區(qū)炳顯
(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無錫分院,江蘇 無錫214174;2.國家橋門式起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心,江蘇 無錫214174)
大功率綜合機(jī)械化采煤技術(shù)的發(fā)展和高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的需要,使得采煤機(jī)電牽引迅速發(fā)展。目前國內(nèi)外采煤機(jī)電牽引系統(tǒng)按調(diào)速方式可以分為4種:直流電機(jī)調(diào)速、異步電機(jī)變頻調(diào)速、電磁調(diào)速和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速[1]。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,發(fā)熱不易散發(fā),摩擦的碳粉難以排出,造成壽命短、可靠性低、維修困難;而開關(guān)磁阻電機(jī)由于需要在轉(zhuǎn)子上安裝位置檢測器,從而降低了運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性[2];電磁調(diào)速系統(tǒng)傳動(dòng)效率低下,尤其是在低速范圍。在矢量控制技術(shù)出現(xiàn)之前,交流調(diào)速系統(tǒng)多采用V/F 比值恒定控制方法,又稱為標(biāo)量控制,采用這種方法在低速及動(dòng)態(tài),如加減速、加減負(fù)載等情況時(shí),系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的缺陷[3]。矢量控制不僅可以消除標(biāo)量控制的缺陷,而且大大提高了系統(tǒng)的控制性能。改善異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,將矢量控制技術(shù)運(yùn)用到電力傳動(dòng)領(lǐng)域,用于解決傳統(tǒng)采煤機(jī)調(diào)速問題,具有重要的意義[4]。
由于轉(zhuǎn)速的變化存在機(jī)械慣性等因素,加上運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電慣性以及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等,使得異步電動(dòng)機(jī)成為高階、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電動(dòng)機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時(shí),常做如下假設(shè):(1)忽略空間諧波;(2)忽略磁路飽和;(3)忽略鐵芯損耗;(4)不考慮溫度和頻率的變化[5]。
在以上假設(shè)前提下,首先列出系統(tǒng)在A—B—C 坐標(biāo)下的方程,然后通過坐標(biāo)變換,將其轉(zhuǎn)換為M—T 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。在M—T 坐標(biāo)系,將坐標(biāo)軸M、T 以同步轉(zhuǎn)速ω1進(jìn)行旋轉(zhuǎn),并且M 軸沿著轉(zhuǎn)子總磁鏈?zhǔn)噶喀?的方向,T 軸垂直于矢量ψ2,即ψ2=ψm2、ψt2=0。因轉(zhuǎn)子繞組短路,故um2=ut2=0,這樣異步電動(dòng)機(jī)在M—T 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下:
電壓方程:
磁鏈方程:
轉(zhuǎn)矩方程:
轉(zhuǎn)差頻率ωs與轉(zhuǎn)矩間關(guān)系為:
式中,um1、ut1為定子在M—T軸上的電壓分量;R1、R2為定子和轉(zhuǎn)子等效電阻;p為微分算子;im1、it1、im2、it2為定子和轉(zhuǎn)子電流在M—T 軸上的電流分量;pm為電機(jī)極對數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩。
系統(tǒng)的軟件由上位機(jī)的監(jiān)控顯示程序和下位機(jī)的控制程序兩部分構(gòu)成。其中上位機(jī)的功用是設(shè)定電機(jī)參數(shù),也為電流、電壓波形的實(shí)時(shí)顯示做準(zhǔn)備。下位機(jī)的功用是電流采樣、轉(zhuǎn)速采樣、矢量變換、SVPWM 輸出以及串行通信、轉(zhuǎn)速顯示和故障輸出等。
基于電壓空間矢量技術(shù)的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖1所示,其中整流側(cè)采用電壓定向的SVPWM 調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制。
圖1 系統(tǒng)主電路圖
系統(tǒng)的仿真參數(shù)為:異步電動(dòng)機(jī)的額定功率和轉(zhuǎn)速分別為22kW 和1 750r/min,額定電壓和頻率為380V 和50 Hz。電機(jī)具體參數(shù)如下:Rs=0.525 7Ω,Rr=0.301 7Ω,Ls=4.9mH,Lr=4.9mH,Lm=116.6mH。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.102kg/m2。當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值為120r/s,并且在0.5s突加70N/m 負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖2~4 所示。當(dāng)轉(zhuǎn)速在0.5s后從100r/s調(diào)節(jié)到120r/s,并且轉(zhuǎn)矩給定為70N/m 時(shí)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖5~7所示。在電動(dòng)機(jī)0.5s時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖8~10所示。
圖2 突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速波形
圖3 突加負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)矩波形
圖4 突加負(fù)載時(shí)的三相定子電流波形
圖5 轉(zhuǎn)速在0.5s后的升速波形
圖6 轉(zhuǎn)速在0.5s后的轉(zhuǎn)矩波形
圖7 轉(zhuǎn)速在0.5s后的三相定子電流波形
圖8 在0.5s時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)速波形
圖9 在0.5s時(shí)制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩波形
圖10 在0.5s時(shí)制動(dòng)的三相定子電流波形
由以上仿真結(jié)果可以看出,本系統(tǒng)在啟動(dòng)電機(jī)、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以及突加負(fù)載和停機(jī)時(shí)都可以獲得很好的動(dòng)態(tài)性能,調(diào)速系統(tǒng)能夠很好地跟蹤給定轉(zhuǎn)速,驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和正確性。但是針對PI調(diào)節(jié)比例和積分兩個(gè)參數(shù)仍然需要根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行工程調(diào)試,只有在理想的PI調(diào)節(jié)參數(shù)作用下才能達(dá)到預(yù)期效果。
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