矢量变频器

关键词：

矢量变频器（精选九篇）

矢量变频器篇1

高速分离结束后,转速降至卸料低转速或停止状态,自动提升料罩,固相物在重力作用下脱落排出转鼓,从机壳底部排出,然后自动清洗滤网,开始下一个循环。双速电机系统存在设备启动频繁对电网冲击比较大、电控系统线路复杂、控制柜体积庞大和耗能等缺点,采用变频器改造现有工艺方案是节能、可靠、性能更优的选择。

1 改造前设备情况

云南某磷化工生产企业,主导产品为饲料级磷酸氢钙统称磷酸盐。目前行业生产工艺,生产半成品(未烘干的磷酸氢钙)所用的固液分离装置种类比较多,有自动化程度比较高的平板式自动刮刀下部卸料离心机、陶瓷真空过滤机、吊篮式离心机等。

该现场使用的是吊篮式离心机共38台,用于磷酸氢钙(简称氢钙)的半成品脱水,设备使用时间已7 a有余。每台离心机配备1台Y系列的6/8极双速电机(型号YD200L2-8/6,380 V/20 k W)作为动力源来驱动离心机的旋转,该装置经过长期大量的使用发现存在以下缺点。

1.1 设备耗电量大

电机工频运行耗电量大。同时,电机启动频繁对电网冲击比较大(380 V/20 k W的电机工频启动时电流达到5~7倍额定电流,即110~160 A之间)、对整个电网内的电气设备造成一定影响。如,照明灯忽明忽暗、设备电力系统内精密仪器的测试精度受到干扰,影响设备使用寿命等。当然,该情况也可以通过加大变压器容量来解决,但更换变压器的成本投入比较大。

1.2 维护费用较高

电控系统线路复杂、控制柜体积庞大、维修工作量大而且维修频繁。其中,作为启动和高低速切换的交流接触器,由于频繁切换而容易损坏,每台离心机平均每月要更换接触器1 到2只。并且过快的启动加速度和低、高速切换使得离机心甩块也容易损坏,整个设备的电气与机械维护成本都比较高。

1.3 双速电动机本身就易损坏

高低速对应不同的电机绕组,加速过载很容易损坏电机,另外现场的酸性腐蚀气体也加速了电机的损坏,在该现场平均每台双速电机寿命只有7~8个月左右。

1.4 生产工艺存在缺陷

双速电动机高、低转速为固定,而物料的结晶情况却不是一成不变的,针对不同结晶情况需要有不同的分离速度,因此现实分离的效果并不是很好。

鉴于存在上述缺陷,因此决定对该现场38台吊篮离心机进行变频改造。

2 变频改造方案

2.1 更换电机

按照满足原电机的转速及力矩要求,将原有多级双速电动机(YD200L2-8/6/-15 k W/20 k W,额定转速730/980 r/min)换成普通异步电动机(Y180L-4 额定功率22 k W,额定电流42.5 A,额定转速1 470 r/min,额定转矩143 N·m)。异步电机的结构简单、使用寿命长、方便维护,可有效降低电机的维护费用。

2.2 采用变频控制柜

取消原有的双接触器控制柜,采用普传PI9000 系列变频器进行离心机控制,依照工艺要求设置好相应参数。当需要使用离心机时,合上离心机电源QF1,低速运行合上开关SB1,当完成布料要切换到高速时合上开关SB2。需要停机时先关低速SB1再关高速SB2。变频器接线如图1、图2所示。

2.3 共直流母线

将各个离心机变频器的直流母线并联起来,以解决变频器运行当中出现的再生能耗问题。将所有的变频器面板打开,变频器的直流母线正极(P极)、负极(N极)采用与母线铜排相同截面的导线引出来,再经过断路器将对应的电极用导线并联起来,如图3所示。

2.4 接入直流电抗器

接入直流电抗器能改善功率因数,提高整个控制系统的效率。

3 改造后的效果

3.1 电动机方面

换成普通异步电动机后,检修安装不需要核实双速电机的线圈在相同相位下是否存在高、低速不同转向问题(原先碰到过低速时电机正转,切到高速时电动机反转,而导致电机损坏及控制设备损坏),安装和维护更简便,电机的使用寿命也长,至少寿命都在3 a以上,可以节省大量维护成本。

3.2 变频器方面

采用变频器后,电机启动电流以及高、低速切换时的电流大大减小。减少了对电网的冲击,对电网内使用的其他设备影响也减少了,电网的稳定性和安全性得到提高。

3.3 机械方面

采用变频器后,离心机的启动和高、低速切换时的机械冲击大大减小,最明显的一点不用再频繁更换离心机甩块,节省了维修费用,延长了离心机的寿命。

具体维修费计算:原电控柜的年维修费,按38 台离心机每月更换1 只接触器算,1 只大约220元。则,

采用变频器后的年修费用预计为35 000.00元,1 a节省维修费65 000万元。

3.4 改善了生产工艺

采用变频器后可以根据原料结晶情况随时来调整离心机的转速,使分离效果达到最佳,而且调速也很方便。

3.5 节省电能

改造后节能降耗效果明显,带来可观的经济效益。多台变频器采取共直流母线的方式,当其中某台变频器处于减速状态而产生再生能量时,处于加速过程中的变频器便会吸收此能量来做功,高速运行时变频系统的运行效率要比双速电动机高些,这也是一种节能。

节省电费计算,改造前离心机平均耗电量为380 k W·h/d,改造后为197.6 k W·h/d。每天节电182.4 k W·h。38 台离心机1 a工作按330 d算,节电:330 d×38 台×182.4 k W·h=2 287 296 k W·h。平均电价按0.6 元折算:2 287 296 × 0.6=1 372 377.60 元。

4 结论

吊篮式离心机采用电流矢量型变频器进行节能改造,控制系统安装操作简便,运行稳定可靠,节电效果好,综合效益显著。并且普传变频器厂家根据使用现场环境情况,定制高防护等级控制柜,变频器自身也增加了强化防护处理,可有效延长变频器在该使用场合的使用寿命。直流母线在出厂时也引出到接线端子,方便了客户现场接线,有效降低了客户使用成本。该现场离心机的变频改造非常成功,可以在行业内普及推广。

参考文献

矢量变频器篇2

电气工程及自动化

基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显现出来。由于换向器的存在，使直流电动机的维护工作量加大，单机容量、最高转速以及使用环境都受到限制。人们转向结构简单、运行可靠、便于维护、价格低廉的异步电动机，但异步电动机的调速性能难以满足生产要求。于是，从20世纪30年代开始，人们就致力于交流调速技术的研究，然而进展缓慢。在相当长时期内，在变速传动领域，直流调速一直以其优良的性能领先于交流调速。60年代以后，特别是70年代以来，电力电子技术和控制技术的飞速发展，使得交流调速性能可以与直流调速相媲美、相竞争。目前，交流调速已进入逐步代替直流调速的时代。

电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。20世纪50年代末出现了晶闸管，由晶闸管构成的静止变频电源输出方波或阶梯波的交变电压，取代旋转变频机组实现了变频调速。70年代后期，以功率晶体管(GTR)，门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power

MOSFET)为代表的全控型器件先后问世，并迅速发展。在80年代后期，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为代表的复合型器件异军突起。IGBT兼有MOSFET和GTR的优点，它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和GTR通态压降小、载流能力大的优点集于一身，性能十分优越，目前是用于中小功率范围最为流行的器件。与IGBT相对应，MOS控制晶体管(MCT)则综合了晶闸管的高电压、大电流特性和MOSFET的快速开关特性，是极有发展前景的大功率、高频功率开关器件。80年代以后出现的功率集成电路(Power

