号：

176120243　

二○一四年六月

摘要

传统煤矿电机车通常采用直流串激电动机作为牵引电动机，电阻调速性能差、能耗大、电池寿命短、机械磨损大等缺点。

而采用交流异步电动机驱动控制技术，具有结构简单、制造容易、成本及维护费用低、可靠性高等优点，但是三相异步电动机效率较低，实现变频控制技术线路相对复杂。

而以永磁同步电动机作为电机车的牵引电动机，并配合相匹配的变频调速控制装置作为机车伺服系统，实现电机车整个系统高效节能、工作可靠、效率高、故障少，且具有显著地经济效益。

关键词:

永磁同步电动机；变频调速控制；电机车；应用

1概述………………………………………………………………………1

2永磁变频调速伺服系统要求……………………………………………1

3永磁变频调速伺服系统组成及理论……………………………………2

3.1永磁同步电动机…………………………………………………….3

3.2变频调速装置……………………………………………………….5

3.3减速传动装置……………………………………………………….6

4应用效果分析……………………………………………………………7

5结论………………………………………………………………………9

参考文献……………………………………………………………………10

1概述

矿用电机车是各大型厂矿普遍应用的运输设备，特别是在煤矿井下和地面的辅助运输系统和煤流系统中被广泛应用。

现有的电机车按伺服控制系统可分为三代:

第一代为串励式直流电动机及其控制:

这一代技术又经历了三个阶段，第一个阶段为电阻调速，调速性能差（为有级调速）、能耗大、电池寿命短、电机易损、机械磨损大;第二个阶段为可控硅斩波调速，第三个阶段为IGBT斩波调速，第二和第三阶段相对于第一阶段仅解决了一个无级调速问题，能量损耗相对于第一阶段要小点。

第二代为三相异步电动机及其控制，主要采用变频技术进行。

这种伺服系统具有结构简单、制造容易、成本及维护费用低、可靠性高等优点，已被绝大多数矿区所接受，但这种系统中三相异步电动机的效率较低，变频技术在电机车上应用故障高。

第三代为永磁同步电动机及其控制技术。

在同步电动机中用永磁体取代传统的电激磁磁极，简化了结构，消除了转子的滑环、电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积;省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热。

在交流驱动中，永磁同步电动机具有结构简单、坚固耐用、重量轻、高效节能、工作可靠，效率高、维护方便等特点，这种技术已经在许多领域得到了应用，但在电机车上的研究应用尚处于初级阶段。

为此，本文提出的永磁变频调速伺服系统是以永磁同步电动机作为电机车的牵引电动机，并开发相匹配的变频调速装置对电机车进行控制。

2永磁变频调速伺服系统要求

在永磁变频调速伺服系统中，永磁同步变频电动机的永磁体取代了传统的电激磁磁极，并采用矢量控制技术进行控制，消除了转子的滑环和电刷，实现了无刷结构，缩小了转子体积;省去了激磁直流电源，消除了激磁损耗和发热，可获得接近直流驱动系统的机械性能和较宽的调速范围，具有响应快、效率高、功率密度高等优势。

将永磁同步电动机及其变频调速装置应用到煤矿蓄电池电机车中是目前研究的重要课题，实现过程中，对永磁同步电动机及其变频驱动装置有一些具体要求。

（1）矿用永磁同步电动机的设计。

包括矿用永磁电动机的电磁设计理论、低电压条件下大扭矩永磁同步电动机设计、永磁同步电动机壳体隔爆设计等，其结构见图2-1.

（2）电机车用变频调速装置的研制。

以目前工业领域最先进的IPM模块和DSP为核心，设计满足逆变器和电机车的调速控制电路及防爆壳体的设计，其结构见图2-2.（3）电机车减速传动装置的设计，满足电机车机械冲击、振动和强度要求，并且方便工人日常维护。

图2-1电动机结构示意图

图2-2变频调速装置结构示意图

3永磁变频调速伺服系统组成及理论

永磁变频调速伺服系统设计目标是设计出适合电机车的永磁同步电动机和与之相适应的变频控制装置及减速传动装置，将永磁同步电动机、变频调速装置、减速传动装置和蓄电池电机车设计成符合煤矿井下使用要求的成套产品；单机功率22KW、15KW、7.5KW；变频控制实现一拖二控制模式即2×22KW、2×15KW、2×7.5KW；分别为5吨电机车、8吨电机车、12吨电机车实现驱动和控制。

永磁变频调速伺服系统控制的电机车装配图和接线图分别见图3-1和图3-2.

