变频驱动（精选八篇）
变频驱动 篇1
电机有很多种 (图1) , 如果要变频, 正弦波驱动比方波驱动效能高。正弦波驱动有同步和异步两类。同步电机主要指永磁同步电机。同步电机比异步电机效率更高, 为进一步节能, 空调、电动车驱动采用同步较多。而洗衣机用异步电机较多, 工业上的大功率牵引和驱动, 例如机床、大巴、高铁、轻轨, 采用异步电机有竞争优势。
三相异步电动机变频方案
异步电机的优势是没有失步危险, 电机转的时候, 定/转子的场是同步的, 控制简单, 大部分应用场合采用简单的变压变频控制策略的调速性能就够满足要求, 电机本身可靠性高, 尽管效率低, 但是可以通过控制和改进设计, 例如研究与逆变器电源相匹配的压缩机高效异步电机设计, 可以把效率提高。异步电机还可以发电, 把机械能变成电能, 三相异步发电机 (ACIG) 方案很值得关注。
永磁同步电机压缩机变频方案 (直流变频方案)
正弦波方案中, BLDC (直流无刷电机) 不够理想, 其优点是控制简单, 成本较低, 应用场合较多, 但是缺点是有转矩脉动 (由换相引起) , 脉动是转换频率的6倍, 因此噪声和振动较大。
通过把非正弦波的BLDC方波电机用正弦波去驱动, 需把梯形波的反电势通过设计变为正弦波, 看起来与BLDC结构一样, 但是变成了BLAC, 效果好得多, 可从120°导通, 变成180°导通 (图2) 。
以压缩机为例, BLDC采用120°导通时, 定子磁场旋转离散, 换相时转矩脉动大, 电机振动噪音大, 电机损耗大;功率管导通时间短, 斩波后毛刺大。采用180°导通驱动后, 定子磁场旋转连续, 旋转平稳, 电机振动小且噪音低。起动控制容易。
正弦波控制有两种方式, 矢量定向控制 (FOC) , 即磁场定向控制;还有直接转矩控制 (DTC) 。
SVM-DTC控制策略
传统DTC:控制简单, 这是由于DSP和DSC的性能提升了。但M C U时代, D T C的控制较困难。D S C时代, 可以把控制周期提高到几十微秒, 使性能大幅度提高。
FOC于1972年推出, DTC在1986年由日本和德国同时推出, 首先在异步电机上实现。而南航首先在同步电机上实现 (1997年发表论文) , 并提出了多个控制算法的发明专利。
SVM-DTC (空间矢量调制—直接转矩控制) 方案:从控制角度看, 传统DTC方案是一种“粗放”的控制方法:针对定子磁链的幅值和转矩误差, 传统的DTC只能在一个控制周期内选择和发出一个空间电压矢量, 而这个电压矢量要同时控制磁链和转矩, 通常情况下并不能达到期望的最佳值, 类似Bang-Bang控制, 转矩脉动大。
南航的改善方案是, 从硬件上考虑, 采用高性能DSP和专用芯片, 缩短控制周期。在控制策略上:改进空间电压矢量调制方法, 用空间电压矢量调制来取代传统DTC中的开关表, 称为SVM-DTC。
飞思卡尔与南航合作SVM-DTC方案
不久前, 飞思卡尔半导体与南京航空航天大学联合宣布, 双方合作推出无位置传感器型SVM-DTC方案。它基于飞思卡尔数字信号控制器 (DSC) 56F8xxx系列, 并很好地解决了压缩机、风机控制应用在绿色环保、高性价比、面市时间和自适应性等方面的多项要求。
飞思卡尔MC56F8xxx集成了高速模拟功能和高效16/32位数字信号处理器 (DSP) 内核, 可以对数字电源转换 (开关电源、UPS、太阳能逆变器等) 和电机 (风机、压缩机、风扇等) 提供精确的数字控制。MC56F8xxx系列的性能、精密度、准确度和控制能力有助于改善各类应用的系统稳定性。
飞思卡尔亚太区市场营销和业务拓展经理黄耀君称, 56F84xx是今年的新产品, 为32位核。低端的F801x, F800x, F802x/3x产品主要针对单电机、单压缩机控制, 中档的是F824x/5x, 处理速度60MHz。新产品F8441具有100MHz, 针对电机控制的ADC提高很大, 转换速度可达300ns;具有多个PWM通道, 因此可同时驱动2个电机, 内存可达到256k闪存。
Cadence用户大会展示IC设计亮点
变频驱动 篇2
【关键字】PLC控制 驱动 变频技术 教学 实效性
技校是专门为社会输送技术性人才的摇篮，也是为祖国工业建设做出重要贡献的关键组成部分。《变频技术》是技校开展的比较关键性的课程，也是他们就业和实现人生价值的关键性课程。运用“驱动教学法”，实现对《变频技术》课程教学的实效性是其教学宗旨。
一、驱动教学法
驱动教学法以完成“任务”为主线，在主题教材中，以探究式方法，实现学生对学习内容的了解和掌握，对技校学习操作类知识和技能尤其适用。
驱动教学法以明确的教学目标，围绕既定目标让学生树立对知识的兴趣，以一项任务的完成和目标的实现，进一步解决新近产生的问题，除了树立学生对课程的神秘感外，还能让学生进一步体会学习的乐趣。
二、《变频技术》课程特点
该课程的开展，是伴随着科学的发展和变频器的广泛使用来进行的。变频器的调速、节能和软启动功能决定其在输送泵、风机、反应釜搅拌，粉状体送料传输驱动，工业锅炉，空气压缩机及空调系统，恒定水位，水压控制，轻纺设备，机床和卷烟机等领域的广泛使用。这样一项技术性课程的展开，也就显得愈加具有应用价值。这门课程开展教学的目的就是充分了解变频器的理论知识，让绩效学生学会选用合适的变频器，如何安装、维护和操作变频技术，以为工业化社会贡献力量。
三、以PLC为驱动，实现对《变频技术》教学的实效性
在《变频技术》课程展开时，以PLC驱动教材教学法为例，在教材目录上，要比传统目录本身显得更加重要，尤其是以PLC为驱动的教材目录上，是以课题来实现对变频技术应用的全局实施分栏记述的。以PLC任务驱动教学方法来实践学校电气自动化设备安装与维修专业的专业基础课程，是要联系学生自身情况，以任务型教学模式增强学生学习课程的积极性，进一步拓展教学质量。
驱动教学法以实现提高学生自学能力为基本教学意图，教学初始阶段教师明确布置《变频技术》章节所要讲述的具体内容，再向学生布置学习任务，在方法上借助PLC作为任务驱动展开教学。