IC-PIC)，集功率开关器件、驱动电路、保护电路、接口电路于一体，目前己用于交流调速的智能功率模块(Intelligent

Power

Module-IPM)采用IGBT作为功率开关，含有驱动电路及过载、短路、超温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能功能，既减少了体积、减轻了重量、又提高了可靠性，使用维护都更加方便，是功率器件的发展方向。

随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。现代的电力电子变换装置中，PWM变压变频技术是主要使用的变换器控制技术，常用的PWM控制技术有：基于正弦波对三角波脉宽调制的SPWM控制；基于消除指定次数谐波的HEPWM控制；基于电流环跟踪的CHPWM控制；电压空间矢量控制SVPWM控制。在以上的4种PWM变换器中，前两种是以输出电压接近正弦波为控制目标的，第3种以输出正弦波电流为控制目标，第4种则以被控电机的算法简单为目标的，因此目前应用最广。

在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。上世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题。矢量控制在国际上一般多称为磁场定向控制，亦即把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，电动机电流矢量的大小、方向均用瞬时值来表示。这个理论是1968年首先由Darmstader工科大学的Hasse博士发表。1971年西门子公司的Blaschke又将这种一般化的概念形成系统理论，并以磁场定向控制的名称发表。前者是在学会的论文杂志上发表；而后者是公司研究成果，故以专利的形式发表。

矢量控制方式有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器，并需使用厂商指定的变频器专用电动机进行控制，否则难以达到理想的控制效果。目前新型矢量控制通用变频器中已经具备异步电动机参数自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。除了上述的无传感器矢量控制和转矩矢量控制等，可提高异步电动机转矩控制性能的技术外，目前的新技术还包括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整（AVR）控制技术的控制方式，已实用化并取得良好的效果。

近十多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量，进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息。除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无速度传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。

本设计是基于矢量控制的变频调速系统设计与仿真，主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，结合应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。同时，本设计结合当今国内外实例对该原理进行实际论证。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

矢量控制是一种新型的高性能的交流传动控制技术，该控制方法思想新颖，控制结构简单，具有良好的动、静态性能，在船舶电力推进系统中有着广阔的应用前景。综合掌握电气工程学科领域前沿的电力电子技术，及电力传动控制方面的基础理论和相关技术。

主要研究交流异步电机控制系统的拓扑结构、系统构成和工作原理，并对交流异步电机矢量控制系统进行建模与仿真，应用前沿电力电子技术和先进控制理论，完成交流异步电机的双闭环控制与性能分析。在分析矢量控制基本工作原理的基础上，利用仿真软件MATLAB/Simulink建立系统的仿真模型，进行仿真研究与性能测试。

三、研究步骤、方法及措施：

1.总体方案的选择、确立；

2.进行理论分析计算；

3.硬件制作调试和软件编程；

4.拟出论文初稿；

5.作品的完善。

通过查阅已有的相关文档及技术资料，先确立总体方案，根据选择的方案进行针对性的设计研究。

四、参考文献

[1].阮毅，陈伯时．电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2009.8．

[2].陈伯时．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1999．

[3].胡崇岳．现代交流调速技术[M]，北京：机械工业出版社，1998.9．

[4].周绍英，储方杰．交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1996.11．

[5].吴安顺．最新实用交流调速系统[M]，北京：机械工业出版社，1998.8．

[6].王兆安，黄俊．电力电子技术[M]，第4版．北京：机械工业出版社，2000．

[7].丁斗章．变频调速技术与系统应用[M]，北京：机械工业出版社，2005.10．

矢量变频器篇3

关键词:数控机床结构

一、数控车床主轴变频的系统结构与运行模式

(一)主轴变频控制的基本原理

由异步电机理论可知,主轴电机的转速公式为:n=(60f/p)×(1-s)

其中p是电动机的极对数,s是转差率,f是供电电源的频率,n是电动机的转速。从上式可看出,电机转速与频率近似成正比,改变频率即可以平滑地调节电机转速。而对于变频器而言,其频率的调节范围是很宽的,可在0～400Hz(甚至更高频率)之间任意调节,因此主轴电机转速即可以在较宽的范围内调节。当然,转速提高后,还应考虑到对其轴承及绕组的影响,防止电机过分磨损及过热,一般可以通过设定最高频率来进行限定。变频器与数控装置的联系通常包括:①数控装置到变频器的正反转信号;②数控装置到变频器的速度或频率信号;③变频器到数控装置的故障等状态信号。

(二)主轴变频控制的系统构成

不使用变频器进行变速传动的数控车床一般用时间控制器确认电机转速到达指令速度开始进刀,而使用变频器后,机床可按指令信号进刀,这样一来就提高了效率。在本系统中,速度信号的传递是通过数控装置到变频器的模拟给定通道(电压或电流),通过变频器内部关于输入信号与设定频率的输入输出特性曲线的设置,数控装置就可以方便而自由地控制主轴的速度。该特性曲线必须涵盖电压/电流信号、正/反作用、单/双极性的不同配置,以满足数控车床快速正反转、自由调速、变速切削的要求。

二、无速度传感器的矢量控制变频器

(一)主轴变频器的基本选型

目前较为简单的一类变频器是V/F控制(简称标量控制)。它就是一种电压发生模式装置,对调频过程中的电压进行给定变化模式调节,常见的有线性V/F控制(用于恒转矩)和平方V/F控制(用于风机水泵变转矩)。标量控制的弱点在于低频转矩不够(需要转矩提升)、速度稳定性不好(调速范围1:10),因此在车床主轴变频使用过程中被逐步淘汰,而矢量控制的变频器正逐步进行推广。所谓矢量控制,通俗地讲是为使鼠笼式异步机像直流电机那样具有优秀的运行性能及很高的控制性能,通过控制变频器输出电流的大小、频率及其相位,用以维持电机内部的磁通为设定值,产生所需转矩。

矢量控制相对于标量控制而言,其优点有:①控制特性非常优良,可以直流电机的电枢电流加励磁电流调节相媲美;②能适应要求高速响应的场合;③调速范围大(1:100);④可进行转矩控制。这里推荐并介绍无速度传感器的矢量变频器。

(二)无速度传感器的矢量变频器

无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出。总结各自产品的特点,它们都具有以下特点:①电机参数自动辨识和手动输入相结合;②过载能力强,如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;③低频高输出转矩,如150%额定转矩/1HZ;④各种保护齐全(通俗地讲,就是不容易炸模块)。

(三)矢量控制中的电机参数辨识

由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流,因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从异步电动机的T型等效电路表示中可以看出,电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外,还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识两种。其中在静止辨识中,变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗,并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中,变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。

对于数控车床的主轴电机,使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后,具有以下显著优点:大幅度降低维护费用,甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。

参考文献:

矢量变频器篇4

仿真技术是在数学模型基础上,利用计算机进行实验研究的一种方法,是分析复杂系统的一种非常有效的工具。从某种意义上说,只要构建足够精确的数学模型,数字仿真完全可以同真实系统相媲美。在控制系统通用计算机仿真软件中,Matlab软件的Simulink工具箱是一种非常优秀的仿真软件。只需在图形窗口画出所需分析、设计的控制系统方框图,软件本身就能对模型系统进行线性化处理与仿真。

在电气传动系统中,应用该仿真技术建立电机及其传动的仿真模型,无需编程,在人为模拟的环境或条件下,在计算机上运行仿真模型,以替代真实电机在工作现场运行的实验。这样,既能得到可靠的数据,又节约了研究的时间及费用。具有直观的示波器窗口,可以显示电机各项参数的实时运动曲线(如转速、转距等)。更重要的是可修改系统参数,直到获得理想的特性。实践证明,该仿真系统应用于异步电机矢量控制系统的研究中,能实现优化设计,对高性能的变频调速系统具有一定的应用价值和现实意义。