图3-1电机车装配示意图

图3-2电机车接线示意图

3.1永磁同步电动机的设计

永磁同步电机的本体是由定子和转子两大部分组成。

定子指的是电动机在运行时的不动部分，主要是由硅钢冲片、三相对称分布的绕组、固定铁心用的机壳以及端盖等部分组成。

其定子和异步电动机的定子结构基本相同。

空间上三相对称绕组通入时间上对称的三相电流就会产生一个空间旋转磁场，旋转磁场的同步转速:

N=60f/p

式中:

f－定子电流频率;

P－电动机极对数。

图3-3为永磁同步电机定子与转子的示意图。

图3-3永磁同步电机示意图

永磁同步电机的转子是指电动机在运行时可以转动的部分，转子采用永久磁铁励磁，目前一般使用稀土永磁材料。

通常由磁极铁心、励磁绕组、永磁磁钢及磁扼等部分组成。

磁极铁心由钢板冲片叠压而成，磁极上套有励磁绕组，励磁绕组两出线端接到两个集电环上，再通过与集电环相接触的静止电刷向外引出。

励磁绕组由直流励磁电源供电，其正确连接应使相邻磁极的极性呈N与S交替排列。

转子的主要作用是在电动机的气隙内产生足够的磁感应强度，并同通电后的定子绕组相互作用产生转矩用来驱动自身的运转。

永磁同步电机的励磁磁场可视为恒定。

永磁同步电机按照驱动电流波形划分可以分为两类:

（1）正弦波电流驱动的永磁同步电机;

（2）方波（梯形波）电流驱动的永磁同步电机。

这样就造成两种同步电动机在原理、模型以及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机，一般把由正弦波驱动的永磁同步电动机称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）:

而由方波（梯形波）驱动的永磁同步电动机称为方波型永磁同步电动机，由于其原理与控制方式上基本与直流电动机系统类似，所以又称无刷直流电动机（BLDCM）。

由上可知，永磁同步电机运行时存在着两个旋转磁通势:

（1）定子旋转磁通势，又称电枢旋转磁通势，它由定子三相电流通过定子三相绕组产生;

（2）转子旋转磁通势，又称励磁旋转磁通势，它由转子磁钢的磁通势产生。

要想使永磁同步电机连续运转，必须保证电枢旋转磁通势与励磁旋转磁通势R以同一转速沿同一方向旋转，即通入定子电流的角频率与转子的旋转角频率一致，而且由定子，转子所产生的两磁场应保持一定的角度。

这样才可以有效的避免永磁同步电机在旋转起来以后的失步问题，保证了永磁同步电动机运行的稳定性和安全性。

同步电机磁通势图见图3-4.

图3-4同步电机磁通势图

综上分析可知，永磁同步电机具有以下的特点:

1电动机的转速与电源频率始终保持准确的同步关系，控制电源频率就能控制电机的转速。

2永磁同步电机具有较硬的机械特性，对于因负载的变化而引起的电机转矩的扰动具有较强的承受能力。

3永磁同步电机转子上有永久磁铁无需励磁，因此电机可以在很低的转速下保持同步运行，调速范围宽。

3.2变频调速装置

变频调速装置将直流电源变成频率可调的三相交流电直接驱动三相交流电动机。

具有电流速度双闭环，自动跟踪复位控制系统，动态控制能力强，牵引性能完善等优点。

永磁变频调速伺服系统研制专用变频调速装置配合永磁同步电动机实现电机车的调速，其工作原理如图3-5，具有以下特点：

1采用光纤连接，一个变频调速装置通过两套系统来实现两个电动机的同步控制；

2使变频控制技术与蓄电池检测技术相结合，将电池管理系统整合到传动控制系统中，实现高效节能；

3具有超温、欠压、过载、超速及短路等各项保护功能；

4同时采用磁极角度传感检测技术，精确检测转速及转轴功率。

5解决变频器作为永磁同步电机的控制系统，在负载过大时容易失步，造成过流，易烧电机的难点；

6智能化的控制确保电机在各种工况（如加、减速转矩较小或摩擦力较大时）均能自动调整到最佳运行状态，并能实时检测系统带负载的机械振动频率，进而消弱系统机械振动。

7研制变频控制技术结合永磁同步电机的驱动控制系统，实现恒转矩的功率控制。

8采用热管散热技术，对于双向散热的分立电力器件、风冷动全铜或全铝散热器的热阻只能达到2.04℃/W,而这种热管散热器的热阻达到0.01℃/W,在自然对流冷却条件下,热管散热比实体散热器的性能高10倍以上,这种结构将功率器件装在散热器的蒸发阶段,热量通过蒸发段传到冷凝段而散发出去，这就保证了整个变频控制装置的温度，防止由于温度过高导致的安全事故。

图3-5变频调速装置工作原理图

3.3减速传动装置

电机车传动原理是牵引电动机通过减速装置减速后将扭矩传递到车轮，从而牵引列车行驶。

其工作原理见图3-6.