首先明确教学的主体是学生，要使学生具备对专业课程的充分了解和领悟，这门重要的专业课程，是要以吸引学生注意力，提高学生兴趣和解决问题作为关键的教学活动来展开。在多媒体教学活动中，将PLC变频控制器作为交互式课件，灵动的演示在学生面前。
在轻松便捷方便省时的教学活动中，以多媒体的教学容量，涵盖教学的各个方面。教师运用现代计算机高科技图片、图像处理技术，以视觉冲击和实际指导，激发学生学习兴趣。在变频器不断的更新完备中，课堂内容就会突破传统教学的抽象化概念。在这些教师用语言无法描述的教学场景中，利用多媒体教学，就可以直观的描述PLC外部接线图功能，对其硬件构成、常用软元件以及简单使用做充分的演示，尤其是其软件运行环境和远程控制系统的具体原理、特点、参数、特点等做相应的驱动模块图片展示，让学生直观的了解电力电子器件之间的运行关系，最终实现教学评价的实效性。
以《变频技术》课本理论知识为载体，在基础理论的基础上，充分发挥网络资源优势，这对于技校学生而言，更能增加技术的实用性和真实感。以演示教学法为驱动的变频技术教学，除了可以加强学生对课程内容的理解外，还可以及时验证教学结果的正确与否。除了巩固知识，让学生懂得安装和调试方面的优势外，还以演示的教学方法，让学生在真正的教学活动中受益。
现代的PLC技术控制电动机，以驱动演示法，更能辨别出其与传统的电力拖动技术之间的优劣，这样让学生更深刻的了解变频技术的优劣性。学生在亲身实践中，独立完成操作报告，真正做到实践和理论相结合的学习，自身成就感和自信也在不断升级。
驱动教学紧跟时尚，是对变频技术的不断应用和发展，这种知识的传授，是学生自主研究性学习树立了良好的基础，及时对知识的融汇贯通，也是对变频技术相关参数单元，内外部之间的操作，并且以PLC为主导的外部操作将更具实效性。
总之，以探究变频技术外部控制器PLC为驱动教学法的教学活动，是《变频技术》课程内容中比较关键的一环，也是学生为达到教书育人最佳学习效果的体现。在以教学思想为主导的教学实践活动体系中，驱动教学法从学生出发，探究教学内容和深意，借以达到不同教学目标，实现最优化教学方式的过程。它可以激发学生的学习兴趣，让学生自觉形成自主学习能力，掌握以《变频技术》实践为己任，为建设工业化社会做出杰出贡献。在任务驱动之下，自身兴趣、成就感、自我归属感和知识技能，都在这项有实效性的教学活动中得以实现。
参考文献：
浅谈变频器对变频电机的驱动控制 篇3
关键词：变频器,电机驱动,控制技术
1 引言
随着电力电子、计算机和自动控制技术的迅速发展, 交流传动与控制技术逐渐成为工业控制的重要内容。目前, 电气传动技术正面临着一场革命, 即交流调速取代直流调速, 以计算机为基础的数字技术取代模拟技术。交流变频驱动控制技术以其节能降耗、可靠性高、设计简单、便于应用等优点成为目前电机驱动控制的主要发展趋势[1]。变频技术实现了交流电机的无级调速, 克服了传统直流调速技术体积大、故障率高的缺陷, 成为目前发展最为迅速的技术之一。交流变频驱动技术主要是针对三相电路的一种电机控制技术, 钟玉林为了降低逆变器的共模电压和共模干扰, 采用特定谐波消除脉宽调制技术, 从源头上消除了变频器输出共模电压中的低频分量[2]。变频器根据其变换的环节可以分为:交—直—交变频器和交-交变频器。
2 变频电机调速系统
2.1 变频电机调速系统原理
变频器调速系统的整个电路包括整流电路、滤波电路、制动电路和逆变电路等几个部分组成, 其输出电压的波形为脉冲方波, 含有的大量的高次谐波成分多。电压和频率必须按照一定的比例同时变化, 无法实现分别调整, 因此不能作为供电电源使用。采用变频调速系统驱动电机时可以实现无级调速, 其结构图如图1所示。
2.1.1 整流电路:整流电路一般采用三相不可控桥式整流电路实现, VD1-VD6组成三相不可控整流桥。将三相交流电转化成直流电形式。
2.1.2 滤波电路:
整流后的电压含有大量的高次谐波, 需要采用滤波电路进行处理。滤波电容除了滤除高次谐波外, 还起到消除整流电路与逆变电路之间的耦合, 消除干扰, 提高功率因数的作用。在接入电源时, 由于电容两端的电压为零, 因而上电瞬间滤波器电容充电电流很大, 容易损坏整流桥的二极管。因此, 需要在上电的瞬间将电阻Rs串联接入直流母线中以限制充电电流, 当充电到一定程度时闭合开关将电阻Rs短路。
2.1.3 制动电路:
电机在减速时, 转子的转速将可能超过此时的同步转速而处于再生制动 (发电) 状态, 拖动系统的动能将反馈到直流电路中使直流母线滤波电容两端产生泵升电压, 使变频器产生过压, 甚至可能损坏变频器。制动电路就是用来消除这部分反馈能量, 防止泵升电压的模块。
2.1.4 逆变电路:
逆变管V1-V6组成三相桥式整流电路将直流电逆变成频率和幅值都可调的交流电。逆变模块的IGBT开关控制信号常采用脉宽调制技术 (Pulse Width Modulation-PWM) 实现。
逆变调速系统具有两种控制方式:开环控制和闭环反馈控制。开环控制方式主要用于对转速偏差要求不高的场合, 即转速的精确度不是调节的重要变量[3]。开环控制就是给定变频器一个频率信号, 变频器根据这个频率信号对电动机输出相应的功率, 实现电机的控制。电机的转速由给定功率决定, 其转速与给定转度具有一定的误差, 开环控制方式无法对这个偏差进行调整, 因此在对转速精度要求较高的场所, 开环控制方式并不适用。闭环反馈控制方式是在开环控制的基础上加入了反馈环节, 根据实际控制误差调节控制量, 达到系统输出精确跟踪期望值的目的。闭环反馈控制系统一般会再电动机上安装转速传感器, 并将测得的转速信号反馈给输入端, 与参考值做差计算控制误差。变频器依据实际的转速偏差进行调整, 直到电机转速与给定转速偏差降低到允许范围内。
2.2 变频器控制技术
2.2.1 电压矢量控制。