2 异步电动机Simulink实现

为了更清楚地了解电机的内部模型并精确地反映仿真的过渡过程,仿真中不采用Simulink内部的电机模块,而是根据异步电动机的动态模型建模并封装。这样既能反映异步电机的物理特性,又便于仿真计算。根据异步电动机数学模型[1,2],可以得出在静止二相αβ坐标系下的Simulink仿真模型图[3],并将模块前面加上3S/2S变换后进行封装,如图1所示。设定如下电机参数:额定功率2KW,额定相电压220V,额定相电流4.1A,额定转速1400 r/min,极对数Pn为2,Ls为0.165H,Lr为0.162H,Lm为0.149H,Rs为4.5Ω,Rr为5.4Ω,转动惯量J为0.00095 kg·m2。

3 SVPWM算法Simulink实现[4,5]

SVPWM控制技术是从电动机的角度出发,着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场,即正弦磁通。它以三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹为基准,用三相逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆,使得磁链的轨迹靠电压空间矢量相加得到,从而达到较高的控制性能。三相逆变桥式电路的目的是按一定规律来控制三对桥臂晶体管的通断,将直流侧电压变为三相正弦电压输出。因此,三相桥式电路各桥臂通断状态有8种。定义这8种开关组合为8个特定的基本空间矢量,分别标记为V4(100)、V6(110)、V2(010)、V3(011)、V1(001)、V5(101)和2个零矢量V0(000)、V7(111)。前6个矢量位置特定,可组成一个正六边形,分别在θ=ωt为0°,60°,120°,…,且大小由直流电源电压Ud确定而不能调控,把360°区域划分为6个60°的扇区,但是无法直接获得任意相位角θ且绝对值可控的矢量V。利用这8种电压矢量的线性组合就可以获得更多的与特定基本空间矢量相位不同的参考矢量,根据计算出的相应状态时间,控制开关管的导通与关断。一般分为四个步骤:(1)判断参考矢量所在区域;(2)计算相邻两开关电压矢量作用的时间;(3)计算a、b、c三相相应的比较器切换点;(4)产生三相电压Ua、Ub、Uc。

3.1 判断矢量us所在扇区

通过电压矢量us所在的二维静止坐标系α轴和β轴的分量uα、uβ来计算电压矢量所在的扇区(把圆周分成6个扇区,扇区序号用N表示)。若uβ>0,则A=1,否则A=0;若则B=1,否则B=0;若则C=1,否则C=0。扇区N=A+2B+4C。

3.2 求出边界矢量作用时间Tx、Ty

定义:

根据电压矢量不同的扇区求出2个相邻矢量的作用时间Tx、Ty,按表1取值。采用多路开关可构成模型图。当Tx+Ty>Ts时,取

3.3 求出3个矢量切换点T1、T2、T3

最后一步是根据不同的扇区把以上的3个参数按表2取值。采用多路开关可构成模型图。

3.4 PWM波形的产生和逆变器实现

SVPWM是用一定频率和幅值的等效时间三角波去调制3个输入时间T1、T2、T3,一定频率和幅值的三角波与空间矢量切换点Tx相比较,一旦Tx与三角波的值相等时,就改变PWM波形的状态。所设定的开关器件决定了三角波的周期和幅值[2]。同时对逆变器功率开关器件进行抽象,可以把上下2个桥臂的开关器件等效为1个理想的开关。

3.5 SVPWM仿真模型图

把以上各模型图分别封装后进行连接,得到SVPWM仿真模型图,如图2所示。假定fs为50Hz时开关频率为2.4K,Ud c为600V。

4 磁链模型Simulink实现

根据M-T坐标系上的转子磁链观测模型,得到仿真模型图,如图3所示。

5 矢量控制的基本原理

矢量控制的思想就是将异步电动机模拟成直流电动机来控制,通过坐标变换,将定子电流矢量分解为按转子磁场定向的两个直流分量iSM、iST,并分别加以控制,从而实现磁通和转矩的解耦控制,达到直流电机的控制效果。系统采用速度外环控制、电流内环控制的双闭环结构形式[5]。速度调节器ASR的输入为速率给定值ωr*和ωr反馈值的偏差,输出为定子电流转矩分量的给定值i*ST。电流内环控制采用对iST和iSM的大小分别进行闭环调节的方法,即T轴电流调节器ATCR实现等效的转矩分量电流的调节,M轴电流调节器AMCR实现等效的励磁分量电流的调节。磁通函数表的作用是当ωr≤ωN时,控制转子磁通使其为恒值,实现恒转矩调速方式,当ωr>ωN时,控制磁通使其随着ωr的增加而减小,实现恒功率(弱磁)调速方式。ATCR和AMCR的输出值经过压流变换得到M-T坐标下的u*ST和u*SM,经反向坐标变换得到ua*、ub*、uc*,为SVPWM的控制输入来输出PWM信号控制逆变器。转子磁通定向矢量控制变频调速系统原理框图[6,7],如图4所示。

6 矢量控制的变频调速系统仿真实现

将以上各仿真模型图进行封装,并按照图4的结构组成闭环变频调速控制系统仿真模型图,如图5所示。经过仿真,得出SVPWM输出电压波形图、转速转矩图等都与实际所得出的图基本相吻合,具有一定的实际参考价值[7,8]。SVPWM模型输出波形仿真结果,如图6所示。这里假定fs为50Hz,开关频率为2.4K,逆变器直流电源为600V。给定转速314rad/s,1s后加负载转矩TL为11Nm。仿真后的转速ω和转矩Te波形,如图7所示(图横坐标单位均为时间秒)。从图中可以看出,电机在矢量控制下转速上升平稳,在1s加载后略有下降但随即恢复。

Matlab的Simulink易于对异步电动机和SVPWM以及变频调速系统进行仿真实现,模型直观,不用编程,容易理解和使用。仿真结果显示,输出电压、电流波形是正弦,验证了空间矢量调制的正确性。表明了采用SVPWM的矢量控制系统具有良好的动、静态性能;相比于传统的调制方式,该方式的转矩和电流的波动较小,直流电压利用率高。实现了磁链和转矩的完全解耦控制,使异步电机获得与直流电机一样的瞬态响应特性,有效提高了控制效果和系统性能。对磁链、转速及转矩的仿真结果也基本符合对实际电机控制要求。其控制算法可以用于数字信号处理器,来实现其数字化控制电机,为交流传动系统的进一步研究和设计提供了理论依据及必要的系统参数。

7 结束语

仿真是进行产品设计的重要手段。使用

摘要：为了给变频调速系统提供必要的设计参数,依据空间电压矢量脉宽调制(SVPWM)基本原理,介绍了异步电动机及SVPWM算法在Matlab/Simulink环境下的建模过程及基于矢量控制理论的变频调速系统动态模型建立。详细地阐述了实现仿真的方法,并针对仿真中的关键问题及系统的仿真结果进行了分析。仿真结果表明,采用该控制系统,电压及转矩波动小,转速响应迅速,系统的各项指标都满足电机实际运行特性要求。其仿真算法对于实现数字化控制变频调速系统具有一定的价值。

关键词：异步电动机,SVPWM,矢量控制,仿真

参考文献

[1]李华德.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社,2003.3.

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[7]佘艳,孙云莲.基于DSP实现对称SVPWM矢量控制的变频调速系统[J].电气应用,2005,24(4):81-84.