图3-6减速传动装置传动原理图

由于电机车一般采用高旋转速度、功率较大的牵引电动机，所以减速传动装置采用二级齿轮减速。

齿轮在减速箱内工作，既能提高其传动效率，又能增加其寿命。

永磁变频调速伺服系统中减速传动装置具有以下特点：

1减速传动箱体采用钢板焊接结构，强度高，使用寿命长；

2减速传动采用圆弧锥齿轮传动后再经正齿轮传动，传动效率高；

3永磁同步电动机一端用凸缘与减速箱联接，另一端用机壳上的挂耳通过弹簧挂在车架上，这种方式既能缓和电机车运行中对电动机的冲击和震动，又能保证传动齿轮处于正常啮合状态。

4永磁电动机转轴与减速箱齿轮轴连接采用橡胶软连接，能保证电机车启动及运行的平稳性。

5减速传动装置体积小，减小电机车车体内部空间，维护保养比较方便。

6减速传动装置见图3-7.

图3-7减速传动装置

4应用效果分析

应用永磁变频调速伺服系统控制的12T蓄电池电机车在淮北矿业集团童亭煤矿投入运行以来，取得了良好效果。

1提高了电机车的安全性能。

采用永磁变频调速伺服系统，电机车增设有电制动功能，可以降低电机车的制动距离，实现电机车制动距离为7.5m，远低于标准制动距离要求（16m），避免了机车在紧急情况下制动距离不够造成的事故。

2降低了维护费用。

原来电机车直流电动机故障率高，每台电机车的直流电动机每月平均保养1次，每年要大修1～2次，而永磁同步电动机基本上免维护，控制系统采用矢量控制，其可靠性高于斩波调速，减速箱体采用钢材焊接结构，强度高，维护费用和维护工作量大大降低。

同时，在电机车行进过程中，电动机的调速系统由正弦波控制，机械冲击小，对减速箱等传动机构损伤很小。

据统计，1台电机车每年可以减少人工维护费用18万元。

3增大了电机车牵引力。

经国家安全生产上海矿用设备检测检验中心型式试验，电阻控制电机车最大牵引力检验结果为31.410KN，永磁变频伺服系统控制的电机车最大牵引力戒烟结果为38.365KN，从检验数据来看，12T永磁变频电机车最大牵引力比老式电阻调速电机车要大近7KN。

从童亭矿实际使用的电机车牵引性能对比来看，永磁变频伺服系统控制的牵引力比电阻电机车同比增加20%，要比电阻电机车多拉3吨满载的矿车6节左右。

4实现节能节支。

采用永磁变频伺服控制的电机车的节能状况比电阻机车节电达到40%以上，具体节能理论计算如下：

4.1电阻电机车

4.1.1电机与电阻串联

R1=R2=R3=0.317Ω

R总=R1+R2+R3=0.95Ω（电阻铭牌参数）

4.1.2两台直流电机功率22KW×2=44KW

电机额定电压180V

总电流140A×2=280A

电机运行时等效电阻RM=0.643Ω（180V/280A）

4.1.3机车运行时有启动、低速、中速、高速（高速运行时极少），在此过程中，调速电阻有串、并联交换的工作模式：

低速时：

0.317×2=0.634Ω

中速时：

0.317Ω

高速时：

0.317Ω/2（但实际达不到高速）

取其平均电阻（等效电阻）为0.317Ω。

4.1.4机车在运行过程中等效电流I=192V（蓄电池电压）/（0.643+0.317）=200A

电阻消耗的功率PRT=12.68KW（I2·R=2002×0.317）

电机消耗的功率PM=25.72KW（I2·R=2002×0.643）

4.1.5机车运行时效率η=25.72/（12.68+25.72）=67%

4.1.6机车在制动时，电机发电，而电机发的电100%被电阻消耗，不对电池充电。

4.2永磁变频伺服电机车

4.2.1变频器效率η=92.5％（试验数据）

4.2.2变频机车在制动时，由于没有电阻，电机发的电直接对蓄电池充电。

相对于电阻调速机车，刹车时能节约效率5％（经验数据）

4.2.3永磁变频机车运行效率为92.5％+5％=97.5％。

而电阻机车运行效率为67％，二者相差97.5％-67％=30.5％

4.2.4电阻调速机车的直流电机效率：

85％（试验数据）

而永磁同步变频机车的电机效率：

95％（试验数据）

二者相差：

95％-85％=10％

4.3因此，永磁变频伺服电机车效率与老式电阻调速电机车总效率之差（节能）：

30.5％+10％=40.5％

5结论

1将永磁变频调速伺服系统应用到煤矿电机车中，提高了电机车的调速性能和牵引性能，降低了能耗，延长了电池寿命，减少了机械磨损，提高效率，同时大大降低了维护工作量。

2采用先进的矢量控制方案，利用电流调节器和电压调节器的典型双闭环控制，保证了系统的电压精度和频率精度，智能化的控制确保电动机在各种工况均能自动调整到最佳运行状态。

3变频调速系统具有电气制动功能，大大提高了电机车安全运行性能。

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