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        礦山電機(jī)控制系統(tǒng)原理分析

        2009-07-28 08:00:22強(qiáng)李瑞雪
        關(guān)鍵詞:礦山

        王 強(qiáng) 李瑞雪

        摘要:本文通過(guò)對(duì)礦山電機(jī)控制系統(tǒng)原理進(jìn)行分析,指出礦山、冶金等使用的大型變頻裝置,可以在效率基本不變的情況下, 通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電源的電壓和頻率,平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,根據(jù)輸出量的要求改變輸出功率,從而節(jié)省大量的電能。

        關(guān)鍵詞:礦山;電機(jī);VC;DTC

        1 前言:在礦山、冶金和輕紡工業(yè)中,使用著大量的風(fēng)機(jī),水泵,攪拌機(jī)和壓縮機(jī)。這些機(jī)械一般都有用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng),功率都在幾百以上,有的甚至幾千以上,消耗的電能是非常可觀的。仔細(xì)觀察這些機(jī)械的運(yùn)行狀況,可以發(fā)現(xiàn)他們大部分都不是常年工作在額定功率之上,而是經(jīng)常只有50%~70%甚至更低的輸出量。但目前這類(lèi)機(jī)械大多使用恒速交流傳動(dòng);而以擋板、閥門(mén)或空放回流的辦法進(jìn)行調(diào)節(jié),白白損失掉大量的電能,越是大功率的風(fēng)機(jī)水泵,情況越是嚴(yán)重。

        使用的大型變頻裝置,可以在效率基本不變的情況下,通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)電源的電壓和頻率,平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速,根據(jù)輸出量的要求改變輸出功率,從而節(jié)省大量的電能。

        2 VC與DTC的產(chǎn)生與發(fā)展

        自1971年德國(guó)西門(mén)子公司發(fā)明了基于交流電機(jī)坐標(biāo)交換的交流電機(jī)矢量控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)VC)原理以來(lái),交流電機(jī)矢量控制得到了廣泛地應(yīng)用。經(jīng)過(guò)30年的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工程實(shí)踐,矢量控制原理日趨完善,大大小小的交流電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)大多采用矢量控制,使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過(guò)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。

        1985年德國(guó)魯爾大學(xué)提出了不同于坐標(biāo)變換矢量控制的另外一種交流電機(jī)調(diào)速控制原理一直接轉(zhuǎn)矩控制(以下簡(jiǎn)稱(chēng)DTC),其原理具有不同于VC的鮮明特點(diǎn):不需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,有靜止坐標(biāo)系上控制轉(zhuǎn)矩和磁鏈;采用砰一砰控制;DTC與脈寬調(diào)制PWM技術(shù)并用;轉(zhuǎn)短響應(yīng)快;應(yīng)用于Cro電壓型變頗器的機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)。

        隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,交流調(diào)速技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,通用變頻器年銷(xiāo)售額已超過(guò)50億。國(guó)家“十五”期間,許多大型項(xiàng)目需要交流調(diào)速傳動(dòng),例如,西氣東輸?shù)拇笮蛪嚎s機(jī)傳動(dòng),大型船舶電力推進(jìn),大型熱軋和冷軋機(jī)交流傳動(dòng),高速鐵路牽引傳動(dòng)電以及風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻節(jié)能傳動(dòng)等等。

        隨著市場(chǎng)容量的擴(kuò)大國(guó)際各公司產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)愈加激烈,直接轉(zhuǎn)矩控制成為產(chǎn)品技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)亮點(diǎn)。一時(shí)間在中國(guó)的用戶,變頻器制造廠以及國(guó)家重大項(xiàng)目決策中造成了混亂,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)演變?yōu)镈TC與VC的技術(shù)之爭(zhēng)。

        根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料以及同部份專(zhuān)家的研討,筆者對(duì)DTC和VC控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及實(shí)用化技術(shù)提出以下一些粗淺的看法。

        3 轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

        采用DTC直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比矢量控制要快的多的轉(zhuǎn)矩響應(yīng),大約為6ms-7ms,直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)可以達(dá)到lms左右。

        DTC為什么具有比矢量控制快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)呢?眾所周知,DTC控制系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩,采用砰一砰控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制,DTC控制系統(tǒng)沒(méi)有電流控制環(huán)路,因此,DTC控制系統(tǒng)的著眼點(diǎn)是電壓,而不是電流。而矢量控制的原理是基于交流電機(jī)的電流控制,把交流電流按磁場(chǎng)坐標(biāo)軸分解為轉(zhuǎn)矩分量和磁場(chǎng)分量,分別加以控制,故矢量控制的著眼點(diǎn)是電流控制。對(duì)于交流電機(jī)來(lái)講,要想獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng),在磁鏈不變的條件下,就要求電流的快速變化,而電流的變化是由電壓的快速變化引起的。

