双开关磁阻电机功率平衡的解决方案.pdf

4 4 煤 矿 机 械 2 0 0 3年第 1 1 期 留闩置 探讨 冒 文章 编 号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 3 1 1 ． 0 O 4 4 ． 0 3 双 开 关磁 阻 电机 功率 平衡 的解 决 方 案 同 志 平 。 赵 春 良 ．商超 中纺机 电研 究所 ，北京 t o 0 0 2 5 摘 要 通 过 对 开 关磁 阻 电机 调 速 系统 的工 作 原 理 的 分 析 ． 得 出一 种 解 决 2台开 关 磁 阻 电 机 同步 牵引时实现 功率分配平衡 的解决方案， 并提 供 了根据 此方案设计 的 实际电路框 图。该 方案 已 在采煤机 电牵引 系统 中得到成功应用。 关键词 开关磁 阻电机调速 系统 ；采煤机 ；功 率平衡 ；电牵引电机 中 图 号 T D 4 2 1 ． 6 ；T M3 5 2 文 献标 识 码 A 1 概 述 采煤 机 的牵 引部 分 不仅要适 于潮湿 、 震动 的工 作环境 ， 同时 性 能 上要 满 足 大启 动 转矩 、 宽 调速 范 围、 可频繁启停工 作等要 求 ， 所 以该部分更 为重要 。 目前 采 煤 机 的 牵 引 方 式 有 机 械 和 电 牵 引 2类 ， 机械牵 引 多为液压 系统 ，因工作噪 声大 、效率 低 、 维修困难 ，已逐渐被 淘汰。电牵 引方式中以直流调 速 系统 性 能 最 为优 越 ， 但 因直 流 电 机 结 构 复 杂 ， 转 子 电枢需通水冷却 ， 从 而造成其 可靠性下 降 ， 维护极其 困难 ， 同时 ， 因电机转 子绕 组水 冷 ， 不 易提 高 电压等 级 ， 采煤机 需加 1 1 4 0 V ／ 3 8 0 V变压器 ， 提 高 了系统 造价和复杂程 度。因此 ． 选择一种高性能 ， 高可靠性 的电机调速系统用于采煤机牵 引越来越 为煤矿技 术 人 员 所需 要 ，本 文 将 介绍 的 开 关磁 阻 电机 调速 系统 图 3 b 所 示 的 功率 流 。 当 u 。 接 近 于 u 。时 ， f b I I 接 近 于零 ， 表 明 转 臂 H 为 主 动 件 时 ， 减 速 比 i ． b “H ／“ b ∞ o 图 4 c 中 i b ‘ I l - 3l h l l- h。 3 l H o ， ， 由式 5 可 得 传 动 比 i ． H1 一i t o i b I ． 一1 l H o H 0 1 4 4． 3 2种 功 率 流 型 封 闭式 周 转 轮 系 的 比较 1 啮 合 效 率 比较 功率 回流型轮系 中的封 闭功率 流徒然增加 了摩 擦损失 ， 故 啮合 效率 较 功率 分 流 汇流 型 轮系 低。 因此 ， 对于传递动力 的传动 ， 应使 用功率分 流 汇流 型轮 系 ， 也 可以使 用封 闭功 率不 大 的功率 回流型轮 系。设计时 ， 还应 当用传动 比法计算啮合效率 】 。 2 传 动 比比较 分析式 1 0 一式 1 4 知 ， 若选 用相 近 的齿数 比 i t ”u 。 ， 则功率 回流型轮 系可以得到较 大的传动 比。 分 析 图 4 b 和 式 1 3 知 ， 功 率 回 流 型 轮 系 有 可 能 得 到很 大 的减 速 比 。 故 对 于 传 递 运 动 为 主 、 减 速 比 较大 的传动 ， 选择 功率回流型轮系可使结 构更 紧凑 。 4． 4用 定轴 轮 系封 闭的 封 闭式 周转 轮 系 根 据 轮 系 组 合 的 方 法 ， 用 定 轴 轮 系 去 封 闭 图 2 所示差动轮 系 ， 也 可 以得 到 多个 封 闭式 周 转 轮 系。 按照 图 2依 次画出箭头和“、 一” 符号 ， 则 轮系中功 率流 向和各构件的转向关系均能确 定。 对 于使 用 2个 动 力 源 的 差 动 轮 系 ， 也 可 用 图 2 来确 定 2台电 动 机 的 转 动 方 向 和 轮 系 的 功 率 流 向 。 