电压矢量控制是将异步电机三相坐标系下的定子电流进行同步直角坐标变换, 其变换矩阵如式 (1) 和 (2) 所示。先将三相对称坐标系下的电流矢量Ia、Ib、Ic转化为两相静止坐标系下电流矢量Iα和Iβ, 再将两相静止坐标系下电流分量转换到同步直角坐标系下电流分量Id和Iq。Id是直流电机的励磁电流, Iq相当于正比于转矩的电枢电流。模仿直流电机的控制方法, 求得直流电机控制量, 再经过坐标逆变换求得异步电动机的实际控制量。该控制方法采用直流电机的控制方式, 分别对转速和磁场两个分量进行单独控制。经过坐标变换实现了转矩和磁场的解耦控制, 该方法的提出具有跨时代的意义。在实际的应用中, 由于系统性能收到电机参数的影响, 且矢量旋转的变换比较复杂, 使得控制效果难以达到理想的状态。
2.2.2 直接转矩控制。
直接转矩控制技术是1985年由鲁尔大学的De Penbrock首次提出的。该技术能够有效的解决上述矢量控制中存在的不足, 并具有结构简单、动静态特性好的优点。经过不断的发展完善, 该技术已经在大功率电力机车牵引交流传动中得到了应用。直接转矩控制在定子坐标下建立交流电机数学模型, 无需将交流电机进行等效处理, 省去了矢量变换的复杂计算, 因此具有广阔的发展前景。
2.2.3 矩阵式交-交控制。
矩阵式交-交控制不同于以上两种方式, 它克服了交-直-交变频控制输入功率因数低, 谐波电流大, 储能电容要求高的缺陷, 还可以实现再生能源向电网的反馈。此外, 这种控制方法还省去了中间直流环节, 因此大大的降低了成本。该方法不是通过间接控制电流、磁链量等方法实现电机驱动, 而是直接控制转矩, 因此具有较高的启动转矩和精确的转矩控制精度。当电机处于启动阶段时, 输出的转矩能够达到150%-200%, 这大大的提高了电机的响应速度。
2.3 变频调速方式的技术优势
采用变频调速系统实现电机控制具有以下技术优势:
2.3.1 实现了无级调速, 调速性能好。
由于变频电机采用的变频调速技术原理上可以输出任何转速, 因此调速时平滑性好、精度高。当电机转速处于低速启动阶段时, 输出转矩较大, 这大大缩短了电机的响应时间, 提升了电机的启动效率。
2.3.2 启动时需要的电流较小, 对电网无冲击, 节能效果显著。
直流电机启动电流较大, 常常会对电网造成冲击, 而且对电网的容量要求也较高。电机启动时产生的大电流和抖振对电机硬件部分危害很大, 极大的降低了设备的使用寿命。采用变频调速方式可以实现软启动, 电流从零开始, 最大值也不会超过额定值。这不仅消除了对电网的冲击, 而且降低了系统对电网容量的要求, 延长了设备的使用寿命, 降低了硬件维护费用。
2.3.3 变频电机的体积小, 安装、调试、维护简单。
异步电机尤其是鼠笼式电机具有结构简单、成本低、使用和维护方便、运行可靠性高等优点, 因此应用较为广泛。
2.3.4 易于实现自动化控制。
由于变频控制技术实现了电机的解耦控制, PLC、单片机、DSP等先进的数字控制技术能够得到有效的利用。
2.3.5 节能效果好。
各种生产机械在设计时, 其驱动能力都会留有一定的富余量。当电机处于低负载运行状态时, 多余的扭矩增加了有功功率的消耗, 导致电能的浪费。采用变频调速技术以后, 如果转矩要求减小, 其输出功率就会相应减小, 这大大的提高了电能的利用率, 防止能源的浪费。
2.3.6 降低了无功损耗, 提高了电能使用率。
电网中的无功功率不但会增加设备和线路的附加损耗, 而且会引起设备过热, 严重时可能引发火灾。变频调速装置中的滤波电路能够有效的滤除电网中的无功功率, 提高电机的运行效率, 防止设备过热。
3 电机变频驱动存在的问题及解决措施
目前, 导数变频电机仍然采用普通的异步电机作为替代品。然而普通的异步电机设计从恒频、恒压的公共电网中获取能源, 这将会导致变频电机与所设计的变频驱动电路不适配的问题, 其主要表现在系统产生脉动转矩, 电机损耗增大, 产生高频噪声等。
产生这些问题的原因有[4]: (1) 变频器一般采用脉宽调制技术, 其输出电压中含有部分高次谐波电流, 因此, 逆变器输出的电能无法适应普通交流电机的要求。 (2) 普通的异步电机超速性能弱, 削弱了变频器调速范围大的优势。 (3) 由于普通异步电机的排风扇与电机同轴, 所以其散热效果与电机转速的三次方成正比。当电机处于低速运行时, 电机的散热较差, 这必将导致电机温度骤升, 使之无法达到恒转矩输出的状态。 (4) 脉宽调制技术所采用的载波已由几千赫兹发展到上万赫兹, 这使电机绕组承受了很大的电压变化率。电机绕组导线绝缘层随之也承受了很大的电感电动势, 这容易导致电机绕组的老化加速。 (5) 由于变频器输出电压中含有高次谐波, 这大大的增加了电机的附加损耗, 导致电机运行效率的下降。当电压谐波含量较高时, 普通交流电机会产生过热, 而无法正常运行。 (6) 变频器供电过程中, 产生了复杂的电磁场, 与电机绕组产生电磁感应, 引起电机抖振。由于电磁波的频率范围大, 因此, 防止电动机各个部件与电机运行时产生的电磁场发生共振的困难加大。
由上面的分析可知, 变频器驱动普通异步电机所产生的各种问题的主要原因是变频器输出电压中含有高次谐波。因此解决以上问题主要从两个方面入手: (1) 改善驱动电源。为了改善逆变器输出电压和电流的波形, 降低其中的谐波含量, 可以改进脉宽调制控制技术, 减少其产生的谐波, 也可以采用无源滤波器或有源滤波器实现谐波补偿。 (2) 研究新型逆变电机。目前, 国内外尚无真正的逆变电机出现, 变频电机的研究仅仅是消除或削弱谐波对传统异步电机的影响。例如, 在传统异步电机的设计时, 去除其对启动电流、启动转矩和最大扭矩的限制。
4 结束语
采用逆变器实现逆变电机的控制是未来电机驱动的发展趋势。本文详细介绍了电机变频调速系统的工作原理、系统结构和技术优势。针对目前电机与逆变器存在的驱动电源不匹配问题, 本文提出从电机和驱动电路本身出发的解决措施, 具有很好的理论及现实意义。
参考文献
[1]陈志根.变频驱动控制及其对电机作用的研究[D].华北电力大学, 2005.
[2]钟玉林, 赵争鸣, 白华.对三电平变频器驱动电机的共模电压抑制的研究[J].电工电能新技术, 2008, 27 (3) :31-34.
[3]胡岩, 陈坤.变频器开环驱动永磁同步电机[J].建材世界, 2010, 31 (4) :50-52.
