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        電機牽引交流變頻調(diào)速系統(tǒng)研究

        2015-04-13 08:35:08區(qū)炳顯
        機電信息 2015年36期
        關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型定子矢量

        區(qū)炳顯

        (1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院,江蘇 無錫214174;2.國家橋門式起重機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心,江蘇 無錫214174)

        0 引言

        大功率綜合機械化采煤技術(shù)的發(fā)展和高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的需要,使得采煤機電牽引迅速發(fā)展。目前國內(nèi)外采煤機電牽引系統(tǒng)按調(diào)速方式可以分為4種:直流電機調(diào)速、異步電機變頻調(diào)速、電磁調(diào)速和開關(guān)磁阻電機調(diào)速[1]。直流電機調(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)磁阻電機由于需要在轉(zhuǎn)子上安裝位置檢測器,從而降低了運轉(zhuǎn)的可靠性[2];電磁調(diào)速系統(tǒng)傳動效率低下,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態(tài),如加減速、加減負載等情況時,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。改善異步電動機系統(tǒng)動態(tài)性能,將矢量控制技術(shù)運用到電力傳動領(lǐng)域,用于解決傳統(tǒng)采煤機調(diào)速問題,具有重要的意義[4]。

        1 異步電動機矢量控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

        由于轉(zhuǎn)速的變化存在機械慣性等因素,加上運動系統(tǒng)的機電慣性以及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的積分關(guān)系等,使得異步電動機成為高階、非線性和強耦合的多變量系統(tǒng)。在研究異步電動機的多變量數(shù)學(xué)模型時,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,這樣異步電動機在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為電機極對數(shù);Te為電磁轉(zhuǎn)矩。

        2 控制系統(tǒng)仿真分析

        2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)的軟件由上位機的監(jiān)控顯示程序和下位機的控制程序兩部分構(gòu)成。其中上位機的功用是設(shè)定電機參數(shù),也為電流、電壓波形的實時顯示做準(zhǔn)備。下位機的功用是電流采樣、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。

        2.2 基于SVPWM 的異步電動機矢量控制系統(tǒng)仿真實驗

        基于電壓空間矢量技術(shù)的異步電動機矢量控制變頻調(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:異步電動機的額定功率和轉(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 負載時的轉(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 時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖5~7所示。在電動機0.5s時制動的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及電流波形如圖8~10所示。

        圖2 突加負載時的轉(zhuǎn)速波形

        圖3 突加負載時的轉(zhuǎn)矩波形

        圖4 突加負載時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時制動的轉(zhuǎn)速波形

        圖9 在0.5s時制動的轉(zhuǎn)矩波形

        圖10 在0.5s時制動的三相定子電流波形

        3 結(jié)語

        由以上仿真結(jié)果可以看出,本系統(tǒng)在啟動電機、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以及突加負載和停機時都可以獲得很好的動態(tài)性能,調(diào)速系統(tǒng)能夠很好地跟蹤給定轉(zhuǎn)速,驗證了本設(shè)計的可行性和正確性。但是針對PI調(diào)節(jié)比例和積分兩個參數(shù)仍然需要根據(jù)實際現(xiàn)場進行工程調(diào)試,只有在理想的PI調(diào)節(jié)參數(shù)作用下才能達到預(yù)期效果。

        [1]Wang W H,Zhang D K,Cheng G,et al.The Dynamic Fault Tree Analysis of Not-Cutting Failure for MG550/1220Electrical Haulage Shearer[J].Applied Mechanics and Materials,2011,130-134:646-649.

        [2]Vafakhah B,Salmon J,Knight A M.A New Space-Vector PWM with Optimal Switching Selection for Multilevel Coupled Inductor Inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(7):2354-2364.

        [3]Vijaya Bhaskar Reddy K,Siva Krishna Rao G V,Surendra T S.Digital Simulation of Space Vector Modulation Based Induction Motor Drive[J].Research Journal of Applied Sciences,Engineering and Technology,2011,3(4):330-337.

        [4]Lv H L,Wang J L,Deng F.FacVector:An Enhanced User Vector Space Model in Recommender System[J].Journal of Convergence Information Technology,2012,7(9):92-100.

        [5]Chen G Q,Wu Z H,Zhu Y,et al.Realization of Random Space Vector Pulse Width Modulation Based on Infineon Tricore TC1767/TC1797[J].International Journal of Digital Content Technology and its Applications,2012,6(20):624-632.

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