矢量变频器篇5

提升设备作为煤矿的大型动力固定设备,其电控系统是煤矿技术改造的重要改造部分。山西天润煤化集团德通煤业有限公司矿井提升设备原有的电控系统采用转子串电阻分级调速控制,调速精度低;通过真空开关切换、换向需要留有足够的操作时间,动态响应慢,尤其处于低速爬行时段操作难度较大,整个提升周期不能进一步缩短,降低了提升机的使用效率;设备结构复杂、体积庞大、维护工作量大、检修时间长,同时传动系统效率低、能耗浪费较大。

由于电子技术的高速发展,许多设备及其采用的技术已经面临更新改造甚至全面淘汰的状态,尤其是近年高压变频技术的成熟和高压变频产品的推广应用,对提升机电控系统技术性能和整体运行,控制方式的改进起到了关键的推动作用。

高压变频器控制电机可以实现软启动、软停机,无需换向柜等开关设备即可根据电控指令,自动按照最理想的提升机速度曲线实现平滑的启、停、调速和换向,通过能量回馈实现电子制动,无需通过施闸减速制动实现精确定位,极大提高了自动化程度,降低了操作、维护人员的劳动强度,提升机的使用效率、系统的传动效率均大幅提高,在安全高效的完成提升任务的同时实现节能降耗的目的。

1 山西某矿井副立井提升系统改造情况

绞车型号:2JK-2.5/20;

井筒垂深:Ht=343 m;

提升方式:双钩1 t标准罐笼提升;

提升最大速度:3.8 m/s;

电动机型号:YKK4504-10型高压电动机,额定电压6 kV,额定功率250 kW,额定转速593 r/min;

变频器型号:HIVERT-YVF 06/048;

变频器容量:400 kVA。

在改造过程中保留了原有的机械及传动部分。将原有的转子串金属电阻电控系统完全拆除,采用高压变频器+PLC行程控制和速度控制+双线制监视保护和安全回路+上位管理计算机的控制形式。

该系列变频器采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场坐标下,电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变,控制转矩电流也就控制了电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*,它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。控制原理图见图1。

改造后的电控系统由高压系统、高压变频调速装置、低压配电柜、提升数控柜、网络化操作台以及轴编码器与测速发电机组成。

1.1 高压系统

高压系统采用4台KYN28A-12型高压铠装移开式开关柜,其中:2台高压电源进线柜,1台PT避雷器柜,1台高压馈电柜,采用真空断路器,10 kV接线形式为单母线不分段。

1.2 高压变频调速装置

1.2.1 变频器与PLC电控硬连接

变频器和PLC电控采用硬连接:电控把开关量正向起停、反响起停、紧急停机、模拟量频率给定送给变频器,可以控制变频器运行;变频器把开关量运行、故障、就绪、模拟量输出电流、输出频率给电控系统,即可以正常工作。

1.2.2 变频器柜体介绍

变压器柜:变压器柜内装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。柜门上设有干式变压器温度控制仪,为变压器提供温度告警和过热保护。柜前门内侧装有行程开关,当柜门打开时警告。柜后门装有电磁锁,当高压电进入柜内,电磁锁自动锁死,需用专用的电磁锁钥匙才能打开柜子的后门。

单元柜:单元柜内安装有功率单元和三相电抗器分成三组,每组排列成1排,每组串联成1组,每相串联6个功率单元和三相电抗器。串联后A1、B1、C13个功率单元Y相形短接,三相最后3个单元A6、B6、C6输出接高压输出室的接线铜排上。在短接处的电缆上穿有霍尔电流传感器检测输出电流。

高压变频装置主回路采用交—直—交直接高压形式,主电路开关元件为IGBT,采用多重化技术,将功率单元串联,叠波升压,以满足6 kV系统的需要。采用功率单元串联,但不是传统的器件串联来实现高压输出,所以不存在器件均压问题。每个功率单元承受全部的输出电流。但仅承受1/6的输出相电压和,功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗。而高的等效输出开关频率和多电平频率可以降低开关损耗。而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形,波形的改善,减小输出谐波外。还可以降低噪声。

系统采用有速度传感器矢量控制方式,调速方式也因此由改变电机转差率改为通过改变电机电源频率而实现。高压变频调速装置将50 Hz工频变成+50 Hz～0 Hz～-50 Hz连续可调的变频电源,电动状态时从电网吸取能量,是电动机产生电动力,制动状态时工作于逆变状态,将能量返回电网,使电动机产生制动力,完成对电机换向、启动、加速、等速、减速、爬行以及检修验绳低速运行等过程的所有工况的控制。

由单元串联式多电平变频器向高压交流电动机供电时,变频器和电动机都于高压等级的交流电网没有直接关系。电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后功率单元供电,单项多个独立的低压PWM变频功率单元输出端串联起来实现变压变频的千伏级高压输出直接供给高压电动机。

6 kV高压变频器主电路拓扑结构,电网输入6 kV经过移相变压器变为6个低压,独立,移相二次绕组电源。每个二次绕组电源接入功率单元模块,经过整流,滤波和逆变输出单相交流电源,由此每相由6个额定输出电压为580 V的功率单元串联而成,使输出的相电压额定值3 450 V,线电压为,接近6 kV,采用对调制波叠加3次谐波的方式,可以使单元输出PWM波基波幅值增加,整机空载时输出能力最高为输入电压1.15倍(见图2)。

单元串联脉宽调制叠波输出,相输出Y接,中心点悬浮,得到可变频三相高压电源。对于6 kV系统,每相6个单元,大大削弱了输出谐波含量,输出波形几近完美的正弦波驱动电机。

1.3 低压配电柜

双回路进线,为电控系统的辅助设备供电,并实现双电源切换。配有UPS不间断电源,以便在主电源故障情况下,能够使提升机安全制动。

1.4 提升数控柜

选用西门子公司的双套不同配置的S7-300可编程控制器。双PLC之间既有软件上的联锁,还有硬件上的联锁和看门狗电路,对PLC的运行进行监视,防止因为PLC死机或其他意外原因造成PLC故障时未能及时监测和参与安全保护。

主控PLC由主机架、电源板、CPU板、通讯板、高速计数板、模拟量I/O板、数字量I/O板、调制解调器等硬件组成,输入输出口留有一定余量。主控PLC应用软件能完成提升机手动、半自动、检修、换层、慢动、紧急控制开车等运行方式的控制要求。

1.5 网络化操作台

辅控PLC除了具备电子数字监控器的功能外,操纵台上需要从PLC输入、输出口进行接线的,均从辅控PLC就近接线,辅控PLC安装在操作台内,并于主控PLC进行网络通讯,各种信号线通过通讯电缆完成,实现网络化控制。操作台上装有指示灯、仪表、选择开关、按钮、音响设备、数字深度指示器等,能实现提升机运行的各种控制工艺的要求;

1.6 轴编码器与测速发电机

主轴传动装置上的轴编码器信号进入主控PLC,导向轮传动装置上的轴编码器信号进入辅控PLC,作为两路完全独立的数字行程监控器的位置信号,通过网络通讯,两路数字监控器相互比较、冗余控制,实现速度的包络线保护、钢绳滑动、位置闭环控制,确保数字监控器的准确、可靠、安全。

主轴传动装置上的测速机用于速度保护,与数字监控器的速度进行比较监视进一步确保数字监控器的可靠性。

2 转子串电阻调速与变频调速的运行特点

2.1 转子串电阻调速的运行特点

该方式通过可控硅分级切换,在电机的转子回路串入不同阻值的电阻,起到调速运行的作用。实现的是有级调速,设备运行不平稳易引起电气及机械冲击,对电机轴承、钢丝绳、减速器齿轮等造成巨大冲击。

在电机启动之初,所有短接开关处于分断位置,所有电阻串联接入电机的回路。当电机加速至一定转速时,闭合最靠中性点侧的短接开关,电机转子所串电阻减少,随着电机进一步加速,绞车司机通过操作主令手柄依次闭合另外几组短接开关,直至所有电阻被短接,电机运行至最高速。