变频空调压缩机驱动技术探讨 篇4
1 变频空调概述
变频空调系统主要由遥控器、室内机及室外机构成,其中室内机主要通过遥控信号,检测室内温度、风机转速,并向室外机发送通讯指令。室外机与室内机具有较强的相似之处,检测室外环境、盘管温度,以此来控制各类阀门,保证空调始终处于正常运行状态当中。
不同于传统空调,变频空调在实际应用中的特点具有特殊性,如启动后能够快速达到设定的温度,且温度控制波动较小,能够减少能源过度消耗,最为关键的是随着空调设备普及度越来越高,其对电源电压干扰较小。通常来说,传统空调启动时,额定电流需要增加至七倍,会对电网产生较强的干扰,而变频空调采取低频启动方式,逐步提升运行频率,能够有效降低对电网的过度干扰。另外,变频空调对温度的针对性控制,使得变频空调更具人性化特点,受到了人们广泛关注和支持。
2 变频空调压缩机驱动技术分析
2.1 驱动控制
压缩机功能的有效发挥建立在内部永磁同步电机基础之上,常见的控制技术由直接转矩与矢量两种控制方式。其中前者是在二十世纪八十年代,在原有永磁同步电机基础上引进了直接矩阵控制方案,以此来提高驱动控制有效性。在实践中,直接矩阵控制将定子磁链估算作为磁场定向的核心,通过对磁链的控制,达到控制目标。在此基础上,不仅能够保持原有性能,且能够对系统运行速度进行估算,有利于实现无速度传感器控制。但是事物两面性决定了直接矩阵控制存在一定缺陷,如逆变器开关频率不固定等,影响系统运行稳定性。
矢量控制是在磁场定向坐标系中,从励磁与矩阵两个电流层面入手,促使二者分别产生磁通、转矩,经过坐标转换后,通过正交、解耦操作后,对磁场进行独立、连续控制。针对不同的场合,矢量控制会产生不同的形式,如弱磁控制、电流比控制等[1]。其中弱磁控制常见内置式永磁同步电机控制。针对转子来说,定子电枢磁场,在很大程度上削弱了励磁磁场,尤其是当电压达到极限情况下,为了保证电机设备能够处于高速运行状态当中,可以通过减小气隙磁通,实现系统控制目标。
2.2 位置估算
为了能够得到最大输出转矩,在压缩机中,应确保定子电流与转子磁极始终保持垂直。一般来说,在压缩机中,永磁电机始终处于密封状态当中,且运行温度较高,能够达到120℃,加之内部充满腐蚀性高压制冷剂,难以实现准确的位置估算。因此常用无位置传感器进行位置估算。在科学技术的支持下,常见的位置估算方法较多,如基于磁链与反电动势、高频信号注入等。其中拓展卡尔曼滤波法,在最小均方差基础之上,估算系统状态变量。该算法在使用中,具有较强的实时性、动态性等特点,尤其适合较宽的速度范围[2]。但是该方法也存在一定不足之处,如误差较大,难以满足系统运行需求,增加了噪声,而对于相关参数的分析难度较大。滑模观测器结合α-β坐标系,将滑模变结构技术应用到实践当中,促使系统具有较强的抗负载能力,且参数变化鲁棒性也能够得到较大提升。在运行中,设备对不同控制结构进行高频调整,形成滑动模态,从而确保系统始终处于稳定运行状态当中。该方法对操作人员专业要求较低,较易操作[3]。但是受到滑模变结构不连续的影响,常常会产生抖震问题,增加了空调运行噪音。
2.3 短距补偿
变频空调压缩机有单转子、双转子及涡旋式三种。处于成本的考虑,压塑机常用单转子结构。当设备处于低频运行状态时,受到转子不平衡等因素的影响,极易出现大幅度振动,严重情况下,会造成管路断裂现象,导致空调无法正常运转。而采取矢量控制方法,能够适当降低速度,确保压缩机启动处于稳定状态后,在没有加入矩阵补偿情况下,计算出负载力矩,实现对系统的高效控制。此外,在参考矩阵电流上增加相同的矩阵补偿分量,能够促使比例结构符合压缩机运行需求,降低振动幅度,确保空调处于静音状态运行,从而为人们营造舒适的生活空间。
3 结论
根据上文所述,变频空调作为为了空调发展的主流趋势,与我国家用空间节能等级相符合。因此我国相关企业要将变频空调作为主要研究重点,适当增加资金、人力投入,不断提高压缩机驱动技术水平,促使空调具备更宽的调速范围,实现调速目标,促使变频空调节能达到最佳效果,减少空调运行噪声和不稳定性。我们坚信在科学技术支持下,变频空调驱动技术将朝着智能化、电路化方向发展,在节能减排方面发挥积极作用,为人们提供更加和谐的环境,且能够真正做到节能减排。
参考文献
[1]徐晖,阙步军,黄华东.浅谈变频空调压缩机驱动控制技术[J].山东工业技术,2015(11):96-97.
[2]李鹏.变频空调压缩机的驱动控制技术研究[J].经营管理者,2015(25):396.
变频器驱动电机时的EMI影响分析 篇5
近年来, 随着电力电子技术的发展, 采用脉宽调制技术驱动电机的技术日益成熟, 并且得到了广泛的应用, 使得电机系统的性能指标得到了较大提高, 但是逆变器的IGBT工作在高频开关状态, 高电压变化率和电流变化率会给系统带来很大的传导干扰 (EMI) [1,2]。另外当电机距离变频器较远时, 需要较长的电缆把逆变器的脉冲信号传输到电机端, 而逆变器输出电压波形呈现高频脉冲状, 经过长电缆传输的过程中会引起反射效应[3], 反射效应会使电机端产生超过2倍的脉冲电压幅值的过电压, 过电压会进一步导致轴电流的产生, 容易导致电机绕组绝缘性下降和电机轴承的损坏, 以至于电机寿命严重下降[4,5,6], 对电机造成巨大损害。因此研究变频器对电机EMI的影响, 对于有效地抑制其干扰, 保护电机有非常现实的意义。
2 电机高频模型
由于逆变器侧输出的矩形脉冲状电压频率很高, 所以在建立电机高频模型时必须考虑电机特性会发生变化。这是由于高频时在绕组内部形成磁通主要为漏磁通, 转子产生的高频涡流阻碍磁通穿过气隙, 电机内部存在着复杂的电磁耦合关系。根据传输线理论, 电磁波沿长电缆传播时, 其反射的程度主要取决于变频器、电机、电缆的波阻抗。分析PWM逆变器、长电缆和电机组成的系统时, 电机和长电缆的波阻抗特性是否匹配对电机过电压有着决定性的影响, 比如电机的输入阻抗大于电缆阻抗, 那么在电机端也就是电缆末端就会产生尖峰过电压。在建立电机高频模型时, 以一相绕组作为研究对象, 其高频模型电路如图1所示。
图1中R为内阻, L为漏感, Ch为电机绕组的分布电容集成值, Re为等效涡流损耗引起的铁芯损耗热电阻, 其值与材料内感应强度幅值Bm、频率f和系数η (与电机结构和特性有关的常数) 有关, 如下式。在固定频率时, Re可通过空载和堵转实验得到。
在高频区由于绕组电阻阻尼作用削弱, Re起到了阻尼作用, 所以和绕组并联。电机高频模型的产生存在临界频率, 一般当三角载波频率小于临界频率时, 电机负载呈现感性且阻抗随f增大而增大;当载波频率大于临界频率时, 电机负载呈现容性阻抗随f增大而减小。
3 变频器对电机EMI的影响
3.1 电缆长度变化影响