参考 文献 [ 1 ] 傅则绍 ， 卢 子馨 ． 机构设 计[ M] ． 山东 石油大 学出版社 ． 1 9 9 8 ． [ 2 ] 渐开线 齿轮行 星传动 的设计 与制造编 蚕会 ． 渐 开线 齿轮行 星传 动 ．的设计 与制造 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 O 2 ， 1 ． [ 3 ] 段铁华 ， 杨实 如 ． 复杂周 转 轮系 的 单元 求解 法 [ J ] ． 设 计与 研究 机 饭 ， 2 0 0 1 ． 1 5 55 6 ． [ 4 ] 杨实 如 ． 段钦华 ． 大减 速 比封闭 式 周转 轮 系 的设 计 研究 [ J ] ． 煤 矿 机械 ． 2 0 0 3 ， 9 35 ． [ 5 ] 杨实 如 ． 段钦华 ． 封闭 式周 转轮 系 的传 动 比及其 传动 比法 [ J ] ． 煤 矿机 梭 ， _2 O 0 3 ， 8 3 33 5 ． 作者 简介 杨 实如 1 9 4 5一 ． 女 ． 四川成 都人 ， 副教 授 ， 1 9 6 8年 毕 业 于清华大学 燃气轮 机专 业 ， 现从 事 教学 和 行星 齿 轮传 动 的研 究工 作 ． 已发表 论文 I O余篇 ． T e l ； 0 2 88 3 3 8 8 2 0 0 ， E - n m i i y s r m a i l ． s c ． c n l n f o． n e t ． 收 稿 日 期 2 0 0 3 - 0 7 ． 1 3 A s m d y 0 n s t r uc t ur e a nd p o we r f l o w o f c l o s e d e p i c y c l i c g e a r t r a i n s YANG S h l - r u． DUAN Qt n h u a C l n g d u U n i v e r s i t y ． C h e n g d u 6 1 0 1 0 6 - C h i n a At e t r a e t I n t l l i s p a p e r - t he r e l a t i o n s b e t we e n p o we r flo w a n d s p e ed r a t i o o f th l e e b a s i c l i nk s o f 2 K H t y p e d i ffe r e n t i a l e p i e y e l i e g e a r t r a i n 8 r e a na l y z e d a nd f a s h i o n ed i n t o d i a g r a ms- a n d the n b y me a n i n g o f t h e s e di a g r a ms ne w g e a r t r a i ns a r e a s s e mbl e d． Th i s me tho d i s e o n c i s e an d i n t u i t i o n a l f o r a s s e mb l i n g g e a r t r a i n s． S o t h e d e s i g n an d a na l y s i s o f t h e do s e d e pi - c y c l i c g e a r t r a i n s wi 1 1 n o t b e di f f i e u l t a n y l o n g e r ． Ke y wo r d s do s e d e pi e y e l i e g e a r t r a i n；s p ed r a t i o；po we r flo w；c i r c u l a t i o n p o we r l o a d 维普资讯 2 0 0 3年第 1 1 期 双开关磁阻电机功率平衡 的解决方案 同志平 ， 等 4 5 以下 简 称 S R D 即 可 以满 足 这 种 需 要 。 