在减速时和下放重物时,投入动力制动,不仅消耗外加直流电能,而且还将电动机上的再生电能消耗在转子串接的电阻上,浪费了大量的电能。

2.2 变频调速的运行特点

变频调速的运行方式是指将电机的转子绕组短接,通过变频器内的电力电子器件将工频50 Hz的电压转换成其他频率的电压,加在电机的定子绕组上。通过调节变频器输出电压的幅值、频率和相位控制电机运行在期望的转速上。

高压变频调速在矢量的控制方式下,变频器能够根据测量到的电压、电流信号以及事先测得电机参数,根据内建的电机模型,计算出电机的磁通位置、幅值、输出转矩和电机转速。而后根据该转速与给定转速的偏差,对输出转矩进行调节。

高压变频调速启动转矩大,爬行区有劲,加减速快速平稳,全速运行时速度保持度好。启动和加减速阶段基本不存在机械冲击,极大的延长了设备使用寿命;闸瓦磨损小,输入输出谐波含量极低,对电网无污染,对周边设备无干扰,维护量小。高压变频器应用到交流提升系统后,再生制动,能量回馈到电网,节约能量,一般在10%～30%左右,网侧功率因数0.95以上所以节能方面大大加强,经济性能显著。

另外,高压变频器本身采用的是微型电脑控制结构,其开发的人机对话通讯方式,可以随时把电机的运行工况数据传给主控PLC,并且发生故障时可以将故障的种类和情况直接传给主PLC,这样主PLC会及时对目前的情况进行判断,适时做出反应,并将有关所有情况反映到上位监控计算机上,便于人员进行分析,提高了电控系统的安全性。

3 电控系统改造为高压变频调速后的综合分析

通过与现场绞车司机的交流,改造后的电控系统自动化程度高、停车准确,即使下放重物时也不需要将多余的惯性力消耗于制动器上,易于司机操作,缓解了司机以往在操作过程中的高度紧张感,降低了人员的劳动强度,同时没有了以往在加减速时电阻投切的噪声,改善了操作人员的工作环境。

高压变频调速系统加速减速电气制动爬行控制共用一套装置,无需高压换向以及电阻切换设备,设备占地空间显著减少,拆除了大量的金属电阻和接触器,减少了维护量;采用低频制动方式减速,既能完成减速段的低频发电制动运行,又能自燃过渡并完成爬行阶段的低频拖动运行,便于操作以及日常维护和检修。在整个提升循环中,钢丝绳振动小,运行平稳、可靠。节电效果显著,经济效益非常显著,改造取得了预期的效果。

4 结语

矢量变频器篇6

关键词：感应电动机,矢量控制,效率优化,磁链控制

0 引言

随着现代煤炭开采技术的持续发展,多种变频调速系统被用于提高生产效率[1,2,3],包括矿井提升机、电牵引采煤机、带式输送机、通风机水泵等变频调速系统。高性能矢量控制技术成为变频调速系统的主流控制方案。该方案采用磁场定相的方式将电动机磁链和转矩解耦。为保证电动机出力效果,多采用恒定磁通控制。然而,对于并非长期运行于重载工况下的矿山调速系统,采用恒定磁通控制会使电动机内部损耗严重,影响实际系统运行效率[4]。

为此,本文提出了一种感应电动机矢量控制系统的效率优化控制方案。在建立考虑定、转子铜损和铁损的系统损耗模型的基础上,通过优化转子磁链给定的方式,提高矿山变频调速系统运行效率。针对弱磁运行造成的系统动态响应缓慢问题,通过优化转矩电流和磁链电流比重关系,使电动机电磁转矩得以快速响应,保证系统外环跟踪性能。以三电平感应电动机变频调速系统为研究对象,搭建Matlab/Simulink仿真模型和实验样机进行分析验证,结果表明,该效率优化方案是可行、有效的。

1 三电平感应电动机调速系统

图1为三电平感应电动机变频调速系统简化结构图。相较传统两电平拓扑结构,三电平中点箝位式(Neutral Point Clamped,NPC)拓扑结构[5]可提供多达27种离散电压空间矢量,可更好地拟合出定子侧正弦交流电,保证变频调速系统安全可靠运行。

对于感应电动机调速系统,建立其两相旋转d-q坐标系下的动态数学模型:

${\begin{cases} u_{s d} = R_{s} i_{s d} - ω_{1} L_{δ} i_{s q} \\ u_{s q} = R_{s} i_{s q} + ω_{1} L_{s} i_{s d} \\ Τ_{e} = n_{p} \frac{L_{m}^{2}}{L_{r}} i_{s d} i_{s q} \\ L_{δ} = \frac{L_{s} L_{r} - L_{m}^{2}}{L_{r}} \end{cases} (1)$

式中:usd,usq为电动机定子侧输入电压d-q坐标分量;isd,isq为电动机定子侧输入电流d-q坐标分量;Ls为定子自感;Lr为转子自感;Lm为互感;Tr=Lr/Rr,为转子电磁时间常数;Rs为转子电阻;np为电动机极对数;ω1表示定子角频率;Te为电磁转矩。

2 损耗模型建立

考虑到感应电动机结构的特殊性,其系统运行时包含定转子铜损、定转子铁损、杂散损耗和机械损耗。杂散损耗和机械损耗占全局损耗的较小部分(<20%),且其与电动机磁场大小不存在数学关系,无法通过优化算法进行改进,故本文将其忽略不计。定转子铜损、铁损与变频调速系统电气变量存在对应关系,且其在整体系统损耗中占较大部分(>80%)。本文以上述可控损耗为研究对象,构建感应电动机在两相旋转d-q坐标系下的等效电路,如图2所示。

由等效电路可得d-q轴上的电动机铜损和铁损数学模型:

${\begin{cases} Ρ_{c u s} = R_{s} (i_{s d}^{2} + i_{s q}^{2}) \\ Ρ_{c u r} = R_{r} i_{s q}^{2} \\ Ρ_{f e} = R_{f e} / (R_{f e} + R_{r})^{2} (R_{r}^{2} i_{s q}^{2} + L_{m}^{2} ω_{r}^{2} i_{s d}^{2} + \\ 2 R_{r} L_{m} i_{s q} i_{s d}) \end{cases} (2)$

式中:Pcus为定子侧铜损;Pcur为转子侧铜损;Pfe为电动机铁损。

根据式(1)、(2)可知,感应电动机可控损耗为

$\begin{array}{l} Ρ_{l o s s} = Ρ_{c u s} + Ρ_{c u r} + Ρ_{f e} = R_{q} i_{s q}^{2} + R_{d} i_{s d}^{2} = \\ (k_{1} + k_{2} ω_{r}^{2}) Ψ_{r}^{2} + k_{3} \frac{Τ_{e}^{2}}{Ψ_{r}^{2}} (3) \end{array}$

式中: $k_{1} = \frac{R_{s}}{L_{m}^{2}}$ ; $k_{2} = \frac{1}{R_{r} + R_{f e}}$ ; $k_{3} = \frac{L_{r}^{2}}{n_{p}^{2} L_{m}^{2}}$ $R_{s} + \frac{R_{r} R_{f e}}{R_{r} + R_{f e}}$ 。

分析式(3)结构形式可知,其为一个凸函数,对于转矩和转速给定的系统,对式(3)转子磁链项求导并令其为零,可以得到最优转子磁链给定Ψ*r:

$Ψ_{r}^{*} = \sqrt[4]{\frac{k_{3}}{k_{1} + k_{2} ω_{r}^{2}}} \sqrt{Τ_{e}} (4)$

式(4)即为效率优化运行时对应不同工况的矢量控制系统最优转子磁链给定值Ψ*r。

3 动态性能优化

根据式(4)确定变频调速系统不同工况下最优磁链给定,可以最大额度地降低电动机可控损耗,有效地优化稳态运行效率。然而对于高性能调速系统,其动态响应性能同样需要关注。若前一时刻基于效率优化策略的系统稳态运行于弱磁状态时,给定或负载信号突变使调速系统进入动态响应区域,此时需要电磁转矩保持较高的变化率。考虑到实际电动机系统最大输入电流限制,需对矢量控制系统解耦后的转矩电流分量和励磁电流分量进行限幅,以避免过高的定子电流造成电动机系统损坏。

根据矢量控制原理可知,转矩和磁链分量存在如下关系:

${\begin{cases} Τ_{e} = n_{p} \frac{L_{m}}{L_{r}} Ψ_{r} i_{s q} \\ Ψ_{r} = \frac{L_{m}}{1 + Τ_{r} p} i_{s d} \end{cases} (5)$

为确定转矩最快响应时转矩电流和励磁电流之间的关系,对式(5)中的电磁转矩求微分:

$\frac{d Τ_{e}}{d t} = n_{p} \frac{L_{m}}{L_{r}} i_{s q} (t) i_{s d} (t) - Τ_{e} / Τ_{r} (6)$

式(6)所描述的为电磁转矩动态变化率与转矩电流和励磁电流之间的关系,考虑到电动机定子侧最大允许电流imax限制,isd和isq存在如下约束:

$i_{s d}^{2} + i_{s q}^{2} \leq i_{\max}^{2} (7)$

由式(7)可知,当励磁电流和转矩电流满足式(8)时,转矩变化率可以取得最大值。

$i_{s d} (t) = i_{s q} (t) = i_{\max} / \sqrt{2} (8)$

系统在动态过程中遵循式(8)进行转矩和磁链电流比重分配,可使动态电磁转矩响应在系统安全允许的前提下达到最快,有效地提升系统动态性能。

4 实验分析

效率优化感应电动机矢量控制系统全局框图如图3所示,其中定子相电流isa、isb由电流霍尔传感器测得,电动机转速ωr由旋转编码器测得,基于上述测量信息结合电动机电压、电流模型设计状态观测器,获得准确的转子磁链Ψr及其对应定相角θ。结合式(4),根据实际转速和转矩需求确定最优转子磁链给定值Ψ*r,以优化调速系统稳态性能;根据控制系统转矩电流给定i*q的变化情况判断系统是否处于动态过程,若为动态过程则根据式(8)获得转矩电流和磁链电流比重分配关系,用于提升系统动态响应性能。系统内环经2个PI调节器获得消除系统跟踪误差所需的期望电压矢量V*αβ,经SVPWM技术线性拟合出与期望电压矢量效果一致的脉冲序列,并将其作用于三电平拓扑对应开关器件。实验用三电平感应电动机参数见表1。

实验所用控制系统结构如图4所示,以DSP TMS320F2812作为主控器件,主要进行直接功率控制算法计算;采用FPGA进行协处理,主要完成死区延时、AD/DA接口、上位机通信等功能;CPLD通过对PWM反馈信号校对以实现系统保护。

图5为系统稳态效率优化实验波形,在t=4 s时效率优化控制投入使用,转子磁链幅值|Ψr|由1.2 Wb下降至0.7 Wb,此时系统电磁转矩Te和电动机转速n均无明显跌落,与此同时电动机损耗Ploos由2.5 kW下降至1.5 kW。由此可见,效率优化控制用于降低电动机内部损耗和提升系统运行效率是可行的。

图6为系统动态响应实验波形,由速度曲线n可知,系统经历了加速运行、匀速运行、减速运行、爬行停车4个阶段,对应各个阶段系统电磁转矩Te保持较高的动态响应,且定子电流is满足一定的电动机允许最大幅值限制,验证了转矩电流和磁链电流比重分配机制的优越性。

5 结语

结合矿山变频调速系统实际工况特点,提出一种考虑电动机损耗的感应电动机效率优化控制方案。基于DSP+FPGA搭建实验样机,实验结果表明,该优化控制方案在提高变频系统运行效率的同时,兼顾考虑系统动态性能,为矿山变频系统进一步节能减排提供了一种切实可行的方法。

参考文献

[1]谭国俊,吴轩钦,李浩,等.Back-to-Back双三电平电励磁同步电动机矢量控制系统[J].电工技术学报,2011,26(3):36-42.

[2]关恒祝.交-直-交矿井提升传动系统中定子变压器的功率计算与探讨[J].工矿自动化,2012,38(5):26-29.

[3]郭金龙.提高主井提升能力的技术途径[J].工矿自动化,2012,38(8):112-114.

[4]于伟光,祁新梅,郑寿森.基于定子磁链规划的异步电动机最优效率控制[J].电气传动,2012,42(1):14-16.

矢量变频器篇7

关键词：高压变频器,电控系统,调速,效果

1 系统现状及存在的问题

陕西铅硐山矿业有限公司3#斜井长度6 5 0 m, 井巷倾斜坡度2 5°, 绞车采用10k V/355k W电动机驱动的串电阻调速系统, 通过交流接触器切除电阻达到调速目的。这样的调速方式能耗高、调速性能差、脉动大、不稳定、有冲击、维护费用高。尤其该调速系统在长期的运行过程中, 存在人行车运行时速度主要靠人员操作闸瓦控制, 运行忽快忽慢不平稳;重负荷提升时电动机启动电流过大偶尔造成过流跳闸;井口自动摘钩时, 由于制动不稳定容易发生矿车“掉道”或“不脱钩”等现象, 对斜井提升的安全性有很大影响。

2 电控系统发展现状

提升机的电气传动系统经历了多种控制方式阶段。随着电子技术和计算机技术的飞速发展, 目前电控系统的发展方向是将变频调速技术应用于矿井提升机。变频器的调速控制电路简单, 技术成熟, 可以实现提升机的恒加速和恒减速控制, 克服了接触器、电阻器、绕线电机电刷等容易损坏的缺点, 降低了故障和事故的发生率, 而且具有十分明显的节能效果。尤其该调速系统已在国内外提升机上得到了广泛应用。

3 变频改造

为了保证绞车工作的可靠性和连续性, 在保留原转子串电阻调速系统的基础上, 增加高压变频电控系统。改造时, 充分考虑系统工作的可靠性、安全性和可操作性。以变频系统为主, 转子串电阻调速系统作为后备, 原系统的监控保护功能采用双PLC实现, 使变频保护与电阻调速系统成双重保护, 确保生产不受影响。

3.1 设备选型

通过对目前变频器调速技术的实际考察和对比论证, 最终选用了北京合康亿盛变频科技股份有限公司生产的基于矢量控制的高压变频器调速系统:型号IVERT-YVF10/048。

3.2 矢量控制概念

矢量控制简称VC, 基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量, 根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制, 从而达到控制异步电动机转矩的目的。矢量控制变频器不仅在调速范围上可以与直流电动机相媲美, 而且可以直接控制异步电动机转矩的变化, 是一中理想的调速方法, 所以在许多精密或快速控制的领域得到应用。

3.3 电控系统构成

考虑到电源电压10k V, 电动机10k V/355k W, 设计选用全数字高压变频提升机电控系统, 系统采用能量回馈特性的四象限变频器, 直接驱动电动机形成电控系统。在基本不改变原来设备的基础上, 增加高压真空开关柜1台, 高压工频变频转换柜1台, 矢量控制的高压变频器调速器1台和转子短接开关柜一台, 并进行相应的闭锁。其中高压开关柜采用真空断路器对10k V高压进线和主整流变压器进行开、断控制, 并对高压采用微机综合保护装置, 具有过流、过压、欠压、短路等保护。定子与转子切换柜主要作用是在不同的拖动系统切换, 使用户具有两套完整的互备电控系统, 既可使用变频器拖动, 也可以使用原来的转子串电阻和换向柜系统拖动。定子/转子切换柜设置两个双刀双投的隔离开关, 主要对定子和转子回路进行切换, 达到不同的两套系统互为备用的效果。