电压脉冲波在导线上的传导速率大概是150~200 m/μs, 随着电缆长度的增加, PWM波的传输时间也增长。电缆随长度的增加其阻抗也随之增加, 电机随功率等级的增加, 其阻抗逐渐减少, 这样就容易导致电缆与电机特性阻抗的不匹配, 在电机端产生过电压。
在分析高频电缆模型时, 可以将PWM脉冲波简化为在导线上的传导行波。在高频时, 由于长电缆导线具有分布特性, 即存在漏电感以及耦合电容, 会产生反射现象, 会产生过电压、高频阻尼振荡, 加剧电机绕组的绝缘压力。因此有必要建立电缆的高频模型, 其单位长度电缆高频等效电路如图2所示。
采用Matlab软件对1 m, 20 m, 100 m时的电缆在电机系统传输时的情况进行模拟, 仿真电路如图3所示。
其中异步电机模型参数为:P=3 k W, R=9.6Ω, L=170 m H, Re=780Ω, Ch=250 p F。单元电缆高频参数为:Ro=0.076 8Ω/m, Lo=0.54μH/m, Co=180p F/m, 1/Go=123 kΩ/m。仿真波形如图4所示。
仿真采用阶跃信号模仿PWM电压脉冲的上升沿, 信号上升时间为1μs。
由图4容易得到这样的结论, 对于电缆长度为1 m情况过电压是非常小的, 电压值只有1.02倍的脉冲电压;对于电缆长度为20 m的情况, 过电压为1.1倍的脉冲电压;对于电缆长度为100m的情况, 电机过电压严重, 其幅值能达到1.8倍脉冲电压。所以可以得出结论, 随着电缆长度增加, 电机端过电压越来越严重, 最高过电压幅值可以达到1.8倍的逆变器输出电压, 对电机EMI产生严重的干扰。并且随着导线长度变长, 电机端电压调节时间增加, 且由于电缆寄生电感和阻抗增加, 过电压波动次数减少, 电缆压降增加。
3.2 开关频率的影响
电压脉冲在电缆上的传播可以看成行波传播, 由于电缆和电机阻抗不匹配会产生反射现象, 阻抗越不匹配反射现象越严重。当开关频率越高, PWM脉冲越窄, 在1个周期内就会发出较多的脉冲在转子以及定子机壳上, 会感应出更多容性能量, 导致电机轴承更快损坏。反射可以用反射系数δ来表示, 图5用来分析1个PWM脉冲的反射过程, 图5b表示脉冲达到电机后反射, 其幅值为δ倍的脉冲电压, 与原来的脉冲叠加后, 机电端电压变为 (1+δ) 倍脉冲电压。图5c表示反射波向逆变器传输, 由于逆变器可以近似看成电压源, 所以产生反射不削减, 但为负值-δ。图5d中幅值为-δ的正向反射波在电机端发生第2次反射, 幅值是-δ·δ=-δ2, 与原来波形加起来作用最后幅值为1-δ2。随后的3次4次反射可以用相似方法分析。
产生的尖峰过电压衰减需要一定时间, 最后达到PWM脉冲幅值并不再变化。但是, 如果在PWM脉冲频率过高时, 就有可能发生过电压未衰减完就迎来了第2个脉冲的上升或下降沿, 则会导致过电压进一步升高, 产生更强的电磁干扰。如图6所示, 在图6b中在9.5μs时, 波形未衰减完毕就迎来了下一个脉冲, 发生极性反转和双脉冲效应, 过电压可以达到2.6倍脉冲电压幅值, 对电机造成更大危害。
4 实测波形对比分析
为了验证上述理论的正确性, 在实验室搭建了双PWM变频器电机系统。该变频调速系统能够实现4象限运行、能量双向流动、功率因数接近为1和输出正弦波电流的特点。选择电机型号为Y2-90S-4, 逆变器的载波频率分别设置为2 k Hz和3 k Hz (考虑到开关损耗问题, 在容量较大的变频器中, 开关频率一般在1~3 k Hz) , 逆变器与电机连接的电缆的长度分别为1 m, 10 m, 100 m。在不同的情况下, 用频谱分析仪对电机的传导EMI进行测量, 逆变器载波频率为2 k Hz, 不同的电缆长度时其测试波形如图7a~图7c所示。
对比图7a、图7b和图7c, 可以发现随着传输线电缆长度的增加, 电机的EMI干扰幅值在整个频谱段内明显增加。这主要是由于长电缆分布电感和电容引起的, 电缆越长, 反射程度越高。另外电缆本身的寄生电容以及寄生电感, 对电机的EMI干扰也会产生一定影响。
对比图7a、图7d可以看出随着载波频率的提高, 电机的EMI干扰也会有所增加。载波频率的提高, 虽然可以提高输出电流波形的质量, 减少高次谐波含量, 但使得逆变器的开关周期变短, 电机过电压可以衰减至PWM脉冲幅值的时间变短, 进一步导致过电压和漏电流增大, 使得电机EMI干扰加重。而且随着载波频率的提高, 干扰电压最大值也在向高频段移动。
5 结论
基于保护电机的使用寿命和稳定性的目标, 本文在建立电机高频模型基础上分析了PWM调速系统中长电缆和PWM开关频率对电机端过电压的影响。利用实验室1 MW变频器拖动电机系统平台, 对不同电缆长度和不同载波频率下电机端EMI干扰进行了测试, 实验结果和分析结果比较吻合。电缆越长、开关频率越高, 电机过电压越大, EMI干扰也越严重。为以后设计变频器输出侧过电压EMI滤波器提供了参考依据。
参考文献
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变频器驱动下的异步电机设计与分析 篇6
近些年, 随着科技的发展, 对异步电动机的研究也在不断的进步, 特别是对变频器的研究, 基于变频器驱动下的异步电动机是通过转速调节从而保证减少能源的损耗, 提高能源的利用率。变频调速的技术被广泛的应用在异步电动机中, 虽然可以有效的节约能源, 但是随着频率的改变, 电源在供电时会存在着很大的问题, 在变频异步电动机运行的过程中, 会产生较多的谐波电流, 导致电动机的运行效率与功率性能较低。由于在以往的变频异步电动机中只注重对能源损耗的节约, 忽略了变频异步电动机的性能, 在设计时对电动机运行中的电流谐波的考虑较少, 所以仍然存在着很大的缺陷, 对变频器驱动下的异步电动机进行设计与分析可以有效的完善电动机的总体功能效应。
2 变频器驱动下的异步电动机的设计研究的必要性分析
现在我国的经济建设不断的发展, 资源与能源的消耗较大, 随着能源的不断减少, 人们逐渐认识到节能的重要性, 在基本的能源消耗中, 占据最大的就是电力能源, 人们的生活离不开电能的供给, 所以电能的节约具有重要意义, 但是在电能的消耗中, 人们的生活应用只占据了不到一半, 大部分的电能都被异步电动机消耗掉, 所以研究异步电动机的新型设计, 降低能源的消耗具有重要的现实意义。电子科技的进步使变频调速技术逐渐的应用在异步电动机中, 通过变频调速, 有效的节约能源的浪费。在实际的社会发展中, 对变频异步电动机的应用较为广泛, 所以研究变频器驱动下的异步电动机的设计与分析具有重要意义, 通过设计的改变, 提高变频异步电动机的运行性能, 从而在符合能源发展状况的条件下提高我国的工业化建设水平, 实现节能建设。
3 变频器驱动下的异步电动机的设计的主要内容分析