2 S R D简 介 S R D作 为一种新 型 的变 速传 动 系统 ， 具有 很 多 的优 点 ⋯ ， 如 电 机 结 构 比 鼠 笼 感 应 式 电 动 机 还 要 简 单 ， 坚固可靠 ， 只有定 子有集 中绕 组 ， 易于水 冷 和提 高 电压 等 级 。S R D 控 制 部 分 电 路 结 构 简 单 ， 无 桥 臂 直通短路 的危 险 ， 而且 S R D具 有 的大 启 动转 矩、 启 动直流 、 调速范 围宽等性 能 ， 完全符合采煤机牵引的 要 求 。 3双 电机 牵 引 功 率 平 衡 的 解 决 方 案 因为采煤机多 为前后 2台电机共 同牵 引 ， 所 以 S R D在 采煤机牵引应用 中， 也需要 由 2套装 置组成。 而 当 2套 S l i D同 步 牵 引 时 ， 保 证 2台 电 机 功 率 分 配 平衡 ， 防止单 台负载过 重烧 毁 电机必须 解决 如下 问 题 1 电机 的输 出功 率 以 什 么方 式 检测 。 2 采用什么方式进行调节 。 3 调节 的 结 果 如 何 控 制 S R D， 以 实 现 2台 电 机 功 率 的平 衡 凋 整 。 上述问题中后 2个调节 方式采用 比例积分调节 器 ， 通过运算控 制 ， 最终实现 2台电机输出功率检测 值相等 。功率平 衡 调节 器 的运 算结 果 ， 可 以用 于补 偿输 出功率较小一 侧 的转速 给定 ， 增加 其输 出功率 从 而使 2台 电 机输 出平 衡 。 检测 电机 的输 出功率 有 2个方案 1 认为 2套系统效率相 同 批量制作该要求 能 够 满 足 ， 则 调 整 输 入 功 率 相 同 即 可保 证 输 出功 率 平 衡 。 2 由 P K T n K 为 常 数 ， 因 为 2台 S R D 同 步 ， 转 速 n相 同 ， 所 以 保 证 输 出 功 率 相 同 只需 调 节 电机 输 出转 矩 相 同 ， 从 而 功 率 平 衡 控 制 转 变 为 转 矩 平 衡 控 制 ， 电机 输 出转 矩 成 为被 测量 。 由于方案 1有许 多缺点 ， 决定采用方案 2 ， 为实现 电机输 出 转 矩 检 测 ， 首 先 从 S R D控 制 器 的 电路 结 构 人 手 | 2 】 。 从 S R D 控 制 电 路 框 图 见 图 ． 1 可 以 看 出 S R D是通过采集 电机 上的光电码盘 反馈 信号检测转 子的位置进行控 制 ， 同时 可将 该信号作 为速度反馈。 另外 S R D对 电机绕 组 电流进行 检测形成 电流反馈 ， 通 过这 2路 反 馈 ， 整 个 控 制 系 统 构 成 转 速 电 流 双 闭 环 ， 转速环负责电机转速追 随给定 ， 实现稳速控制 ； 电 流环 负 责 调 整 电 机 绕 组 电 流 ， 调 节 电 机 的输 出 转 矩 。 该结 构 表 明 电机 的输 出转矩 与 绕组 电流有 关 。 因 为 S R D的 数 学 模 型 非 常 复 杂 ， 而 其 瞬 时 转 矩 是 电 流 与 定 、 转 子 相 对 角 的 二 元 函 数 ， 极 难 计 算 ， 但通过大量 实验发 现 S R D输 出平均 转矩与 绕 组 平 均 电 流 成 一 定线 性 关 系 。 图 1 S RD控 制 电 路 框 图 Fi g． 1 q l n e g r a p h o f S RD c o n t r o l 由转 矩一 电 流 特性 曲线 可 以看 出在 不 同 速 度 下 S R D电机 输 出平 均转 矩 与 绕 组平 均 电 流 ，基 本 保 持 线 性关 系 ， 即 T K T ， K 为 与 转 速 n有 关 的 常 数 ， 所 以可 以用 控 制 电 路 中 电 机 绕 组 的 平 均 电流 反 馈作 为 功 率 平 衡 电 路 的 功 率 或 转 矩 的 间 接 检 测 量 1 。 该信号可由 S R D控 制 器取 得。 以此 方法 可 以 解 决 S R D电 机输 出功 率 的检 测 问题 ， 即 P KTn≈ KKTI n 令 K NK K T il , 则 P 。 