3.4 系统特性

(1) PG矢量控制方式。变频器采用PG矢量控制方式, 系统可以对励磁电流和转矩电流分别进行控制, 稳定输出正弦波电流。同时系统具有动态响应速度快、加 (减) 速度特性好等优点; (2) 额定功率回馈能力。变频器中功率单元采用PWM全控整流方式, 通过控制整流侧IGBT所产生的电压与单元输入电压的相位差, 从而控制电功率在电网与功率单元之间的流向, 使变频器最大回馈功率达到额定输出功率, 达到短时制动的要求; (3) 低频高转矩输出。变频器具有对转矩电流单独控制的特点, 使电机在低转速下能够输出较大转矩, 满足提升机对启动转矩的要求。此外, 在绞车启动时, 盘形闸松开前变频器能够提供初始转矩电流, 避免矿车在斜井上松闸后溜车; (4) 自动识别参数功能。变频器可通过“空载启动”模式进行参数辨识, 检测空载励磁电流I0和转子时间常数Tr, 这两个参数对于变频器能否以最优性能运行至关重要。变频器可通过“转子定位”启动模式自动辨别电机转向, 所以安装时无需考虑编码器及电机旋转正方向, 编码器可根据现场情况灵活安装在电机轴端或尾端。此外, 电机转子及定子磁极一般不可见, 而绝对值式编码器不但可以同步检测转子的速度, 而且能通过脉冲数量准确计算出转子磁极相对于定子磁极的相对位置, 从而将同步电机转子提前定位到同步运行状态; (5) 转速闭环控制。变频器速度调节器会自动调整电机速度, 在电机运行过程中, 转速通过脉冲编码器构成闭环控制。以达到最快的速度响应、最小的超调范围; (6) 很好抗干扰能力。功率单元与控制系统光纤通讯, 强弱电之间完全隔离, 提高了系统的抗干扰能力。

4 经济效益分析

提升系统完成变频调速改造以后, 具有以下优点。

(1) 启动转矩大, 加减速快速平稳, 全速行时速度保持度好。启动和加减速阶段基本不存在机械冲击, 延长了设备使用寿命。

(2) 实现提升绞车全过程变频控制, 四象限运行, 调速连续方便, 使得斜坡道人行车运行更加平稳、安全。

(3) 缩短了提升时间, 产量高。新系统一勾的提升时间约为110s, 时间效率得到提高。

(4) 再生制动, 能量回馈, 节约电能。

(5) 闸瓦磨损小, 输入输出谐波含量极低, 对电网无污染, 对周边设备无干扰, 维护量小。

(6) 起动及加减速时冲击电流很小, 减轻了对电网的冲击, 简化了操作、降低了工人的劳动强度。

5 结语

目前, 国内绝大多矿井提升机电控系统还是交流串阻调速继电器—接触器控制, 效率低下, 安全隐患多, 如采用变频系统改造, 则可使提升机具有类似直流电动机的优良机械特性, 具有接近1的功率因数和>95%的能量转换效率, 节能效果显著, 此项技术不仅提升过程性能优良, 而且使用维护简单, 设备可靠性高, 整机效率比以前大大提高, 是矿山提升机传动的发展方向, 推广应用前景广大。

参考文献

[1]刘洁.转子变频调速技术在新陆矿副井提升中的应用[J].山东煤炭科技, 2012 (2) :67-68.

[3]周祖德, 邓坚.机电传动控制[M].武汉:华中理工大学出版社, 2003.

矢量变频器篇8

变频器的功能是将频率固定的(通常为50Hz)的交流电变换成频率连续可调的三相交流电源。变频器的输入端接至频率固定的三相交流电,输出端输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电。

变频器主要分为间接变频和直接变频两大类,而间接变频又根据中间直流环节的主要储能元件的不同可分为电压型和电流型。电压型变频器主回路由相控整流器,中间直流环节和逆变器三个部分组成。

相控整流器将交流电压整流为可控的直流电压,经滤波由电容Cd输出直流电压Vd,逆变器将直流Ud变换成频率可调的交流电源供给电机进行变频调速。由于中间直流环节是Cd低阻抗输出相当于是恒压源,故称电压型。

电流型交一直一交变频器与电压型变频器的差别仅在于中间直流环节中的储能元件用的是电感而不是电容。由于中间直流环节是高阻抗输出相当于电流源,故称电流型。

矢量控制的成功实施,使得异步电动机变频调速后的机械特性以及动态特性能达到足以和直流电动机调压时的调速性能相媲美,从而使异步电动机变频调速在电动机的调速领域全方位地处于优势地位。现在许多新型的变频器都提供了相应的矢量控制的功能。

1 矢量控制基本设想

根据一个三相交流的磁场系统和一个旋转体上的直流磁场系统,以两相系统作过渡,可以相互进行等效变换的原理,所以将变频器的给定信号变换成类似直流电动机磁场系统的控制信号,也就是说,假设有两个互相垂直的直流绕组同处于一个旋转体上,两个绕组中分别独立地通入由给定信号分解而得的励磁电流信号iM和转矩电流信号iT,并且iM和iT作为基本控制信号,则通过等效变换,可以得到与基本控制信号iM等效的三相交流控制信号iA、iB、iC去控制逆变电路。对于电动机在运行过程中的三相交流系统的数据,又可以等效变换成两个互相垂直的直流信号,反馈到给定控制部分,用以修正基本控制信号iM和iT。进行矢量控制时,可以和直流电动机一样,使其中一个磁场电流信号iM不变,而控制另一个磁场电流信号iT,从而获得和直流电动机类似的控制功能。

2 基本框图

如图所示,给定控制器将信号分解成两个相互垂直且独立的直流信号iM和iT,然后通过直/交变换将iM和iT变换成两相直流电流信号i1和i2,又经过2/3变换,得到三相交流控制信号iA、iB、iC,去控制逆变桥。

电流反馈用于反映负载的状况,使直流信号的转矩分量iT能随负载而变,从而模拟出类似于直流电动机的工作状况。速度反馈用于反映拖动系统的实际转速和给定值之间的差异,并使之以最快的速度进行校正,从而提高系统的动态特性。

现在许多新系列的变频器设置了“无反馈矢量控制”功能,这里“无反馈”是指不需要由用户在变频器外部另行设置反馈环节。无反馈矢量控制在改善异步电动机在低频时的机械特性方面,己经取得了令人满意的结果,故对于一些在动态特性方面无严格要求的场合,速度反馈可以不用。

参考文献

[1]郁炜,汪家养.变频调速在供水系统中的应用研究[J].杭州机电工程,2008(7).