在变频器驱动下的异步电动机的设计与分析的内容主要包括对变频异步的结构设计、电磁设计与绝缘设计, 还有设计的主要方法, 要清楚设计的内容, 怎样设计, 设计的原因, 以下进行简单的阐述分析:
3.1 变频器驱动下的异步电动机的电磁设计
在对变频异步电动机进行电磁设计时, 主要要注重两个方面的设计: (1) 对线圈连接方法的选择; (2) 对转子槽的设计选择。
在变频异步电动机的设计时要选择合适的线圈连接方法, 与传统的异步电动机不同, 变频器驱动下的异步电动机要尤其注意到谐波电流的损耗现象, 避免由于线圈连接方法的选择失误造成整体的环流增多, 使电动机能源损耗严重。选择适合的线圈连接方法, 减少环流的损耗, 提高能源利用率。
在变频器驱动下的异步电动机电磁设计中, 最重要的就是对转子槽的设计, 主要是对电阻与电感进行设计, 因为这些设计能够极大的作用到电动机运行时的一些参数影响, 例如转速, 功率, 电流, 转矩、效率等。变频器驱动下的异步电动机就是降低电动机的电压与频率的起动, 减少起动电流。电动机的工作原理就是通电导线在磁场中受力, 从而使电能受到磁场作用进行转动, 产生机械能。转子槽起到的作用就是一个基本的能量转换载体, 所以在进行设计时, 要尤其注意对转子槽的设计。基于电动机的性能与谐波的产生效应, 在设计时要注意转动槽的总体外形设计, 改变传统的槽型, 使用直筒型的转槽可以有效的降低电能的损耗, 一般情况下使用的转子槽设计都是平底的或者闭口的、圆底的。若是不这样设计就会导致转矩的约束, 使起动电流较大, 较大的消耗电能。
3.2 变频器驱动下的异步电动机的结构设计
变频异步电动机在结构设计时, 要注意对电动机的转速与转轴的强度进行计算, 只有计算准确才能够在设计的时候提高变频异步电动机的性能制造要求, 注意结构设计的合理性, 保证变频异步电动机的运行性能优良。
3.3 变频器驱动下的异步电动机的绝缘设计
注意变频异步电动机的绝缘设计, 从而保证电动机在运行的过程中有一个良好的绝缘环境。在变频器驱动下的系统运行中, 电动机相邻导线的电压很容易受到电力脉冲的作用造成局部的放电状况, 变频器驱动下的异步电动机的绝缘设计可以防止各种电能的损耗, 提高电动机的节能效果。在进行绝缘设计时, 要做好好电动机绕组的绝缘设计, 选择合适的导线可以较大的抵抗高温或者放电的影响。若是不进行绝缘设计就会导致变频器驱动下的异步电动机形成局部放电, 造成设备损坏。
3.4 变频器驱动下的异步电动机的设计方法与特点分析
与传统的异步电动机相比, 变频器驱动下的异步电动机在设计时, 要考虑到电动机的运行性能, 不仅要对电动机的功率, 转速等参数进行分析还要设定基本的电磁负荷, 保证变频异步电动机的运行中减少电流谐波的影响, 在设计时, 运用仿真模型对电动机的运行进行相关参数的计算, 提高变频异步电动机的性能与节能效果。
3.5 采用变频器驱动下的异步电动机设计的原因
采用变频器驱动下的异步电动机设计是为了弥补传统的异步电动机的缺点, 以下进行分析: (1) 变频器驱动下的异步电动机在生产制造方面比较简便, 由于主要是依据变频器来改变转速, 所以不需要以往的一些电力装备, 简化了整体结构, 也便于日后的检修与维护; (2) 变频器驱动下的异步电动机具有良好的节能效果, 可以通过转速的改变, 减少能源的消耗, 提高节能的效果, 在设计的过程中, 要注意变频的调节范围, 以便达到良好的节能效果; (3) 变频异步电动机具有良好的起动性能, 由于变频器驱动下的异步电动机是采用变频器进行变频变压, 所以运行开始的电流较小, 起动效果良好; (4) 变频器驱动下的异步电动机的运行性能优良, 由于一些电子技术的应用使得电动机的性能很稳定, 具有良好的变频调速效果。
4 变频器驱动下的异步电动机的概况与发展现状分析
变频器驱动下的异步电动机主要是采用变频调速技术, 从而根据实际的工业进行异步电动机的转速调整, 具有良好的调速功能与动力性能, 不仅可以提高电动机的效率还可以有效的节约能源的损耗, 所以被广泛的应用。新时期变频调速技术在异步电动机的应用中, 主要是结合各种电子科技技术, 从而适应我国的大工业建设, 例如化工建设、机械建设等。在传统的异步电动机应用中, 虽然具有一定的优点, 具有很大的实用性, 但是最大的缺点就是能源消耗严重, 往往都是定速运行, 所以很那进行速度控制, 随着变频调速技术的应用, 在制造变频异步电动机的时候, 可以设计一个较大的频率变化范围, 这样就能适应不同的工况, 实现较大范围内的转速调节, 不仅节约了能源的损耗, 还提高了变频异步电动机的运行性能, 新时期, 高速变频异步电动机的应用更为广泛, 可以高效率的提高生产机械的任务, 技术的发展使得变频异步电动机也在不断的发展, 尤其是半导体材料的应用, 使变频异步电动机的性能更为稳定, 尽管在设计的时候还存在一些不完善的地方, 但是随着人们的积极探索与研究, 变频器驱动下的异步电动机逐渐适应社会经济发展的进程, 在工业建设中应用广泛。
5 结束语
总之, 变频器驱动下的异步电动机在设计的时候, 要注意多种因素的影响, 并且要在电动机的运行性能与节能效果上继续探索研究, 从而优化电动机的设计, 使之更好的应用在社会中的各个领域。
摘要：随着社会经济的发展, 我国的科技也在不断的进步中, 很多的电子科技技术被广泛应用在生活与工业中的各个领域, 特别是在高速变频异步电动机的应用中, 电动机经过不断的发展, 也在生活与大工业中应用广泛。但是随着经济的建设, 我国的能源消耗不断加剧, 所以节能成为时代发展的主题, 传统的异步电动机由于是定速转动, 消耗的电力能源较多, 所以节能的主要途径就是研究异步电动机的节能效果。随着科技的进步, 基于变频器驱动下的异步电动机具有良好的节能效果, 通过对异步电动机进行转速的调节变化从而应用在不同的工业建设中, 这样可以有效的减少电能的损耗, 提高异步电动机的能源利用率。本文就对变频器驱动下的异步电动机进行设计与分析, 从而优化电动机的节能效果。
关键词：变频器驱动,异步电动机,设计与分析,变频调速
参考文献
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变频驱动 篇7
1、带式输送机驱动方式的比较
我国国内在煤矿带式输送机上大多应用的是交流异步电机, 异步电机在启动过程中为了获得需要的加速度和合适的机械扭矩, 需要从电网中得到大量的电能。启动过程中随着负载量的增加, 所需要的能量也随之增长, 对电网造成一定程度的冲击。
另外作为运输用的输送带是典型的柔黏性力学系统, 是简单的弹性单元。输送带在速度发生改变时, 其张紧力会呈现非常复杂的运动学特征, 横向振动、纵向振动和动态张紧力产生的动态振动波就会在输送带上传播、叠加, 从而造成输送带在输送过程中的运行不稳定, 以及胶带的断裂和局部的谐振跳带等等。