        矢量控制系統(tǒng)的輸出電壓是由電流調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生的,這就存在電流調(diào)節(jié)的時(shí)間滯后。當(dāng)然,現(xiàn)代的矢量控制系統(tǒng)輸出電壓可以是由電機(jī)模型計(jì)算的前饋電壓控制和電流調(diào)節(jié)共同產(chǎn)生,前饋電壓控制可以獲得較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng),但這個(gè)電壓輸出是由模型精確計(jì)算的,沒(méi)有任何過(guò)沖現(xiàn)象,且電流是始終受控的。而DTC由于沒(méi)有電流控制環(huán)路,砰一砰控制產(chǎn)生的輸出電壓沒(méi)有任何電流限制,電壓可以出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象。故電機(jī)可以獲得較大的du/dt,較大的加速電流,因而產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)及轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不言而喻了。

        但DTC這種快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是有條件的,如果在額定電壓條件下,特別是弱磁運(yùn)行區(qū),電壓將沒(méi)有過(guò)沖的余度空間。此外,大型的交流傳動(dòng)必須對(duì)電機(jī)電流加以限制,這樣DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)就不會(huì)達(dá)到1-2ms那么高的指標(biāo)水平。

        DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)還取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率,即砰一砰控制的頻率。對(duì)于采用GTO或IGCT元件的大型PWM變頻器來(lái)講,高的開(kāi)關(guān)頻率將導(dǎo)致變頻器的損耗加大,效率降低,故變頻器的脈寬調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率不能太高。砰一砰控制頻率的降低會(huì)影響DTC的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)指標(biāo)。

        由于DTC砰一砰控制使其輸出電壓有較大的du/dt,故DTC變頻器輸出都加裝濾波器,以減少du/dt對(duì)電機(jī)絕緣的影響,而濾波器增加了線路電感,在減少了du/dt同時(shí),也降低了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

        盡管如此,DTC變頻器可以獲得較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。

        4 變頻器的穩(wěn)態(tài)特性

        DTC變頻器采用砰——砰控制帶來(lái)較好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng),同時(shí)由于其開(kāi)關(guān)頻率是不確定、隨機(jī)變化的使DTC變頻器存在以下問(wèn)題:無(wú)法象矢量控制那樣,在確定的開(kāi)關(guān)頻率條件下,采用消除PWM控制方法;變頻器輸出電壓,電流的諧波較大;變頻器輸出電壓偏低;變頻器效率略低;在電力電子元器件條件下,變頻器輸出容量略小。

        也就是說(shuō),DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差,這對(duì)于那些不要求較高動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的通用變頻器,例如風(fēng)機(jī)、水泵節(jié)能傳動(dòng),一般工業(yè)機(jī)械傳動(dòng),變頻器的效率,容量利用率,諧波就顯得重要,在這些應(yīng)用場(chǎng)合VC顯然要優(yōu)于DTC。

        5 無(wú)速度傳感器控制

        無(wú)速度傳感器控制是交流電機(jī)調(diào)速控制的重要課題,也是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界及變頻器制造廠的研究熱點(diǎn)。但無(wú)速度傳感器控制的實(shí)用化還與國(guó)外產(chǎn)品差距很大。國(guó)產(chǎn)變頻器大多還處在V/F控制水平,而國(guó)外早已實(shí)現(xiàn)了無(wú)速度傳感器控制的產(chǎn)品化。

        日本電氣學(xué)會(huì)在2000年曾對(duì)日本各大電司通用變頻器的無(wú)速度傳感器控制進(jìn)行了調(diào)查,其無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)大體分為四種方式:定于電流轉(zhuǎn)矩分量控制誤差補(bǔ)償法;感應(yīng)電勢(shì)計(jì)算法;型參考自適應(yīng)MRAS法;角速度計(jì)算法。

        6 總結(jié)

        實(shí)際上,使用大型變頻器還帶來(lái)更多的好處,在上述分析中未考慮進(jìn)去。如:

        6.1 由于“軟啟動(dòng)”可減少啟動(dòng)時(shí)的峰值功率損耗并減少馬達(dá)啟停對(duì)機(jī)構(gòu)的沖擊,延長(zhǎng)使用壽命。

        6.2 使用變頻調(diào)速可使用馬達(dá)與負(fù)載直接連接,減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的費(fèi)用。

        6.3 完善的監(jiān)控和可靠性措施提高了系統(tǒng)工程和工作效率。

        通過(guò)對(duì)DTC與VC技術(shù)的討論,我們應(yīng)排除市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成的商業(yè)宣傳因素,還其技術(shù)的本來(lái)面目,重新認(rèn)識(shí)DTC與VC的理論和實(shí)踐,在比較DTC與VC的優(yōu)缺點(diǎn)并明確其適用場(chǎng)合的同時(shí),也認(rèn)清DTC與VC技術(shù)待攻克的課題,在我國(guó)自主的交流電機(jī)調(diào)速控制技術(shù),為交流調(diào)速技術(shù)的理論發(fā)展和工程實(shí)用技術(shù)的推廣作出貢獻(xiàn)。

        作者簡(jiǎn)介:王強(qiáng),1996年畢業(yè)于安徽省煤炭工業(yè)學(xué)校機(jī)電專(zhuān)業(yè),02-06年安徽理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造專(zhuān)業(yè)脫產(chǎn)進(jìn)修,大本,現(xiàn)任皖北煤電集團(tuán)公司劉橋第一煤礦機(jī)電科助理工程師。

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