矢量变频器篇9

高炉探尺用于检测高炉内矿石与焦炭等物料的料面, 供冶炼操作人员观测炉内物料下放情况, 控制矿石与焦炭等物料向炉内排放。物料排放完毕, 探尺自顶部按设定速度自动下放, 下放至炉内物料的料面后, 探尺被物料支撑, 其速度减至零, 随后跟随物料下放, 当探尺检测物料下放到设定料面时, 探尺自动提升到顶部。周而复始, 使探尺稳定在一个料面高度。山东莱钢高炉探尺多采用直流电机和直流装置, 直流电机维护量大, 直流控制系统故障率高, 设备投资大, 跟尺曲线失真度高。为适应生产和长远发展需要, 在1880m3高炉探尺采用矢量变频控制系统, 使高炉探尺运行更加稳定、可靠, 提高劳动生产率, 减少焦炭能耗。

二、1880m3高炉探尺系统变频改造

1. 改造方案

采用Siemens公司Simovert Masterdrivers矢量控制的6SE7021-0EA61 400V/4kW电压源型变频器, 探尺选用2.2kW、YZPBE112M2-6B5-XYT型交流变频电机。探尺属于位能性负载, 其下放的动能不能通过变频器回馈给交流电源, 需要外加制动电阻和制动单元消耗能量。在探尺减速机轴端接绝对值编码器, 信号经硬接线进PLC, 由PLC进行编码转换计算出探尺高度, 作为检测值及探尺的操作信号。PLC向探尺变频器发出启动、提尺及放尺等控制信号, 探尺变频器向PLC反馈准备好信号、故障信号及变频器频率、电机电流信号。探尺的提尺、放尺速度在变频器内部设定。为便于转矩控制, 应使变频器工作在矢量控制方式。

2. 工作原理

要求探尺下放时, PLC送出放尺信号, 由变频器系统启动经一段时间延时后打开抱闸, 变频器按照速度控制方式自动放尺并保持下放速度不超过限制值。当探尺降落到料面时变频器输出一定的提尺转矩, 使探尺保持直立姿势, 即应具备浮尺功能, 保证探尺能跟随料面下降。当探尺下降到下限或超极限时, 应立即提升到正常位 (零位) , 确保不烧毁重锤。要求探尺提升时, 由PLC送出提尺信号, 变频器系统按照速度控制方式实现自动提尺。速度给定可由PLC发出的4~20mA信号进行调节。当PLC检测到探尺运行到停尺位时, 由变频器系统实现自动停车并投入抱闸。若某种原因造成正常位停不住, 在提升至上限或超上限时也应立即停止。使用DriveMonitor软件对变频器控制功能进行组态, 设定和调试变频器参数, 调试探尺控制线路, 并进行联调, 使变频器、PLC及时通信, 制作工艺监控画面。

3. 系统改进

1880m3高炉探尺矢量变频控制系统最初使用无速度反馈传感器的矢量变频器, 投运初期, 下探过程只采用速度环控制, 导致低速运行时产生失速, 出现追尺、塌料振荡现象, 料线失真, 发生埋尺和溜槽事故。为此制定以下3种解决方案, 方案优缺点见表1。

(1) 方案1。重新设计改进探尺控制线路, 选用带增量型编码器的矢量变频器代替现变频器。

(2) 方案2。改进探尺控制线路, 在左、右探尺电机轴各增加1台精度高的增量型编码器, 以便准确反映探尺速度, 实现闭环控制。

(3) 方案3。优化变频器控制方式和运行参数, 将探尺放尺过程分为3段: (1) 探尺下放过程采用速度环控制, 对于高炉, 整个探尺行程是5m (从零位算起) , 正常情况下, 料线设为1.2m, 为提高上料速度, 适当提高探尺的升降速度很有必要。因此一开始, 从零位进行放尺时, 采用速度控制, 让探尺较快下落, 此时是加速往下落的过程。 (2) 跟尺过程采用转距控制, 当估计探尺快要触到料面时, 采用转矩控制, 对电机施加一较大向上的转矩, 使重锤速度为0, 当触到料面时, 这时对电机施加一向上但比较小的转矩, 使得与料面的支持力和重锤的重力基本相等, 使重锤直立在料面上, 同时钢丝绳保持一定的张力。 (3) 出现追尺、塌料振荡现象时采用监测控制环节 (防震荡环节) , 即监测到塌料失速时, 迅速输出一个较大合适的转矩, 将探尺锤拉起来, 避免追尺、塌料振荡现象。调整变频器参数, 消除不放尺、不提尺及不跟踪料面的故障。

通过现场跟踪、分析决定采用方案3, 功能程序介绍如下。

(1) 探尺下放过程速度环控制 (图1) 。当要求探尺下放时, 由PLC送出放尺信号 (变频器外部放尺继电器常开点闭合后经变频器端子输入) 读入开关量连接器B16中, B16连接到U296, 此时放尺信号B16为1, 即高电位。计时器2以脉冲上升沿触发, 接通延时6s, 期间B0532为1, B0533为0。B0533连接到U166, 则选择模拟转换开关1选择0通道, 转矩给定固定下限幅P498有效, 将P498的值传到转矩下限幅P499中, 作为放尺转矩下限福, 使得探尺下放速度不超过限制值。同时B0533连接到与门1的输入, 使得B0601为0, B0601连接到U281, 触发RS触发器1, 使得B0501为0, 那么选择读入主从切换指令的开关量连接器参数P587为0, 探尺下放过程速度环控制, 放尺速度由固定给定值P403设定。RS触发器1的输入开关量信号B17是B16取反, 即无放尺信号时B17为1, 使RS触发器1复位, 为下次放尺速度环控制做准备。

(2) 跟尺过程采用转矩控制。图1中计时器2接通延时6s后结束 (计时器2接通延时时间可根据炉况情况调整) , 探尺即将触到料面, 此时B0533为1, 和 (1) 同理, 选择模拟转换开关1选择1通道, 转矩限幅给定值P404有效, 将P404的值传到转矩下限幅P499中, 作为跟尺过程中转矩下限幅值。到料面时开关量连接器B0232达到转矩下限幅P498的值, B0232为1, 此时B0232、B0533、B0001全为1, 使得图1中B0601为1, B0601触发RS触发器1, 使得B0501为1, 则选择读入主从切换指令的开关量连接器参数P587为1, 探尺转为转矩控制。图2中连接器KK0148连接实际速度, 触到料面时KK0148的值接近0, 小于连接器K0511中的速度设定值, 则输出开关量信号B0476为1, B0476连接到U299, 计时器3以脉冲上升沿触发, 接通延时4s, 期间B0534为1, B0534连接到选择模拟转换开关3的U170, 则选择模拟转换开关3选择1通道, 转矩给定U002有效, 将U002的值传到转矩给定P486中, 作为向电机施加一较大向上的转矩 (U002) , 运行时间为4s, 以使重锤速度为0, 防止探尺追尺、倒锤。图2中计时器3接通延时4s后结束, 此时B0534为0, B0534连接U170, 则选择模拟转换开关3选择0通道, 转矩给定U001有效, 将U001的值传到转矩给定P486中, 作为对电机施加一向上但比较小的转矩, 使得与料面的支持力和重锤的重力基本相等, 使重锤直立在料面上, 同时钢丝绳保持一定的张力。

(3) 塌料振荡时采用监测控制环节 (防震荡环节) 。当探尺塌料失速时, 图2中连接器KK0148连接的实际速度值小于连接器K0511中的速度设定值, 则B0476为1, B0476连接到U299, 计时器3以脉冲上升沿触发, 接通延时4s, 期间B0534为1, B0534连接到U170, 则选择模拟转换开关3选择1通道, 转矩给定U002有效, 将U002的值传到转矩给定P486中, 作为对电机施加一较大合适的向上转矩 (U002) , 运行时间为4s, 将探尺锤拉起来, 避免追尺、塌料振荡现象。

调整300多个参数 (从略) 。

1880m3高炉探尺矢量变频控制系统通过实际运行, 探尺探测位置准确, 追尺、塌料振荡现象大幅减少, 系统满足工艺要求, 控制灵活、性能稳定可靠, 操作维护方便, 稳定了炉况, 减少了焦炭能耗, 年经济效益200余万元。

摘要：介绍1880m3高炉探尺系统变频改造的原理及主要特点, 针对改造不足之处, 进行程序设计进一步完善, 获得良好效果。

关键词：高炉探尺,变频控制系统,改造

参考文献

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