通过以上两点不难看出, 在输送带输送过程中选择恰当的驱动设备来降低其启动时对网造成的冲击以及控制输送带输送时的工作张力、制动加速度等对延长输送带的使用寿命有非常重要的意义。
国内煤矿目前在输送机上应用的驱动装置种类有很多, 包括异步电机带减速器驱动、异步电机带限矩型液力偶合器驱动、CST驱动以及异步电机的变频调速驱动等几种不同的驱动形式。
其中异步电机带减速器驱动和带限矩型液力偶合器驱动受启动力矩和控制精确性的限制, 其启动性能较差, 一般在中小型带式输送机上应用较多。CST和变频驱动是目前国内大型输送机上应用比较多的两种驱动类型, CST驱动为部分可控液力驱动, 不能实现低速验带, 由于受油质的影响, 驱动性能不稳定, 而且因滑差调节损失大多机功率平衡实现困难。变频驱动采用可控的高性能电力电子器件, 可实现高性能的调速驱动, 易于实现多机功率平衡, 传动效率高, 目前在煤矿带式输送机上得到了广泛的应用。
2、某煤矿主斜井带式输送机概况
某煤矿主斜井运输采用带式输送机, 主斜井井筒布置一条2000m长的带式输送机, 配2台额定电压为6k V的防爆变频电动机, 头部双驱, 采用变频方式驱动。主要参数如下:
运输量Q=1750t/h;输送机长度L=2037.27m;带速V=5m/s;验带速度V=0~1m/s;带宽B=1200mm;倾角α=0~16°;电动机功率N=710k W, 2台;额定转速1500r/min;电动机额定电压6k V。
3、变频驱动装置选型
主斜井带式输送机是煤矿生产环节中的重要设备, 其电控系统的可靠性直接影响煤矿的安全生产, 驱动系统应具有良好的启动性能和动态性能, 驱动装置需采用技术成熟、先进, 性能优越、可靠, 且在煤矿行业应用广泛的产品。
目前高压变频器国外主流供应厂商主要有西门子罗宾康、罗克韦尔 (AB) 、ABB及施耐德等, 国内约有20家左右的高压大功率变频器生产厂家, 比较知名的如利德华福、合康亿盛、东方凯奇 (现东方日立) 、广州智光、上海科达、九洲电气等, 国内绝大多数厂家都采用单元串联多重化结构。
随着技术研究的进一步深入, 国产高压变频器在理论上和功能上已经可以与进口变频器相比肩, 但是受工艺技术的限制, 与进口产品的差距还比较大, 在煤矿行业的应用上, 目前还是国外高压变频器占主流, 且都运行良好并取得了显著的经济效益, 但就高压变频器的性能价格比而言, 国内高压变频器比国外高压变频器具有一定的优势。
根据本项目情况, 设计选用2台罗宾康完美无谐波变频器采用一拖一方案作为主斜井带式输送机的驱动装置。
4、西门子罗宾康完美无谐波高压变频器原理
西门子罗宾康完美无谐波高压变频器采用先进的矢量控制技术, 能与负载构成高性能的交流调速系统, 广泛地应用于恒转矩负载及平方转矩负载等各类负载。矢量控制技术的采用, 使得系统具有极高的动态响应速度和响应精度, 在低速下具有较大的转矩和转矩过载能力, 满足恒转矩负载驱动的要求。
变频器由多个功率单元串联组成, 每个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈供电。电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电, 功率单元输入电压为三相、输出为单相。本项目中所用的变频为6k V电压等级, 所选的变频器每相由6个功率单元串联而成, 共18个功率单元, 整流脉冲数为36脉。输出相电压达3780V, 线压达6.6KV。
6k V变频器主电路拓扑结构如图1所示。
功率单元结构如图2所示:
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术, 6k V相电压输出13电平, 线电压输出25电平。输出线电压非常接近正弦波, dv/dt很小。电平数的增加有利于改善输出波形, 由谐波引起的电机发热, 噪音和转矩脉动都大大降低。
5、系统方案设计
(1) 驱动系统方案
主斜井带式输送机2台电机采用一拖一变频控制, 选择2台西门子罗宾康完美无谐波高压变频器, 36脉整流, 一主一从控制。2台电动机之间的主从协调控制由变频系统PLC来完成, 变频器之间通过通讯相连接, 实现协调控制, 现场控制系统与变频控制系统之间通过通讯相连接。变频器冷却方式采用空冷。
高压变频系统可提供多种形式的网络接口与主斜井胶带控制系统通讯, 具体接口形式根据控制装置选型确定。变频器及PLC柜均安装在主斜井驱动机房10k V变配电室, 之间的通讯通过光纤通信来实现。
(2) 控制系统原理
控制系统原理框图如下所示:
(3) 进线变压器配置
罗宾康根据变频装置的形式选择与变频装置配套的进线变压器。进线变压器能承受系统过电压、变频装置产生的共模电压以及谐波的影响。进线变压器为干式变压器, 配金属外壳、冷却器, 变压器测温元件和温度开关选用进口优质产品, 并具有就地和远方超温报警和相应的控制功能。
6、系统技术方案要点
(1) 变频器容量的配置
本项目中已知电机功率为单台710k W, 因带式输送机为重载设备, 因此变频器的容量配置需考虑其重载启动时的能力, 设计选择两台800k W变频器, 功率单元电流值为100A, 满足设计要求, 变频器型号为6SR3502-6MC38-7BC0, 输出电压范围为0~6600V。
(2) 拖动电机的控制方式
本项目中主斜井带式输送机的两台电机均置于皮带机头, 且为不同轴联结, 运行过程中要求这2台电机既要速度同步又要功率平衡, 因此需关联控制。两台变频器采用一主一从控制方式, 主传动采用速度控制, 从传动采用转矩控制, 设计配置一套PLC主从控制系统 (内置控制软件) , 并且采用最新的主从控制功能, 确保变频器之间功率平衡、速度同步。
(3) 系统保护及通讯
变频装置具有完善的保护功能, 控制接口可按用户要求扩展。变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接, 具有很高的通信速率和抗干扰能力, 安全性好。变频系统带工业以太网和RS485通信接口, 可将系统数据上传共享。
7、结论
本项目使用的两台罗宾康完美无谐波变频器, 在主斜井带式输送机上的启动和运行安全性表现非常优秀, 其启动平稳、电力和机械冲击非常小, 自动化程度高, 在使用过程中故障发生率低、维修方便, 降低了维护人员的工作强度, 运行成本低, 综合性价比高, 为企业带来了技术经济双赢的效果。
摘要：文中以西门子罗宾康完美无谐变频器为例, 介绍了其在某煤矿主斜井带式输送机上的设计及应用。同时详细阐述了变频器的原理及技术要点, 从而为皮带输送机找到了一种全新的驱动方式。
关键词：带式输送机,驱动系统,变频器
参考文献
[1]付峻青, 等.带式输送机驱动系统的分析与探讨[J].煤矿机电, 2004 (6) .