一K N I 因为采煤 机用 S R D 2台电机始终工作 在同一转 速下 ， 其 K 相 等 ， 所 以输 出功 率 P 。的平 衡可转 化 为 控 制绕 组 平 均 电 流 ，的 平 衡 ， 由此 功 率 平 衡 问 题 得 到 解 决 。 4电 路原 理 设计 根 据 确 定 以上 方 案 ， 可 设 计 电 路 原 理 框 图 如 图 2所 示 。 图 2电 路 原 理 框 图 F i g ． 2 6r a I o ft h edr c u l t 本 电 路 的 控 制 思 路 为 根 据 2台 S R D 的输 出 功 率情况调节 相应 的转 速给 定 ， 即增加 输 出功 率小 的 一 台 S R D的转速给定 ， 或 者减 小输 出功率大 的一 台 S R D的 转 速 给 定 ， 从 而 达 到 功 率 平 衡 的 目的 。 因 为 S R D控 制 器 的 转 速 控 制 原 本 采 用 p I 调 节 无 静 差 系 统 ， 所 以将其改造为近似无静差系统 ，即 S R D在转 维普资讯 4 6 煤 矿 机 械 2 0 0 3年第 l 1期 渐 开线 2 8 。 压力角直齿轮应 力分析 赵 耀 军 安徽理 工大学 ，安 徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 摘要 基 于 解析 和数 值 计 算 相 结合 的 方 法 ， 在啮 合 区 施 加 近 似 椭 圆柱 分 布 压 力 和 相 应 的摩 擦 力 ， 获得 2 8 。 压 力角直齿轮 的最大接 触应力和第 4强度相 当应力 ， 从 而为 齿轮 设计提 供有 益 的参 考 。 关 键 词 应 力 ；2 8 。 压 力 角直 齿轮 ；分 析 中 图 号 T H1 3 2 ． 4 1 文 献 标 识 码 A 1 前 言 2 8 o 压 力 角 齿 轮 较 2 0 。 压 力 角 齿 轮 承 载 能 力 强 ， 国外 主要 应用 于 航 空 工 业 。 国 内现 有 机 械 设 计 手 册 和齿轮设计 手册均没有现成 的强度计算和校核公式 或 图表 可供使用。本文是淮南煤矿 机械厂开发研究 矮机 身掘进机时 ， 对渐开线 2 8 。 压 力角直齿轮齿 条副 进行 应力和强度计算与分析 的部分 结果。 2研 究 方 法 工程设计关注齿 表面接 触应力必须在材料的许 用值 内 ； 同 时 ， 齿 内 部 应 力 也 必 须 低 于 许 用 应 力 值 通常用第 3或第 4强度理论校核 ， 不大于许用相 当 应力值 。 因此 ， 强度 和应力分 析应 当从 表面接触应 力和内部应 力 2个方面进行 。 直齿渐开线齿轮 齿条 啮合齿面的接触应力可根 据圆柱与平面接 触状态 的计算 公式 进行 计算⋯ ， 得 到 精 确 解 析 结 果 。 轮齿 内部应力计 算采用 三维有 限元计 算方法 ， 得 到离散数值序列 。为使计算较符合实际啮合受力 速给定不变时输 出功率 越 大 ， 实际 电机运行 转速 越 低 。 通 过 这 一 改 进 后 ， 若 电 机 因 同 步 等 原 因 转 速 保 持不变 。 则 S R D控 制器 的转速 给定越 大相应输 出功 率越大 。 该特性可 以满足功 率平 衡电路原理要求 。 为使 电路简 化 ， 采 取 了一 侧 S R D S R D I 转 速 给定不变 。 调整 另一侧 S R D l I 的给 定。功率 平 衡调 节器 由一个 双极 性 比例 积 分调 节 器构 成 。 S R D I和 S R DH的 绕组 电 流 信 号 作 为 调 节 器 输 入 ， 调 节 器 输 出用来补偿 S R D H的转速给定。 当 S R DI的输 出功 率 P ． 大 于 S R DⅡ的输 出功 率 P ，时 ， 绕 组 电 流 信 号 I 。 1 2 ， 功 率 平 衡 调 节 器 的 计算 结 果使其 输 出为正 电压 ， 经 过加 法器使 S R DⅡ 的转速 给定增加 ， 从而增 大 S R D H的输 出功率 。