变频驱动 篇8
关键词：翻车机,模糊PID控制,同步控制
0 引言
二期翻车机控制系统由于设计上采取2台变频器频率跟随控制且从电机没有安装编码器,在生产过程中,翻车机主体驱动主从电机同步较差,作业过程中翻车机主体出现频繁抖动,特别是重载翻转工作过程中2#逆变器经常出现跳闸故障,严重影响设备的正常运转,因此对二期翻车机控制系统进行改造具有重大的现实意义。
1 原控制系统的设计缺陷
二期翻车机原控制系统采用美国AB公司Logix5555控制器作为主控单元,2台6SE70变频器通过Profibus-DP总线通信。这2台变频器分别控制一台主电机和一台从电机。主电机带有旋转编码器反馈转速,从电机没有安装旋转编码器,其控制系统网络如图1所示。翻车机主体一个工作循环转速-电流曲线图如图2所示。
由于主电机根据指令起动后通过安装在电机上的测速旋转编码器反馈电机的转速,在驱动器1中进行主电机的PID运算,对主电机进行闭环控制,但从电机没有安装旋转编码器对驱动器2进行速度反馈,属于开环控制,所以翻车机翻重车时[1],当将平台翻转143.2°,翻车到位平台准备返回零位启动时,翻车机主体出现明显抖动现象,同时伴随着2#变频器逆变部分跳闸。经检查发现,已经造成翻车机端环出现变形,而且承载托轮的表层出现剥落。同时分别进行现场电机的测试和设备检查,没有发现异常状况,但是这和实际工况不相符合,因为翻车机主体返回时,已经是空载运行,不应该出现电流增大现象。
针对存在的这些问题,提出新的控制系统,即在从电机安装速度反馈的编码器,同时控制程序改为模糊PID控制和传统PID控制相结合方式,大大提高主从电机同步性,解决了翻车机抖动和跳闸问题。
2 说改进后翻车机控制系统工作原理
2.1 系统原理框图的设计
由于原控制系统设计结构比较复杂,因此在改进中使用网络框图方式简化系统结构。改进后翻车机控制系统的原理图如图3所示。
2.2 改进后翻车机控制原理分析
单纯的模糊控制有局限性,其控制作用只能按档处理,是一种非线性控制,控制精度不高,存在静态误差,特别是在语言变量趋于零时有振荡发生。传统的PID控制在误差较小时能使控制的精度大大提高,消除静态误差,但也存在着不同的对象要用不同的PID参数、调整不方便、抗干扰能力差、超调量大等缺点。模糊控制是一种语言控制,不依赖于被控对象的数学模型,算法简单,易于实现,能够直接从操作者经验归纳、优化得到,且适应能力强、抗干扰能力强、鲁棒性好。基于上述原因将两者相结合,此同步控制算法充分利用了两者的优点,是一种混合型模糊控制器,不仅可以消除极限环振荡,且可以消除系统余差,是一种较好的模糊控制器方案。因此,翻车机改进后控制系统方案为在原来传统PID算法基础上增加模糊PID控制。
3 程序设计
3.1 误差部分
2台电机运转时,当从电机跟主电机的转速不同时,通过2个旋转编码器反馈的数字脉冲,在PLC中高速计数通道中获取转速并进行比较,得出两者的转速差。对于ε>εg,直接跳转到模糊控制,可以快速地减少误差;当ε<εg,则采用传统的PID控制。
3.2 PID控制部分
根据误差大小,传统PID控制部分可以直接调用FB41功能模块。这是HD指令模块。PID主要需要2个量,一个是设定值,一个是过程量(反馈值)。输出则由系统自行计算,另外要设定3个重要参数:P、I、D。在调试过程中,得出模块中相应的参数最优设置。
3.3 模糊控制部分
对于模糊控制部分,采用离线编程方式,PLC程序执行循环扫描方式,根据实时性的要求,先采用MATLAB预先进行模糊推理和模糊判决[2],生成模糊控制查询表,这样可以节省在线计算工作量,提高实时性。将模糊控制查询表在PLC上电初始化时按一定规律存到数据区中,在实际控制中,利用旋转编码器采集到的转速,进行比较后得到转速差和转差率,即等级量化精确量,并根据此查询模糊控制表,得出所需的模糊控制量,处理后得到误差补偿值。
4 翻车机控制系统改造后效果
翻车机控制系统是在原有传统PID控制基础上增加模糊PID控制,同时在从电机轴侧安装增量型旋转编码器进行电机速度反馈,使从电机和驱动器2(变频器组成部分)构成闭环控制[3]。与此同时,改变原有变频器与主控单元的连接方式,即由主控单元单一控制驱动器1,改为主控单元同时控制两个驱动器,这样,有利于提高电机同步运行精度。通过上述设备改造,在经过设备调试后,运行过程主从电机的同步性明显提高,如图4所示。可以看出,在翻车机作业过程中,除在翻车过程中电流接近额定电流的90%以外,其它情况下电流均在额定电流的50%以下,较之改造前电机电流下降约为40%,并且该图中电机电流的变化与实际翻车机翻车作业过程中的工况是符合的[3]。翻车机主体在翻转到143.2°返回开始时的抖动现象彻底消除了,控制从电机的逆变器没有发生跳闸的现象,设备正常运转,生产效率提高。
5 结论
目前,二期翻车机已经运行一年多,没有再出现翻车机主体抖动、逆变器跳闸现象,解决了“C”型转子翻车机端环设计薄弱造成的压车器底座开裂现象,翻车机主体2台驱动同步性得到明显改善。
参考文献
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