当 S R DⅡ的输 出功 率 P 增加 到 等于 S R D I的输 出功 率 P． 时 ， 绕组 电流信号 ， ， ． ， 功率平衡 调节 器输 出电压保 持 不 变 ， 调 节 进入 稳 态 ； 同理 ， 当 P ．P 时 ， 功 率 平 衡 调 节 器 的 输 出 为 负 电 压 ， S R DH的转 速 给定降低 ， 减小 S R D H的输 出功率。 因为 功率 平衡调 节器为 比例积 分调 节器 ， 所 以 上述调节结果使得 2台电机功 率输 出相等。 5结 语 该 电路 配合我 所生 产 的中 压用 S R D已成 功用 于国产 4 7 5采煤机 、 英 国安 德森采煤 机改造 等项 目， 并进一 步 用 在 煤矿 输 送 带 拖 动 中 ， 用 于平 衡 双侧 S R D的输 出功率 J 。该 电路 的调 节效 果理 想 ， 用 户 使 用 满 意 。 参 考文献 [ 1 ] 支 畸 迪吉 ． 等 ． 开关磁阻 电动机 [ M】 ． 北 京 机 械工业 出版社 。 1 9 9 4 ． [ 2 ] 胡崇 岳 。 等 ． 现 代交 流调速技 术 [ M] ． 北 京 机械工 业 出版 社 ． 2 O 0 0． [ 3 ] 王 宏华 ． 开 关蛩磁 阻电动机 调速控 { 隹 I 技 术 [ M] ． 北 京 机械 工 业 出 版社 。 1 9 9 4 ． [ 4 】 高超 ． 开关 磁阻 电动机的转 矩控 制[ J ] ． 机 电一 体化 ． 2 0 0 2． 1 2 3 ． [ 5 ] 高超 ． 开关 型磁阻 电动机 调速 系统 在煤矿 机械 中的应 用琨状 与 前 景 分析[ J ] ． 煤 矿机 攮 。 2 O O 3 ， 7 9 6～9 8 ． 作者 蕾介 固志平 1 9 7 2一 。 山东鱼 台人 ． 技 术部 经理 ． 工 程 师 。 天 津工业 大学工业 电气 自动化专 业毕 业 ． 现从 事 电机传 动 研究 ． T e l 0 1 06 5 9 2 2 6 3 4． E - m a i l i s s v e ． c 0 l n ． 收 稿 日期 2 0 0 3 - 0 7 3 0 The p o we r ba l a nc e 0 f t wo S RD YAN 2 ． p i l ， 2 羽_AO Ch l m- l m l g． GAO Cl mo l C h i n a T E XE ME R e s e a r c h I n s t i t u t e 。 B i j a g 1 0 0 0 2 5。 C h i n a I Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e d a me t h o d u s e d i n t h e p o we r b a l a n c e o f t wo s wi t c h e d r e l uc t a n c e l it o t o r s ． Th e me t h od i s b a s e d o n t h e t h e o r y o fS RD s y s t e m ． A c i r c u i t wh i c h we h a v e d e s i g n ed i S g i v e i l ． i n the e n d o fthi s p a p e r ． W e h a v e s u c c e e d e d i n the u s i n g o f t h e e l e c t r i c t r a c t i o n mo t o r ． Ke y wo r ds s wi t c h ed rel u c t a n c e d r i v e；s h e a rer ；p o we r b a l an c e；the e l ec t r i c t rac t i o n mo t o r 维普资讯